年洞隧道突泥處治技術(shù)

朱偉寧

摘要：如何預(yù)防并處治巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工過程中的突泥事故一直以來都是高速公路隧道施工的難題。文章以廣西桂林至柳城高速公路的年洞隧道突泥災(zāi)害處治過程為例，分析年洞隧道突泥災(zāi)害的特征與成因，并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，提出了以超前地質(zhì)預(yù)報（鉆探）結(jié)合地層加固、襯砌支護(hù)加強(qiáng)、溶洞處理為一體的綜合預(yù)防處治技術(shù)，成功解決了年洞隧道突泥災(zāi)害防治技術(shù)難題，為今后類似條件的隧道建設(shè)提供了良好的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程;巖溶地質(zhì);突泥災(zāi)害;超前支護(hù);地層加固;溶洞處治

中圖分類號：U458A281004

0 引言

高速公路隧道穿越巖溶發(fā)育地質(zhì)地段具有危害大、預(yù)防難的工程特點(diǎn)，是當(dāng)前國內(nèi)外隧道工程施工中尚未完善解決的難題[1-3]。其主要表現(xiàn)是：當(dāng)施工貿(mào)然揭露巖溶時，有一定的概率會導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害發(fā)生，造成重大工程事故[4]。當(dāng)前，我國在應(yīng)對復(fù)雜巖溶地質(zhì)隧道建設(shè)相關(guān)技術(shù)方面累積了一定的經(jīng)驗，達(dá)到世界先進(jìn)水平。一般采用超前探測[5-7]、帷幕注漿[8]、超前管棚支護(hù)、高壓富水溶腔釋能降壓[9]、橋梁跨越、迂回繞行、防災(zāi)預(yù)警、救援逃生系統(tǒng)等“探”“堵”“排”“迂”“跨”“防”等綜合技術(shù)措施，極大地改善了隧道施工中處理大規(guī)模巖溶地質(zhì)的能力。設(shè)計施工前采取有效的超前地質(zhì)預(yù)報（鉆探）技術(shù)，探明隧道開挖面前隱伏的斷層及巖溶的大小、位置和關(guān)聯(lián)性等，有針對性地制定處理方案，既可有效保障施工安全，又能保證質(zhì)量和進(jìn)度。

1 工程概況

年洞隧道是廣西桂林至柳城高速公路的一座隧道。隧道起訖里程樁號左幅：ZK90+888～ZK92+100，長1 212 m;右幅：K90+936～K92+120，長1 184 m，隧道最大埋深約128 m，洞軸線進(jìn)口走向方位角約241°，出口走向方位角約259°;單幅隧道凈空：11.0 m×5.0 m。

根據(jù)沿線地貌分區(qū)，隧址區(qū)屬構(gòu)造溶蝕峰叢洼地、谷地地貌區(qū)。隧道通過地段地面標(biāo)高在237.67～388.47 m之間，相對高差約150.80 m，地勢起伏相對較大，山體坡度較陡。隧址山體基巖裸露，基巖巖性為泥盆系上統(tǒng)榴江組（D3）灰?guī)r，圍巖級別從Ⅲ級到Ⅴ級。隧址區(qū)地下水主要為碳酸鹽巖水，水量總體不大，接受大氣降水入滲補(bǔ)給。在隧道淺埋段碳酸鹽巖巖溶水受地表水補(bǔ)給條件較好，隧道開挖，滴水、滲流現(xiàn)象明顯，山體深部可能存在著巖溶管道。

2 隧道突泥災(zāi)害特征與原因分析

2.1 突泥災(zāi)害基本情況

年洞隧道左洞在樁號ZK91+081～ZK91+086區(qū)段施工期間發(fā)生了六次突泥塌方災(zāi)害。2019-09-16，左洞發(fā)生了突泥災(zāi)害，第一次突泥從掌子面往支護(hù)段大約40 m左右，突涌泥土呈流塑、軟塑狀，流動性不是很大;2019-10-15，發(fā)生了第二次突泥;2019-10-17，發(fā)生了第三次突泥，造成初支拱架斷裂;2019-10-27，發(fā)生了第四次突泥，造成初支拱架斷裂，同日又發(fā)生了第五次突泥;2019-10-29，發(fā)生了第六次突泥，溶腔掉塊，壓斷初支拱架。施工期間累計淤積泥沙約24 500 m3。

2.2 災(zāi)害特征分析

綜合分析該隧道歷次突泥塌方災(zāi)害發(fā)生的過程與破壞情況，可以看出，巖溶發(fā)育地區(qū)隧道突泥地質(zhì)災(zāi)害特征主要表現(xiàn)在災(zāi)害發(fā)生的突然性、危害性以及經(jīng)濟(jì)損失的嚴(yán)重性。突泥可能會造成人員傷亡、堵塞排水系統(tǒng)、破壞、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)等，并常伴生地面塌陷，增加了突泥災(zāi)害的破壞程度和治理難度。此外，年洞隧道施工期間的突泥災(zāi)害最鮮明的特點(diǎn)就是突泥的頻繁性。

