隧道突水涌泥風(fēng)險分析

方德森

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

喀斯特地貌約占我國陸地總面積的1/3，主要分布在云南、貴州、廣西、四川、湖北和湖南等地區(qū)。隨著西部地區(qū)的快速發(fā)展，喀斯特地貌分布地區(qū)廣泛建設(shè)了隧道、水電站或?qū)嵤┛缌饔蛘{(diào)水。在地下工程施工過程中，可能會遇到地質(zhì)災(zāi)害，特別是突水、巖爆、崩塌、涌泥等［1］，其中最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害是突水。

在重大隧道災(zāi)害統(tǒng)計(jì)中，大規(guī)模突水造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失巨大，并且給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大的安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)損失。2010年末，全國鐵路隧道運(yùn)營數(shù)約9 800條，總長7 000 km；在建隧道數(shù)約4 000條，總長750 km。此外，隧道數(shù)量約1 500條，規(guī)劃總長1 100 km。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，突水是巖溶隧道施工和運(yùn)營過程中的常見危害，巖溶地區(qū)近半數(shù)在建和運(yùn)營的隧道在都發(fā)生過大規(guī)模突水［2］。

突水是巖溶隧道施工中最嚴(yán)重的災(zāi)害。隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)逐漸增多，巖溶地質(zhì)災(zāi)害越來越多。巖溶隧道突水作為一個世界性的問題，越來越受到人們的關(guān)注。突水災(zāi)害不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會造成嚴(yán)重的人員傷亡［3］。例如，中懷鐵路圓梁山隧道發(fā)生大面積突水突泥71次，造成9人死亡。為了保證隧道施工的安全，有必要準(zhǔn)確預(yù)測巖溶隧道的突水情況，并采取有效的防治措施。

1 工程概況

云姚隧道進(jìn)口位于上林縣三里鎮(zhèn)云姚村板中屯東面約250 m處，省道S209旁。出口位于上林縣三里鎮(zhèn)云姚村板中屯南面約300 m處。設(shè)計(jì)隧道穿越溶峰山體，山體由微風(fēng)化灰?guī)r構(gòu)成。擬建隧道分左、右線，隧道洞內(nèi)斷面為 13.75 m×5.0 m。左線進(jìn)洞口里程樁號 ZK126+235，設(shè)計(jì)路面高程為 108.328 m，出洞口里程樁號 ZK126+730，設(shè)計(jì)路面高程為104.001 m，隧道左線長度為 495 m，最大埋深為 166 m，屬短隧道；右線進(jìn)洞口里程樁號YK126+253，設(shè)計(jì)路面高程為108.244 m，出洞口里程樁號YK126+705，設(shè)計(jì)路面高程為 104.329 m，隧道右線長度為452 m，最大埋深為170 m，屬短隧道。

隧道區(qū)屬巖溶峰叢洼地地貌，山體侵蝕切割較強(qiáng)烈，地形起伏較大，山峰高程為240～260 m，山坡上陡下緩，山體基巖裸露，坡腳一帶溶蝕、溝槽為黏性土充填，坡腳洼地一帶為第四系溶蝕殘余堆積巖層，山體生長雜草、灌木等。進(jìn)洞口側(cè)巖溶洼地地面高程為98～100 m，出洞口一帶分布有較多水塘、魚塘，雨季時巖溶洼地易積水，積水高度可達(dá)5 m。地表一帶主要種植玉米、甘蔗等農(nóng)作物。隧道區(qū)未見滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，自然陡坡較穩(wěn)定。

隧道的水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜多變。在勘測和設(shè)計(jì)階段，全面了解區(qū)域地質(zhì)條件及巖體的狀態(tài)和特征，尤其是不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確切位置和大小，將是困難和不現(xiàn)實(shí)的。泰寧隧道穿越多個富地下水?dāng)D壓斷層帶，地應(yīng)力較高，因此可能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌、地下水流入、大變形和巖爆災(zāi)害，施工風(fēng)險極高。為了避免可能發(fā)生的災(zāi)害，必須提前采取適當(dāng)?shù)拇胧?。因此，隧道開挖前的綜合地質(zhì)檢測是隧道設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。

