云霧山隧道巖溶災(zāi)害綜合預(yù)防技術(shù)及其應(yīng)用

代峪

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，武漢　430061）

云霧山隧道巖溶災(zāi)害綜合預(yù)防技術(shù)及其應(yīng)用

代峪

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，武漢430061）

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道施工過(guò)程中易發(fā)生涌水、涌泥、塌方等災(zāi)害。針對(duì)地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、地下水監(jiān)測(cè)等單項(xiàng)技術(shù)在巖溶災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方面的不足，根據(jù)溶洞與開(kāi)挖面的位置關(guān)系、補(bǔ)給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、埋深、圍巖級(jí)別這5個(gè)主要的致災(zāi)因子，提出巖溶隧道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型。對(duì)5個(gè)致災(zāi)因素監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并據(jù)此提出防災(zāi)預(yù)案和擬定工程措施，以提高巖溶隧道施工安全性。

隧道；巖溶；災(zāi)害預(yù)測(cè)；風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)巖溶面積占國(guó)土的三分之一，是巖溶分布極廣的國(guó)家之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多長(zhǎng)大隧道在巖溶地區(qū)規(guī)劃修建。由于巖溶地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，故隧道修建過(guò)程中易發(fā)生涌水、涌泥、塌方等災(zāi)害，輕者造成設(shè)備破壞，重者造成人員傷亡。一些學(xué)者對(duì)我國(guó)已建和在建的31座巖溶隧道進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)生過(guò)較大涌水災(zāi)害的隧道有15座，出現(xiàn)突泥涌沙災(zāi)害的隧道有8座，出現(xiàn)地表塌陷災(zāi)害的隧道有5座，災(zāi)害發(fā)生頻率較高［1］。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)巖溶隧道災(zāi)變機(jī)制研究較少，巖溶地區(qū)隧道設(shè)計(jì)、施工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不夠完善。趙明階等［2］通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，分析了不同位置、不同距離溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。張旭東等［3］結(jié)合宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道巖溶潰水的工程實(shí)際，對(duì)深部巖溶隧道潰水成災(zāi)機(jī)理及其工程處治技術(shù)進(jìn)行了研究。李術(shù)才等［4］對(duì)巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究。

巖溶隧道災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍大、演變速度快等特點(diǎn)，一旦發(fā)生很快就可能造成嚴(yán)重后果［5］。現(xiàn)有研究多側(cè)重于發(fā)生災(zāi)害后如何快速有效地處治，對(duì)災(zāi)害發(fā)生的可能性預(yù)測(cè)研究較少，且多數(shù)災(zāi)害預(yù)測(cè)研究?jī)A向于單項(xiàng)預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，預(yù)測(cè)結(jié)果受技術(shù)人員水平和測(cè)量精度等因素影響，存在準(zhǔn)確度偏低、反饋滯后等問(wèn)題，難以對(duì)施工進(jìn)行及時(shí)有效的指導(dǎo)。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)導(dǎo)致巖溶災(zāi)害發(fā)生的主要致災(zāi)因子提出巖溶隧道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)單項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而得出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以使施工中規(guī)避或減小災(zāi)害發(fā)生的可能性。

