巖溶地質(zhì)隧洞突水突泥產(chǎn)生機理及防治技術(shù)研究

羅應(yīng)貴，蒙 雷，朱圣偉

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局(籌)，430071，武漢）

巖溶地質(zhì)隧洞突水突泥產(chǎn)生機理及防治技術(shù)研究

羅應(yīng)貴，蒙 雷，朱圣偉

（鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局(籌)，430071，武漢）

巖溶地質(zhì)是隧洞施工中經(jīng)常遭遇的不良地質(zhì),很可能引發(fā)突水、突泥、坍塌等事件,存在極大的安全隱患。探討隧洞突水突泥產(chǎn)生的原因，分別采用彈性梁模型和彈性薄板模型（基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則）對巖盤最小厚度進行推導(dǎo)，并在鄂北工程寶林隧洞工程中進行應(yīng)用。通過對隧洞突水突泥防治技術(shù)的研究，提出在不良地質(zhì)段施工應(yīng)采取短進尺、強支護、弱爆破、分臺階開挖的方式，當(dāng)滲水清澈時應(yīng)加強抽排，當(dāng)滲出物含有大量泥沙時應(yīng)及時封堵。

寶林隧洞；突水突泥；巖溶；彈性薄板

在巖溶地區(qū)進行公路、鐵路、水利、礦產(chǎn)開發(fā)等工程建設(shè)中經(jīng)常遭遇突水突泥、塌方、冒頂、有害氣體等災(zāi)害，其中巖溶地質(zhì)隧洞突水突泥災(zāi)害發(fā)生較多，對工程安全影響較大。如何預(yù)防和治理巖溶區(qū)突水突泥災(zāi)害，成為巖溶地區(qū)隧洞建設(shè)的關(guān)鍵。

寶林隧洞是鄂北地區(qū)水資源配置工程的控制性項目，隧洞全長13.84km，最大埋深647m，隧洞穿越中華山國家森林公園，采用TBM掘進機施工，隧洞進口段存在巖溶地質(zhì)，施工中產(chǎn)生一定規(guī)模突水突泥現(xiàn)象，并產(chǎn)生冒頂，對工程正常施工造成較大影響。本文對輸水隧洞巖溶地質(zhì)突水突泥產(chǎn)生機理及防治技術(shù)進行研究，并結(jié)合寶林隧洞工程實例進行分析，為輸水隧洞突水突泥巖盤安全厚度分析和防治技術(shù)提供參考。

一、突水突泥災(zāi)害產(chǎn)生原因

1.地質(zhì)原因

巖溶地質(zhì)是碳酸鹽類巖石（如石膏、石灰?guī)r等）受含有弱酸性的流水溶蝕并加以沉積作用而形成的。具備一定條件時，巖溶即可發(fā)育，侵蝕性的流水在裂隙中流動使構(gòu)造裂隙不斷發(fā)育形成溶蝕裂隙，較大的溶蝕裂隙進一步發(fā)育形成巖溶管道，巖溶管道繼續(xù)發(fā)育形成較大的溶洞，巖溶水具有分布不均、水量大、流速快等特點。根據(jù)隧洞工程突水案例調(diào)查分析結(jié)果可知，隧洞施工區(qū)的地形及地下水情況與隧洞突水突泥關(guān)系密切，地勢較低的巖溶地表洼地首先匯集了地表水，隨后地表匯集水及地表土體由巖溶地表洼地中分布的溶蝕腔體或漏斗滲流至地下，為隧洞施工突水突泥的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