2 突涌水對環(huán)境的影響

巖溶地區(qū)隧道建設(shè)不可避免地打破了原生態(tài)的平衡。廢水和隧道廢渣的排放對周邊環(huán)境造成一定的影響。隧道開挖爆破會造成隧道周圍的供水污染，改變地下水流向［4］。山體隧道建設(shè)會造成環(huán)境污染，如揚(yáng)塵排放、燃油車輛及設(shè)備尾氣排放、噪聲及固體污染、水土流失等。

2.1 對地表水環(huán)境的影響

與橋梁工程和港口工程相比，隧道工程對自然環(huán)境的破壞較小，但也改變了環(huán)境的原有狀態(tài)，而且污染總是難以恢復(fù)。隧道施工過程中，可能會遇到巖爆、突水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。其中，突水是最常見、最嚴(yán)重的災(zāi)害。隧道突水常伴有泥沙。這將嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。隧道工程的水污染主要有兩種類型：一是隧道施工產(chǎn)生的各種污水，如隧道灌漿、沖洗設(shè)備廢水，它使水的pH值和金屬元素（Fe、Cu、Pb、Zn）含量升高，并將有害的化學(xué)成分排入河流中。二是水?dāng)y帶大量噴錨支撐殘留物流入水庫，金屬硫化物氧化水解成Cu2C、Fe3C和Fe2C，鋼拱和織物被腐蝕。隧道涌水不僅嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和進(jìn)度，還會破壞生態(tài)環(huán)境，如破壞生物棲息環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境等［5］。

此外，隧道排水也會使農(nóng)業(yè)灌溉用水受到污染，從而將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物上。當(dāng)這些農(nóng)作物被食用時，會對人們的健康造成危害。因此，需要監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)污染源的種類和特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測評價。

2.2 對地下水環(huán)境的影響

在喀斯特地貌分布地區(qū)，有許多蓄水結(jié)構(gòu)。隧道開挖對溶洞和地下河道的擾動將是不可避免的。近年來，突涌水對地下水環(huán)境的負(fù)面影響逐漸引起人們的關(guān)注。為防止高水壓下襯砌，隧道施工中常有一些排水措施，但如果排水過多，就會造成地下水侵蝕。對于山地隧道，在處理水源問題時，一直按照“排水與截流相結(jié)合”的原則。隧道排水可以有效降低結(jié)構(gòu)的水壓，但會破壞地下水環(huán)境，造成地下水資源流失。

隧道建設(shè)和地下水保護(hù)會相互影響。一方面，發(fā)生突水突泥的風(fēng)險很高。在富水地層開挖隧道將威脅隧道施工的安全。另一方面，在含水地層修建隧道會破壞地下水平衡，使地下水位下降，造成生態(tài)和人居環(huán)境惡化。隧道建設(shè)和地下水保護(hù)有時是矛盾的，會影響隧道施工安全、經(jīng)濟(jì)投資、社會效益、環(huán)境效益等。

（1）在山區(qū)隧道施工中，開挖后形成的自由面會導(dǎo)致地應(yīng)力重新分布，形成巖體松弛區(qū)。開挖擾動和爆破振動會影響巖體的完整性，它通常使天然隔水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)變?yōu)橥杆詳鄬?，使巖體滲透系數(shù)增加。改變天然滲流場后，隧道會出現(xiàn)滲水或突水現(xiàn)象。大量地下水滲流可能對隧道施工進(jìn)度和安全造成不利影響。

（2）突水發(fā)生后，會導(dǎo)致地下水位和土壤水分下降，甚至影響植被生存。當(dāng)隧道開挖引起地下水滲漏時，地下水位會下降。植被總覆蓋度與地下水深度具有一定的相關(guān)性。一般情況下，地下水位埋深較小的地區(qū)植被覆蓋度較高。不同植物對水位的要求是不同的，土壤水分是決定植物生長和分布的限制因素，土壤水分也會影響植物的生長和物種。每種植物都有適合其生長的地下水位，例如與楊樹相比，蘆葦?shù)纳L需要更多的水。植物覆蓋率低會增加水土流失；如果地下水侵蝕過度，也會影響農(nóng)作物的生長。