1　云霧山隧道巖溶災(zāi)害致災(zāi)因子分析

渝遂高速公路云霧山隧道為雙向4車(chē)道長(zhǎng)隧道。該隧道長(zhǎng)3.58 km，寬10.5 m，高7.4 m。巖溶段長(zhǎng)450 m，埋深約20 m，全段橫穿瀝鼻峽背斜軸部，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重。地表河流與隧道軸線不足100 m，一些支流與隧道軸線交叉。該段圍巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶十分發(fā)育，巖溶管道與巖石裂隙形成大量地下水通道［6］。施工過(guò)程中，左線掘進(jìn)至YK40+466處實(shí)施出渣及工作面清理時(shí)，上、中導(dǎo)坑左下側(cè)發(fā)生掉塊，并逐步露出直徑約1.2 m的溶洞。上導(dǎo)坑扒渣時(shí)，溶洞發(fā)生一次性較短時(shí)間涌泥，泥漿內(nèi)包裹著灰?guī)r碎塊，在隧道內(nèi)形成長(zhǎng)約40 m，體積約500 m3的涌泥帶。另外，地表以白沙河支流為中心，出現(xiàn)一直徑約14 m、深約15 m的直筒型塌陷區(qū)，致使白沙河支流斷流，河水全部涌入塌陷區(qū)內(nèi)。隨著塌陷區(qū)土體飽和并壓垮隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)出現(xiàn)二次坍塌，坍塌體與地表聯(lián)通，洞內(nèi)涌泥帶擴(kuò)大到100 m，涌泥量約20 300 m3，地表沉陷區(qū)直徑擴(kuò)大到35 m，成漏斗狀開(kāi)口，見(jiàn)圖1。災(zāi)害導(dǎo)致鉆孔臺(tái)車(chē)和出渣運(yùn)輸車(chē)輛被埋，地表房屋開(kāi)裂［7］。對(duì)災(zāi)害誘因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)施工開(kāi)挖是巖溶隧道災(zāi)害最根本的誘因，即外部致災(zāi)因子，而地面地下補(bǔ)給水源豐富，巖溶發(fā)育程度高、規(guī)模大，隧道埋深淺、地質(zhì)狀況差是災(zāi)害發(fā)生及擴(kuò)大的其他主要致災(zāi)因子［8］。

圖1　云霧山隧道災(zāi)害類(lèi)型

2　單項(xiàng)技術(shù)在巖溶災(zāi)害預(yù)測(cè)中的缺陷

為減少施工過(guò)程中災(zāi)害發(fā)生頻率，通常在隧道設(shè)計(jì)階段已進(jìn)行了詳細(xì)地質(zhì)勘查，施工階段也進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)。但由于巖溶地質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，現(xiàn)有地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、地下水監(jiān)測(cè)等主要技術(shù)手段由于側(cè)重點(diǎn)不同，在巖溶災(zāi)害預(yù)測(cè)方面僅能獲得某些方面的數(shù)據(jù)結(jié)果，不能對(duì)巖溶災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和位置作出較為準(zhǔn)確的判斷。這也是在有各種監(jiān)測(cè)手段的情況下，巖溶隧道施工仍然容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)重要原因。

2.1詳細(xì)地質(zhì)勘探

詳細(xì)地質(zhì)勘探的目的是提供設(shè)計(jì)所需的工程地質(zhì)條件和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載基體作出巖土工程評(píng)價(jià)，為不良地質(zhì)防治方案等作出論證和結(jié)論?？辈熘饕侄我钥碧健⒃粶y(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)為主，必要時(shí)需補(bǔ)充地球物理勘探、工程地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查。詳細(xì)地質(zhì)勘探報(bào)告是設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)，但巖溶地區(qū)多處于山嶺重丘區(qū)域，對(duì)于能夠直接了解巖溶發(fā)育和地下水富集情況的鉆探，由于受地勢(shì)落差較大和經(jīng)濟(jì)等因素影響，很難將探孔間距布置得足夠密，因此對(duì)溶洞位置和巖溶發(fā)育情況的判斷難以詳盡。

2.2施工監(jiān)控量測(cè)

施工監(jiān)控量測(cè)可為評(píng)價(jià)施工方法的可行性、設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性以及了解圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形特性等提供準(zhǔn)確及時(shí)的驗(yàn)證，對(duì)隧道2次襯砌的施作時(shí)間具有決定性意義［9］。在巖溶地質(zhì)條件下，地質(zhì)情況變化較大，水平位移、拱頂下沉以及地表沉降等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果受技術(shù)人員水平影響較大，易出現(xiàn)關(guān)鍵部位漏點(diǎn)的情況。另外，測(cè)量時(shí)初期支護(hù)已經(jīng)完成，故對(duì)災(zāi)害預(yù)測(cè)有滯后性。

2.3超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TSP）

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TSP）的原理是利用排列方式在巖體內(nèi)激發(fā)彈性波。彈性波在向三維空間傳播過(guò)程中，遇到聲阻抗界面，P波可以穿過(guò)各種介質(zhì)，而SH波、SV波卻只能穿過(guò)固體介質(zhì)，不能穿過(guò)液體介質(zhì)，因此SH波、SV波解譯圖上就會(huì)存在一些異常區(qū)，而對(duì)異常區(qū)進(jìn)行分析便可以判斷巖溶構(gòu)造位置。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能預(yù)判前方100～150 m溶洞的大致位置，但判斷結(jié)果受技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)等因素影響較大，且與實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造情況也可能存在誤差。