2.氣候條件

巖溶發(fā)育的強弱及隧洞施工突水突泥的情況受氣候條件包括氣溫的變化、降雨分布、降雨強度等因素的影響。低溫條件下，弱酸性水溶蝕可溶性巖石的能力、運移沖刷能力等都會降低，巖溶發(fā)育不強烈；在高溫條件下，弱酸性水溶蝕可溶性巖石的能力增強，降雨的分布及強度影響水的水力條件，地表降雨匯流因攜帶較多二氧化碳使巖溶發(fā)育增強。因此，夏季降雨強度大，地表水徑流和下滲易對可溶性巖石產(chǎn)生溶蝕，隧洞容易發(fā)生涌突水，此外暴雨季節(jié)降雨強度大且攜帶大量泥沙，地下水水位上升迅速，水壓增大，隧洞發(fā)生突水突泥的可能性極大。

3.施工影響

影響隧洞突水突泥的施工影響因素主要包含施工開挖擾動和爆破振動。溶腔中水壓力和掌子面至溶腔的距離（既巖盤厚度）會影響開挖面周邊的水力條件，可能直接影響突水突泥的發(fā)生。隧洞施工前巖體處于天然平衡狀態(tài)，施工開挖擾動了巖體，掌子面處于臨空面，并在圍巖周圍形成巖石松動圈，當(dāng)巖盤巖體應(yīng)力狀態(tài)達到臨界破壞點時，就會產(chǎn)生突水突泥現(xiàn)象。在可能存在突水突泥風(fēng)險部位治理方面，對于壓力溶腔水是“排”或 “堵”，是治理中爭議焦點問題之一。在不同的治理措施中，尚有許多具體問題需要解決，如堵水、排水方案設(shè)計等，任何不當(dāng)?shù)奶幚泶胧┒伎赡芤鹜凰荒酁?zāi)害的發(fā)生。

二、隧洞突水突泥發(fā)生機理

1.彈性梁模型

（1）溶洞位于隧洞側(cè)面

當(dāng)溶洞分布于隧洞的側(cè)面，溶洞主要受到溶腔內(nèi)水壓力以及溶腔充填物壓力作用，溶洞尺寸相對于巖盤厚度較大時，溶洞與隧洞分布情況簡化為圖1，防突巖盤（溶洞與隧洞之間巖石厚度）受力模型簡化為圖2中所示的固定端彈性梁結(jié)構(gòu)。

圖1 溶洞位于隧洞側(cè)面分布圖

圖2 溶洞位于隧洞側(cè)面防突巖盤受力圖

按抗彎強度公式和抗剪強度公式進行驗算并修正可得巖盤厚度:

式中，S為防突巖盤厚度，[σ]為巖體抗拉強度（根據(jù)勘察資料確定），n為0～1的修正系數(shù)，ρ為溶洞內(nèi)隧洞拱頂高程處水壓力，h為隧洞側(cè)墻高度，q為溶洞內(nèi)充填物垂向壓力，g為重力加速度。

（2）溶洞位于隧洞頂部

當(dāng)溶洞分布于隧洞的頂部，溶洞主要受到隧洞和頂部溶洞間防突巖層（巖盤）以及溶腔充填物壓力作用，溶洞尺寸相對于巖盤厚度較大時，溶洞與隧洞分布情況簡化為圖4，防突巖盤受力模型簡化為圖5。

圖3 溶洞位于隧洞頂部分布圖

圖4 溶洞位于隧洞頂部巖盤受力圖

按抗彎強度計算的巖層防突（巖盤）厚度為：度，W為梁跨度，σ為巖體抗壓強度，p為巖盤上覆荷載壓力。

按抗剪強度計算的巖層防突（巖盤）厚度為：

式中，γ為巖石重度，B為簡化梁模型寬度，W為梁跨度，σ為巖體抗壓強度，τ為巖體抗剪強度，p為巖盤上覆荷載壓力。

2.彈性薄板模型

式中，γ巖石重度，B為簡化梁模型寬

當(dāng)隧洞正前方有承壓溶洞時，隨著掌子面向前推進，逐漸靠近承壓溶洞，兩者之間的防突巖板（巖盤）厚度越來越小。當(dāng)防突巖板（巖盤）的厚度遠小于其溶洞高度和跨度時，可以按彈性薄板進行理論分析，其約束條件為4邊簡支。防突巖板中各點只有垂向位移。彈性薄板理論模型見圖5。