2.3 誘發(fā)地面地質(zhì)災(zāi)害

在隧道施工過程中，由于巖體地表與深部巖溶區(qū)具有一定的連通性，深部擾動往往會波及地面。部分工程抽地下水，如抽地下水不合理，隧道和深基坑的地下水位迅速降低，會誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如形成地面空曠、斜坡滑坡，造成上部土壤沉降和地面塌陷。受自然因素或人為因素的影響，巖溶地區(qū)的溶洞可能會導(dǎo)致巖土層塌陷和沉降。隧道坍塌原因分析和信息化管理可為避免隧道坍塌提供有益參考。地表塌陷和沉降是巖溶隧道突水造成的最直接的地質(zhì)環(huán)境影響。20世紀(jì)90年代，與隧道突水有關(guān)的鐵路隧道面坍塌約占27%。隧道出口在雨季時常引起突水，潛在的突水通道為強(qiáng)降雨下滲地表水提供了條件，嚴(yán)重威脅隧道建成后隧道施工和運(yùn)營的安全。突水引起的地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、持續(xù)性強(qiáng)、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此隧道突水會在短時間內(nèi)引起上覆土和松散土體的有效應(yīng)力突變和動水壓力波動。

3 隧道工程地質(zhì)評估

隧道區(qū)未見區(qū)域性斷裂構(gòu)造存在，近代無中強(qiáng)地震記錄，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好。隧道進(jìn)、出洞口工程地質(zhì)評價如下。

進(jìn)洞口段（柳州端）山體斜坡上陡下緩，坡腳地段自然坡角25°～40°山體形成陡崖，大部分基巖裸露，屬巖質(zhì)邊坡，自然斜坡穩(wěn)定。巖層產(chǎn)狀為120°～213°，發(fā)育節(jié)理3組。根據(jù)邊坡與各結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系分析，巖層產(chǎn)狀傾向與進(jìn)口坡面（仰坡）傾向大角度相交，對隧洞仰坡及掌子面穩(wěn)定有利；節(jié)理走向與隧道軸線以大角度相交，傾向?qū)λ矶粗倨录罢谱用娣€(wěn)定不利；節(jié)理走向與隧道軸線小角度相交，對隧洞洞身右側(cè)邊墻穩(wěn)定不利走向與隧道軸線以小角度相交，傾向W（西），對隧洞洞身左側(cè)邊墻穩(wěn)定不利。

出洞口段（南寧端）山體斜坡自然坡角為20°～35°，大部分基巖裸露，屬巖質(zhì)邊坡，自然斜坡穩(wěn)定。巖層產(chǎn)狀為120°～130°，發(fā)育節(jié)理2組。根據(jù)邊坡與各結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系分析，巖層產(chǎn)狀傾向與進(jìn)口坡面（仰坡）傾向大角度相交，對隧洞仰坡及掌子面穩(wěn)定有利；節(jié)理走向與隧道軸線以大角度相交，傾向SW（西南），對隧洞仲坡及掌子面穩(wěn)定不利；走向與隧道軸線小角度相交，傾向NW（西北），對隧洞洞身左側(cè)邊墻穩(wěn)定不利。

隧道洞身圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，厚層狀構(gòu)造，巖石較堅(jiān)硬，裂隙較發(fā)育，大部分巖體較完整。洞身段圍巖以Ⅲ級為主，IV級圍巖主要分布于進(jìn)、出洞口地段。隧道開挖時頂部及兩側(cè)臨空面與主要節(jié)理面可能形成楔形松動巖塊，拱部無支護(hù)時可能產(chǎn)生掉塊或小塌方，巖體破碎地段及溶洞發(fā)育處可能產(chǎn)生坍塌或突泥等不良現(xiàn)象。局部巖溶相對較發(fā)育，規(guī)模較大，對圍巖穩(wěn)定有不利影響。推測洞身可能存在小規(guī)模溶洞，必要時采用鋼拱架支護(hù)。正常情況下，圍巖富水性較弱，洞室涌水量較小，由于隧道位于巖溶區(qū)，洞身段可能會存在不確定性的巖溶水通道，可能會出現(xiàn)涌水、突水等情況。隧道最大埋深約175 m，不存在高地應(yīng)力，發(fā)生巖爆的可能性小，因此隧道的主要工程地質(zhì)問題是圍巖穩(wěn)定性。

