隧道突水突泥地質災害成因分析與治理方法研究

王 闖

（江蘇省水文地質海洋地質勘查院，江蘇 淮安）

引言

隧道突水突泥是在隧道施工中最為嚴峻的地質災害。在隧道工程施工過程中，發生地質災害還會引發塌方、地表水枯竭等問題。給隧道施工帶來嚴重危害，使得設備掩埋，地表塌陷，導致施工進度緩慢，嚴重時還會發生安全事故。在多變的地質條件影響下，需要不斷提升勘察水平，增加了巖溶隧道的施工進度，可以實時對地基承載力進行分析，防止隧道發生突水突泥的災害。根據實際情況選擇正確的開挖方法，按設計的參數進行初期支護，減少對圍巖產生的擾動。同時，通過分析突水突泥發生的機理，能夠同時得到隧道的沉降變化規律，通對塌方段進行工程施工。根據地基數據，能夠有針對性對隧道施工進程進行推進，達到較好施工效果[1]。在工程建設過程中，對隧道圍巖進行穩定性監測，減少地基的側移程度。對特殊部分加以處理，能夠在斷層條件下運用新的注漿設計對支護進行優化。通過注漿堵水加固的方式能夠有效控制拱頂的沉降，獲取沉降規律，順利通過突水突泥段。同時，運用管道引排水還可以節約施工成本，達到較好的整治效果。由于隧道施工難度高，在工程施工中的造價高，施工安全性差，地質勘查情況不完善，使得不同地段的突水突泥災害事故頻發，結果難以符合預期[2]。因此現階段，以隧道突水突泥地質災害成因分析與治理方法為研究目標，結合實際情況進行研究與分析。

1 地質災害成因分析與治理

1.1 隧道突水突泥地質災害成因分析

地下水位變化是隧道涌水突泥過程中最為重要的因素，在隧道施工中由于發生涌水問題會導致地表塌陷的問題。當隧道穿越高壓富水斷層時，巖體的厚度發生剪切破壞，使得圍巖平衡發生變化，當釋放地下水所存儲的能量后會發生突水問題[3]。當地下水攜帶有大量泥砂時會形成突泥現象。在隧道施工過程中，發生突水突泥的位置在斷層帶等一些地質結構較為特殊的區域。這些破碎松散的巖體中含有大量的地下水，為隧道開撐掌子面隔水層的敏感地帶。在區域張性斷層附近的隧道涌水量更加多。由于巖石承受的突水壓力小，使得巖層抗剪強度會在水壓力的作用下發生變化，這樣在開挖過程中就會形成突水突泥的問題。其中，花崗巖的涌水量通常為0.52～0.6 m3/km，灰巖等涌水量更多[4]。當隧道長度過長時，其單位涌水量也會增加，發生突水突泥地質災害的可能性就會變大。在隧道開挖過程中，環境因素也會造成隧道的涌水災害發生，大氣降水等使得涌水量大幅度增加。同時，根據巖層組合特征，灰巖在薄層與厚層的中間地帶容易發育溶洞，這樣就會形成地下水和填充物滲流的通道。巖溶構造在隧道穿過部分時間內發生突泥的現象，在相同的溶洞中突泥的特征也有所不同。

1.2 隧道突水突泥治理方法

1.2.1 地表封閉加固

由于隧洞水體含水量大，流動性強，使用注漿堵水的方法難以達到預期效果[5]。所以運用堵截處理的方式，將地表水補給進行截斷，具體見圖1。

圖1 地下水截引排處理

根據隧洞的地表情況，為了防止地表水滲入形成突水突泥的危害，保證隧洞內施工的安全。需要對地表進行封閉與注漿加固施工。根據隧道突水突泥的情況，首先對隧洞進行清淤。在隧洞外布設排水溝，如果遇到淤泥較多區域需要用塑料袋裝土來堆砌止漿墻。這樣能保證完成抵御淤泥壓力。清理淤泥過程中，按照一定間隔進行分割，并使用泥漿泵按照分段依次清理隧洞淤泥。如果遇到非淤泥區域則選用大塊預制石塊進行堆砌止漿墻，能夠抵抗泥渣壓力[6]。在對隧洞地表進行清理過程中，對于泥渣的清理要在距離掌子面15 m 位置停止。在堆砌止漿墻過程中，需要在不同級止漿墻中埋設一定數量的水管來排放積水。同時，制作仰拱至距離掌子面40 m 處。為了能夠有效加固，需要對隧道破碎帶的圍巖進行初期支護。選用C21 注漿錨桿進行橫向支護。使用水泥漿進行注漿，設置起始注漿壓力為0.75 Mpa。同時，鋪設鋼筋網，在開挖面上噴射4 cm 砼后進行超前小導管注漿支護。為了能夠使得初期支護在短時間內形成鋼支撐，可選擇使用工字鋼進行加強支護。