根據(jù)板殼理論，考慮板面豎向荷載作用，依據(jù)摩爾-庫倫強度理論極限平衡方程，可得巖盤最小安全厚度為：

式中，c為巖體黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，M、N為根據(jù)板殼理論推導(dǎo)的待定系數(shù)。

圖5 彈性薄板理論模型

3.工程應(yīng)用

寶林隧洞位于湖北省廣水市，沿線不良地質(zhì)分布主要有巖溶、斷層破碎帶等。在進口以及斷層附近存在巖溶較發(fā)育和巖溶水富集地段，此段很可能發(fā)生隧洞內(nèi)突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。巖溶地表洼地與溶洞通過溶蝕通道和裂隙相通，地下水受大氣降水影響大，補給條件較好。溶洞被砂夾礫石充填，水壓力為溶腔充填物的滲透水壓力，最大水壓為0.4 MPa。溶腔近似分布于隧洞掌子面上方，高度約6 m，充填物密度為23 kN/m3，溶腔跨度及高度較防突巖板大，呈不規(guī)則體，巖石抗壓強度為15MPa，抗拉強度為1.3 MPa。取巖石抗壓強度的0.9倍。

按彈性梁模型抗彎強度計算防突巖盤厚度為:

按彈性梁模型抗剪強度計算的防突巖盤厚度為：

三、突水突泥災(zāi)害防治技術(shù)

1.超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報在巖溶地質(zhì)隧洞施工中應(yīng)用的主要任務(wù)是識別突水突泥發(fā)生的條件，目前隧洞工程中超前地質(zhì)預(yù)報已建立了以鉆探法、物探法、地質(zhì)分析法等多種手段為基礎(chǔ)，中長期預(yù)報和地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報相結(jié)合的較為完整的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系。寶林隧洞不良地質(zhì)段采用超前水平探孔、周邊鉆孔和地質(zhì)分析結(jié)合超前探測預(yù)報的方法，特別是超前水平探孔與周邊鉆孔相結(jié)合的探測方法，在隧洞進口施工至樁號（245+221.6）時，較為準(zhǔn)確鎖定溶洞區(qū)域和溶洞邊界，初步掌握了溶洞充填物性質(zhì)，保障了后續(xù)工程措施的實施，減少或最大限度避免因突水突泥而造成的損失。

2.巖溶治理技術(shù)

在巖溶地區(qū)隧洞施工中，應(yīng)利用超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報分析確定隧洞前方巖溶地質(zhì)的溶洞和水文地質(zhì)特性，根據(jù)不同情況，制定針對性較強的防治措施。治理時，應(yīng)根據(jù)巖溶分類，制定規(guī)模對策、充填性對策、充填物對策、水對策等應(yīng)對措施，實現(xiàn)巖溶“標(biāo)準(zhǔn)模式化”治理。

隧洞施工巖溶地質(zhì)治理依據(jù)“排水降壓、超前支護、綜合治理”的原則進行，寶林隧洞進口施工至樁號發(fā)現(xiàn)巖溶地質(zhì)發(fā)育強烈，開挖中頂部、側(cè)部、底部分別存在溶洞，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理聯(lián)合會商，分別采用了以下治理措施:

①加密超前探孔進行探測，分別對頂部、側(cè)部、正前方施打15～30m超前探孔，探明溶腔情況，并采用地質(zhì)雷達輔助探測。安全監(jiān)測在不良地質(zhì)段施工尤為重要，應(yīng)加密對掌子面、拱頂部位沉降觀測和收斂觀測，當(dāng)變形量過大或變形不收斂時應(yīng)及時組織人員撤離。

②存在小規(guī)模溶腔且滲水量較小時，在隧洞拱部采用直徑45 mm超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護，導(dǎo)管長4.5m、環(huán)向25cm、縱向3 m一排，初期支護采用20 cm厚C25掛網(wǎng)噴射混凝土，設(shè)I18工字鋼拱架，每榀間距0.5 m。