2.3 災(zāi)害成因分析

年洞隧道突泥事件主要是在施工過程中，隧道施工掌子面前方或者開挖輪廓四周的巖溶突然壓潰臨界面，造成突水突泥地質(zhì)災(zāi)害，而突涌出的泥砂主要來源于巖溶陷落柱、斷裂破碎帶、松散含水層。根據(jù)工程地質(zhì)條件以及突泥災(zāi)害特征分析，下面給出年洞隧道突泥災(zāi)害的成因分析：

2.3.1 地下水是突泥災(zāi)害發(fā)生的前提

年洞隧道隧址區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，沿孔隙、基巖裂隙、溶蝕裂隙等向地勢低凹處呈脈狀、線狀排泄;巖溶水水量大小受巖溶發(fā)育程度及補(bǔ)給源的控制，季節(jié)性較明顯，特別是雨季時形成的地表面流易沿溶蝕裂隙迅速下滲，導(dǎo)致地下水流量急劇增大，對隧道突泥災(zāi)害的發(fā)生有著重要影響。

2.3.2 高壓力是突泥災(zāi)害發(fā)生的重要誘因

年洞隧道的最大埋深約128 m，通過爆破開挖之后，打破了原有平衡壓力，使地層處于高壓狀態(tài)，極有可能誘發(fā)突泥塌方災(zāi)害的發(fā)生。

2.3.3 不良地質(zhì)是突泥災(zāi)害發(fā)生的必要條件

根據(jù)地質(zhì)勘測情況，年洞隧道施工區(qū)間段存在破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)條件，而隧道在穿越溶洞、斷層破碎帶或接觸帶等不良地質(zhì)時，特別容易發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

綜合來看，“富水、高壓、不良地質(zhì)”三者不利組合是誘發(fā)年洞隧道突泥災(zāi)害的主要地質(zhì)條件。在很多大型突水突泥災(zāi)害發(fā)生前，都會發(fā)生前期小型、局部、小范圍的突水突泥，在處理方法及措施不完善的情況下，盲目地進(jìn)行施工，極大地增加了施工安全風(fēng)險。

3 隧道突泥處治方案

3.1 處治思路及原則

根據(jù)對巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工進(jìn)程中突泥災(zāi)害的特征與原因分析，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，應(yīng)以超前地質(zhì)預(yù)報（鉆探）結(jié)合地層加固、襯砌支護(hù)加強(qiáng)、溶洞處理為一體的綜合技術(shù)對突泥災(zāi)害進(jìn)行處治。對于年洞隧道所處的特殊的地質(zhì)條件而言，處治突泥災(zāi)害過程中不僅要對破碎帶地層進(jìn)行加固導(dǎo)水處理，還需針對巖溶發(fā)育區(qū)段的巖溶腔體提出填充處理方案。以下提出巖溶發(fā)育地區(qū)隧道突泥災(zāi)害處治原則：

3.1.1 物探先行，鉆探驗證

在巖溶發(fā)育地區(qū)隧道的建設(shè)過程必須要系統(tǒng)地進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報?？傮w上以地質(zhì)調(diào)查分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合TSP、地質(zhì)雷達(dá)等物探手段，并輔以超前鉆孔等綜合地質(zhì)預(yù)報手段，遵循“長短結(jié)合、以短為主”的原則，盡可能查清掌子面前方地質(zhì)情況及可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，提前做出分析，提出處理措施，保證施工安全。

3.1.2 超前支護(hù)，注漿加固

超前支護(hù)是一種預(yù)支護(hù)手段，是充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力的一種手段。由于巖溶發(fā)育地區(qū)隧道建設(shè)可能會面臨破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)的考驗，為保證隧道開挖的安全有序進(jìn)行，有必要采取預(yù)支護(hù)的技術(shù)措施。

3.1.3 監(jiān)控量測，動態(tài)施工

為了避免施工過程中注漿加固時圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)體的變形失穩(wěn)，也為了保證施工人員的生命財產(chǎn)安全，需要在注漿過程中進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)體的變形、涌泥量等必要項目的監(jiān)控量測，進(jìn)而為隧道開挖提供指導(dǎo)，保證施工安全。

3.2 處治技術(shù)方案

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

首先必須采用TSP隧道地震探測儀進(jìn)行遠(yuǎn)距離（150 m）較宏觀長期預(yù)報，如表1所示。除在物探推測異常帶地段結(jié)合TSP、地質(zhì)雷達(dá)等預(yù)報結(jié)果外，還需要結(jié)合超前鉆探來進(jìn)一步驗證溶腔的具體發(fā)育規(guī)模，鉆孔孔位置和數(shù)量設(shè)3～5個，鉆孔時應(yīng)對鉆進(jìn)速度、取芯情況（巖芯采取率、RQD值）、出漿點(diǎn)位置、流動速度、水壓及出水狀態(tài)等作詳細(xì)記錄。