2.4超前鉆探

超前鉆探是利用超前地質(zhì)鉆桿在隧道施工的掌子面若干部位進(jìn)行鉆探，并依據(jù)鉆桿內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及水文地質(zhì)來(lái)判定前方圍巖的性質(zhì)。超前鉆探可直接了解前方的地質(zhì)情況，但預(yù)測(cè)長(zhǎng)度較短，范圍限于掘進(jìn)區(qū)域。

2.5地下水監(jiān)測(cè)

地下水監(jiān)測(cè)時(shí)，通常利用高精度水流速度儀來(lái)監(jiān)測(cè)隧道涌水量的變化。地下水監(jiān)測(cè)只能了解隧道開(kāi)挖過(guò)程中水量的變化，并根據(jù)水量變化對(duì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行分析。

3　巖溶隧道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型

巖溶隧道災(zāi)害發(fā)生概率和危害程度主要受施工開(kāi)挖（溶洞與開(kāi)挖面的位置關(guān)系）、補(bǔ)給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、隧道埋深、圍巖級(jí)別這5個(gè)主要致災(zāi)因子的影響，致災(zāi)因子的量級(jí)決定了災(zāi)害發(fā)生的損失程度和概率。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，可由致災(zāi)因子的量級(jí)確定損失程度C和發(fā)生概率P，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)學(xué)表達(dá)式R=f（p，c），得到巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)程度的數(shù)學(xué)模型［10］：

式中：R為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值；Ci為第i種致災(zāi)因子的損失程度；Pi為第i種致災(zāi)因子的發(fā)生概率。

依據(jù)隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果［11-13］可將致災(zāi)因子的量級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)量級(jí)對(duì)應(yīng)不同的損失程度和發(fā)生概率評(píng)分。將評(píng)分結(jié)果代入巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)程度數(shù)學(xué)模型，可計(jì)算出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值的大小，將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低度、中度、高度和極高4等，分別見(jiàn)表1、表2。對(duì)于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可采取相對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，以降低實(shí)際施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

表1　巖溶隧道致災(zāi)因子損失程度和發(fā)生概率評(píng)價(jià)

表2　巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4　綜合預(yù)測(cè)方法在巖溶隧道中的應(yīng)用實(shí)例

綜合預(yù)測(cè)是利用詳細(xì)地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、地下水監(jiān)測(cè)等技術(shù)方法，對(duì)溶洞與開(kāi)挖面的位置關(guān)系、補(bǔ)給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、埋深、地質(zhì)狀況這5個(gè)主要致災(zāi)因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。利用詳細(xì)地質(zhì)勘探、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探數(shù)據(jù)綜合分析可得到溶洞與開(kāi)挖面位置關(guān)系、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、隧道埋深、圍巖級(jí)別數(shù)據(jù)，地下水監(jiān)測(cè)可以得到補(bǔ)給水源數(shù)據(jù)，監(jiān)控量測(cè)可以判斷超前支護(hù)和初期支護(hù)施工后圍巖的穩(wěn)定性。綜合預(yù)測(cè)有效地避免了單項(xiàng)技術(shù)的不足，提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3　云霧山隧道K40+533～K40+420段圍巖參數(shù)