1.2.2 二次襯砌

在進行支護加固后，通過二次襯砌措施完成施工。首先，結合隧道所處地質構造對水源進行分析。其次，選取合適的隧道斷面輪廓。由于圍巖條件的不同，初期支護及二次襯砌的厚度也有所變化。所以，需要對襯砌進行設計。具體的隧道復合襯砌設計參數見表1。

表1 襯砌結果設計參數

結合設計數據進行隧洞開挖，根據掌子面最大位移值的變化，對不同工況下的襯砌最小安全厚度進行計算。其計算公式為：

式中：μ為抗拉強度；p 為水壓力。在施工現場作業時，根據計算模擬分析，確定臨界距離。在隧洞開挖后進行特殊處理。采用橫向錨桿對圍巖進行加固，適時施工進行二次襯砌，保證突水突泥效果符合標準，實現隧道安全施工。

2 測試與分析

為了驗證本文治理方法的有效性，在隧道開挖后，以圍巖變化特征為例，對掌子面開挖推進距離在80 m 時的掌子面涌水量結果進行測試。設置4 個小組，其中小組1～3 運用傳統方法，小組4 運用本文方法。隨著地下水位不斷升高，對4 個小組的掌子面涌水量程度進行對比分析，判斷在施工中哪種方法能夠減少突水突泥現象，達到較好的治理效果。

2.1 工程概況

隧道起始樁號為K15+145～K15+175，兩洞中心線間距為25 m，隧道的最大埋深為127 m，由出口進洞開挖。采用噴錨支護的方式襯砌。隧道中的地質主要為變質作用下的混合石英巖，分級為V～IV 級。在洞口與斷層中存在導水斷層，在隧道開挖時，洞內突水量會增加，洞室開挖中以涌流狀出水為主。隧道右線為IV 級圍巖，掌子面以強風化為主，同時含有水量較大。整體穩定一般，局部稍有滲水。

結合工程的斷層結構特征，分析了地層巖性特征。隧道開挖后，對隧道斷層突水突泥進行分類。隧道開挖進入斷層帶后，應力急劇變化，隧道洞周出現拉應力區增大現象。所以針對這種現象，需要分析隧道開挖穿越斷層破碎帶過程中，掌子面變化情況，得到在推進過程中的位移分布云圖。根據位移場的變化情況，進行監控測量。在推進過程中，地下水的涌水量會增加，隧道開挖至斷層帶時，隧道滲流速度大幅增加。地下水沿巖體內的裂隙不斷滲透，造成隧道巖體失穩。所以需要對隧道的斷層破碎帶進行相關試驗。

2.2 結果與分析

隧道開挖后，在掌子面開挖推進距離為80 m 時，得到4 個小組的掌子面涌水量隨地下水位變化結果，具體見圖2。

圖2 水位埋深掌子面涌水量結果

由測試結果可知，在隧道開挖后，地下水位逐漸升高，4 個測試小組的掌子面涌水量均發生改變。在隧道開挖不斷深入達到80 m 時，3 個對照組均在1 300 m3/d 以上，隨著水位抬升會增加涌水量，使得隧道穩定性降低，容易發生災害。而運用本文方法的小組4掌子面涌水量為1 200 m3/d 以下，相同水位引發的滲流產生的涌水量的基本穩定在預期目標范圍內，在施工中不容易發生突水災害。說明運用本文治理方法，能夠提升圍巖的抗剪輕度，減少發生屈服現象。在水位抬升時能夠控制隧道的變形程度，減少涌水量對巖體的沖刷，使其無法形成突水突泥通路，達到良好的治理效果。

綜上所述，通過對隧道突水突泥的成因分析，結合本文治理方法能夠在隧道施工過程中重視地下水對隧道圍巖穩定性的影響，切實有效對隧道涌水量進行控制，防止地下水在裂縫中流動的可能。通過降低滲透性來使得防止斷層破碎帶內的粘土被水流沖走，加固隧道圍巖，減少突水突泥等地質災害發生風險。結合實際工程項目，通過保持隧道圍巖豎向位移，縮小塑性區范圍，從圍巖穩定性角度能夠分析隧道發生突水突泥的成因。在治理過程中需要根據地質材料分析，對治理區域的含水構造進行總結，按照堵排結合的方式進行統一治理，使得隧道工程的安全性得到提升。

結束語

本次研究從隧道問題入手，深入分析地質災害形成與治理問題，探究了隧道突水突泥地質災害成因分析與治理方法。對隧道地質災害進行有效監測，從而可以總結出地質災害形成的特征，減少相關地質災害對于隧道安全的影響，對周邊生態環境有積極作用。通過探測了突水突泥段的地質情況，得到隧道突水突泥的規律特征。但是本文方法中還存在著不足，比如初期支護加固問題，管棚參數設計問題，超前支護施工問題等。今后應更加完善施工，分析了隧道突水突泥的成因，解決了隧道突水突泥處的問題。通過防治方法對水突泥段地質進行實時監測，及時對于該問題進行評價和改善。通過排水降壓，圍巖穩定性進行監測，對超前管棚支護進行優化，實現對于隧道突水突泥地質災害成因分析與治理方法的良好應用。