③當(dāng)溶腔較大且局部存在突水突泥時，采用超前小導(dǎo)管存在較大風(fēng)險，若覆蓋層較薄且突泥量不大時，采用直徑108 mm管棚及時進行超前支護并將掌子面快速封閉可以取得良好的效果。

④當(dāng)?shù)撞看嬖谌芮粫r，深度及跨度不大于8 m可以先拋投級配碎石并振搗密實，隨后在底板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，最后采用C25噴射混凝土將溶洞頂面封閉。

⑤不良地質(zhì)段施工中應(yīng)采取短進尺（每循環(huán)500 mm）、強支護、弱爆破、分臺階開挖的方式施工，當(dāng)滲水清澈時應(yīng)加強抽排，當(dāng)滲出物含有大量泥沙時應(yīng)及時封堵。

四、結(jié) 論

①隧洞突水突泥的產(chǎn)生是在地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件和施工影響綜合作用下產(chǎn)生的，巖溶發(fā)育越強烈、夏季高溫降雨越多，突水突泥產(chǎn)生的可能性越大，鉆爆施工很可能導(dǎo)致防突巖盤斷裂，產(chǎn)生突水突泥現(xiàn)象。

②在溶洞高度、跨度遠大于防突巖盤厚度時，可采用彈性梁及彈性薄板模型進行計算。依據(jù)板殼理論和摩爾-庫倫強度理論，推導(dǎo)出溶洞位于掌子面上部的最小防突厚度。在寶林隧洞項目中計算最小防突巖盤厚度，采用彈性梁模型計算時，抗剪計算比抗彎計算結(jié)果小14.3%。

③巖溶地質(zhì)突水突泥的防治應(yīng)首先加密超前預(yù)報和安全監(jiān)測頻次，當(dāng)溶腔較大時采用注漿小導(dǎo)管配合強支護的處理方案可能帶來較大安全風(fēng)險，此時應(yīng)采用管棚處理，并及時封閉掌子面。

④不良地質(zhì)段施工中應(yīng)采取短進尺、強支護、弱爆破、分臺階開挖的方式施工，當(dāng)滲水清澈時應(yīng)加強抽排，當(dāng)滲出物含有大量泥沙時應(yīng)及時封堵。

[1]李利平,等.地下工程突水機理及其研究最新進展 [J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010（3）.

[2]張軍偉,等.巖溶隧道側(cè)部巖盤突水機制研究[J].公路交通科技,2017（5）.

[3]臧守杰.強巖溶區(qū)隧道施工中隧底最小安全厚度分析研究[J].隧道建設(shè),2007（5）.

[4]謝舉.巖溶隧道施工突水突變機理與防治對策研究[D].重慶交通大學(xué),2013.

[5]黃雄軍.巖溶隧道突水突泥影響因素及對策[J].鐵道工程學(xué)報,2013(1).

Water and mud gushing mechanism of karst geological tunnel and study on control technologies

Luo Yinggui,Meng Lei,Zhu Shengwei

Karst geology refers to unfavorable geology that is often encountered in tunnel construction,which is regarded as potential safety hazard that induces water and mud gushing and collapse.The cause of water and mud gushing had been examined.The minimum thickness of laccolith was derived by means of elastic beam model and elastic thin plate model based on Mohr-Coulomb criterion that has been applied in the construction of Baolin Tunnel.With studies on technologies of water and mud gushing prevention,it is proposed to take methods of short footage,strong support,weak blasting or benching excavation under unfavorable geological conditions.Pumping and drainage system should be operated when clear seepage water is flowing,while blocking measures shall be taken when sediment is contained in seepage water.

Baolin Tunnel;mud and sand gushing;karst;elastic thin plate

TV554

B

1000-1123（2017）22-0059-03

2017-10-11

羅應(yīng)貴，高級工程師。

責(zé)任編輯 韋鳳年