云霧山隧道左線ZK40+533～ZK40+420段地質(zhì)詳勘報(bào)告將該段圍巖判斷為三疊系灰色-黃褐色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，巖石呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，完整性極差，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，其巖性參數(shù)見(jiàn)表3。當(dāng)掘進(jìn)至ZK40+533時(shí)，為更加準(zhǔn)確地了解掘進(jìn)前方巖溶狀況，采用TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示ZK40+490～ZK40+470段預(yù)測(cè)為Ⅴ級(jí)圍巖，通過(guò)SH波速度掃描結(jié)果預(yù)測(cè)在ZK40+474左右上方有一充填有大量黃褐色富水軟泥的巖溶腔。掘進(jìn)至ZK40+490處后，從地下水流量監(jiān)測(cè)記錄可知，地下水流量由常態(tài)的200～600 m3/d變化為1 200～2 600 m3/d，見(jiàn)圖2。對(duì)拱頂、兩側(cè)拱腰和拱腳處5個(gè)孔位進(jìn)行了超前鉆探取芯分析，發(fā)現(xiàn)在ZK40+476～475左側(cè)拱腰處溶洞與隧道斷面相交，溶腔內(nèi)包裹有軟泥及灰?guī)r塊。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、詳細(xì)地質(zhì)勘探、超前鉆探和地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以確定云霧山隧道5項(xiàng)致災(zāi)因子的量級(jí)，且通過(guò)對(duì)應(yīng)的損失程度和發(fā)生概率評(píng)分，計(jì)算得到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值R為89，災(zāi)害發(fā)生等級(jí)為極高。施工過(guò)程中，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，在掘進(jìn)到預(yù)測(cè)點(diǎn)前5 m處，采用3臺(tái)階法開(kāi)挖，并用5 m超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)前方開(kāi)挖面，且將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為鋼拱架。將實(shí)際揭露情況與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)溶洞位置與實(shí)際情況吻合。由于采取了超前小導(dǎo)管注漿措施，溶腔內(nèi)泥漿得到固結(jié)，故溶洞揭穿后僅發(fā)生了少量掉塊，且超前小導(dǎo)管穿過(guò)兩側(cè)溶腔，對(duì)開(kāi)挖面也起到保護(hù)作用。初期支護(hù)完成后，在ZK40+ 476處布置水平收斂和拱頂下沉測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)39 d監(jiān)控量測(cè)，最終水平收斂值達(dá)到53.46 mm，拱頂下沉值達(dá)到55.08 mm，圍巖收斂趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖3。云霧山隧道施工過(guò)程中，通過(guò)實(shí)施巖溶災(zāi)害綜合預(yù)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害提前采取了應(yīng)對(duì)措施，成功降低了巖溶災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

圖2　地下水流量監(jiān)測(cè)記錄

圖3　ZK40+476水平收斂和拱頂下沉曲線

5　結(jié)論

1）基于巖溶致災(zāi)因子發(fā)生概率和損失程度建立巖溶隧道災(zāi)害預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)巖溶災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可有效避免單項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)受技術(shù)條件和人員水平等因素影響出現(xiàn)的誤差，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

2）通過(guò)云霧山隧道工程施工實(shí)例證明，采用巖溶綜合災(zāi)害預(yù)防技術(shù)，能準(zhǔn)確計(jì)算出巖溶災(zāi)害發(fā)生等級(jí)，并基于此采取相應(yīng)的技術(shù)措施，可有效降低隧道重大災(zāi)害事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3）現(xiàn)有隧道施工和設(shè)計(jì)規(guī)范僅對(duì)巖溶隧道設(shè)計(jì)施工在地質(zhì)勘探和監(jiān)控量測(cè)方面有部分強(qiáng)制性要求，因此，鑒于巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性和嚴(yán)重性，筆者建議還應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探和地下水監(jiān)測(cè)等預(yù)測(cè)手段納入相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工強(qiáng)制性規(guī)范中，以提高巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)的綜合判斷水平。

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Preventive Technology and Application for Karst Disaster in Yunwu Mt.Tunnel

DAI Yu

Karst area has complicated geologic conditions，during tunnel construction，there may often be disasters like water burst，mud burst or cave in，etc.，Considering the shortcomings of single technology，such as geologic survey，monitoring/measuring，advance geologic prediction，advance drilling，underwater supervision，in Karst disaster prediction，this paper suggests the Karst tunnel disaster prediction model based on 5 major disaster factors of position relationship between Karst cave and excavation face，supplementary water resources，Karst development degree and scale，buried depth and surrounding rock level.After monitoring and analyzing the 5 disaster factors，we obtained the disaster risk degree and suggest antidisaster solution and construction measures，to meliorate the safety in Karst tunnel construction.

tunnel；Karst；disaster prediction；risk

1009-6477（2016）04-0124-04

U459.2

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.028

2016-02-24

代峪（1973-），男，重慶市人，本科，高工。