3.2.2 地層加固技術(shù)方案

針對本項目地質(zhì)條件，本工程預(yù)設(shè)了如下超前支護(hù)輔助措施，如表2所示：

年洞隧道左洞突泥災(zāi)害區(qū)段具體加固處理方案如下：

（1）先清理ZK91+085之前突泥塌方體，對臨近掌子面受損工字鋼，采用臨時工字鋼支撐。

（2）從ZK91+085采用L=24 m，108×6 mm超前管棚進(jìn)行超前支護(hù)，環(huán)向間距為40～45 mm，仰角6°，管棚施工及注漿處理如圖1所示，突泥塌方處治工程數(shù)量如表3所示。

（3）掌子面突泥塌方體采用10 cm厚C20噴射混凝土臨時封閉。

（4）以上加固工作完成后，方可進(jìn)行下一步的清理及開挖工作。

3.2.3 襯砌支護(hù)設(shè)計方案

左洞初定ZK91+087～ZK91+119段支護(hù)采用溶洞處理段襯砌，實際施作段落根據(jù)現(xiàn)場溶腔影響范圍確定;右洞K91+170～K91+190段支護(hù)采用Va襯砌，實際施作段落根據(jù)現(xiàn)場溶腔影響范圍確定。左洞的襯砌支護(hù)具體設(shè)計如圖2所示，工程數(shù)量如表4所示。

3.2.4 溶洞處理技術(shù)

本項目部分路段巖溶發(fā)育，對于溶洞可采取以下處治措施：（1）溶洞在隧底，小型溶洞可挖出充填物換填，對于規(guī)模較大的溶洞根據(jù)跨度大小采用梁跨、拱跨等措施;（2）溶洞在側(cè)墻，可局部挖除溶洞充填物后在襯砌外采用混凝土或漿砌片石砌筑;（3）溶洞在隧頂，可待溶洞充填物自流穩(wěn)定后，在拱頂以上澆筑混凝土護(hù)拱，護(hù)拱之上充砂或用輕質(zhì)泡沫混凝土灌注充填，然后再進(jìn)行下步施工;（4）溶槽在隧頂，利用超前支護(hù)鉆孔對隧頂溶槽充填物進(jìn)行高壓劈裂注漿加固后再進(jìn)行開挖，并加強(qiáng)隧道支護(hù)。

年洞隧道施工突泥段溶腔多在隧道頂部，因此現(xiàn)場采取護(hù)拱+吹砂的方案，通過施作2 m厚混凝土護(hù)拱，護(hù)拱外吹砂，最薄處≥1 m;同時在溶洞處理范圍內(nèi)埋設(shè)110 cmPE排水管，間距設(shè)置為2 m;此外，在施工過程中要加強(qiáng)監(jiān)控量測，如有異常應(yīng)及時停止施工并上報設(shè)計單位。左洞溶洞具體處理方案如圖3所示。

4 結(jié)語

根據(jù)上述研究，得出以下結(jié)論：

（1）對于巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件，在處治隧道突泥災(zāi)害過程中不僅要對不良地質(zhì)區(qū)段進(jìn)行加固導(dǎo)水處理，還需針對巖溶發(fā)育區(qū)段的巖溶裂隙、溶洞提出填充處理方案。把握隧道突泥災(zāi)害處治的總體原則：“物探先行，鉆探驗證;超前支護(hù)，注漿加固;監(jiān)控量測，動態(tài)施工”。要充分利用超前地質(zhì)預(yù)報（鉆探）技術(shù)手段，盡可能地查清掌子面前方地質(zhì)情況以及可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，提出預(yù)處理措施，保證施工安全。

（2）對于破碎帶、巖溶等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道突泥災(zāi)害，需要從圍巖改造以及支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)兩個方面進(jìn)行綜合治理，結(jié)合超前管棚支護(hù)、小導(dǎo)管注漿加固、襯砌加固以及用混凝土封閉斷面等技術(shù)手段，完善隧道突泥災(zāi)害處治技術(shù)方案。

（3）當(dāng)隧道開挖過程中遇到大型溶腔，為了維持隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工人員安全，可采用“護(hù)拱+吹砂”的方案。待溶洞充填物自流穩(wěn)定后，在拱頂以上澆筑混凝土護(hù)拱，護(hù)拱之上充砂或用輕質(zhì)泡沫混凝土灌注充填，然后再修建隧道，能夠有效保證溶腔填充效果及現(xiàn)場施工安全。

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收稿日期：2020-05-10