根據(jù)隧道洞頂?shù)匦螜M向坡度與隧道埋深判斷產(chǎn)生偏壓條件，擬建隧道偏壓不明顯。

4 突水涌泥影響因素

4.1 不良地質(zhì)

不良地質(zhì)是指一些含水構(gòu)造，可作為潛在的渠道或資源進(jìn)行進(jìn)水和涌水。這些含水地質(zhì)構(gòu)造含有大量潛在的涌水通道和資源，因此很容易發(fā)生突水。不良地質(zhì)構(gòu)造的導(dǎo)水性決定了發(fā)生突水的可能性。

4.2 地層巖性

地層巖性決定巖石溶解度并控制巖溶發(fā)育程度。由于巖溶發(fā)育環(huán)境的多樣性，使不同類型的巖石具有不同的溶解度。巖石可分為可溶巖和不溶巖。石灰?guī)r和白云石是常見的可溶性巖石，它們?yōu)榈叵滤牧鲃雍瓦w移提供了場所。同一隧道不同區(qū)域的地層巖性和不良地質(zhì)可能不同，應(yīng)以區(qū)間表示。

4.3 地下水

高地下水位通常會導(dǎo)致一系列地質(zhì)災(zāi)害，包括進(jìn)水和涌水。因此，地下水作為物質(zhì)載體和突水過程的驅(qū)動力起著雙重作用。地下水位與隧道底板之間的距離越大，發(fā)生突水的可能性越大。當(dāng)隧道高于地下水位時，地下水位往往是不確定的。應(yīng)考慮降雨強(qiáng)度、補(bǔ)給徑流、地下水流量和入滲條件對地下水位的動態(tài)影響。根據(jù)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，地下水位應(yīng)在近似區(qū)間內(nèi)確定。

4.4 可溶解和不可溶解巖石的接觸帶

可溶解和不可溶解巖石的接觸帶可以定義為可溶解巖石和不可溶解巖石之間在空間上的綜合關(guān)系。不同巖層的組合在促進(jìn)突水方面起著重要作用。因此，可溶解巖石和不可溶解巖石分別表示為兩種不同的介質(zhì)。具體來說，可溶解巖石是一個包含孔隙、裂縫和管道的三重介質(zhì)系統(tǒng)，而不可溶解巖石是一個包含孔隙和裂縫的雙重介質(zhì)系統(tǒng)。此外，可溶解巖石的孔隙度比不可溶解巖石大，因此可溶解巖石中的孔隙更有可能儲存活躍的地下水?？扇芙鈳r石中的巖溶發(fā)育程度比不可溶解巖石中的巖溶發(fā)育程度高，如果地下水流入可溶巖和不可溶巖之間的接觸帶，則會發(fā)生可溶巖的混合侵蝕，然后喀斯特迅速發(fā)展，導(dǎo)致巨大洞穴系統(tǒng)的形成。

5 結(jié)語

（1）隧道區(qū)域穩(wěn)定性較好，基本地震動峰值加速度值為00.5 g，對應(yīng)的地震烈度為VI度，基本地震動反應(yīng)譜特征周期為 0.35 s。

（2）隧道圍巖以中～微風(fēng)化灰?guī)r為主，巖石力學(xué)強(qiáng)度高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，穩(wěn)定性較好，圍巖劃分為Ⅲ、IV級（圍巖級別中局部地段可能發(fā)育有溶蝕裂隙、溶洞，可能存在較低圍巖級別）。

（3）圍巖富水性較弱，洞室涌水量較小，巖溶水通道可能會出現(xiàn)涌水、突水等情況。環(huán)境水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕。

（4）圍巖巖溶較發(fā)育，主要巖溶形態(tài)為溶洞，規(guī)模較大，對圍巖穩(wěn)定有不利影響。

（5）隧道進(jìn)出口處巖體破碎，拱頂圍巖厚度小，穩(wěn)定性差，建議優(yōu)先采用明洞進(jìn)洞。

（6）隧道進(jìn)出洞口邊仰坡坡比宜采用1∶0.5或更緩坡比，洞口邊仰坡坡頂面及其周圍應(yīng)設(shè)置排水溝及截水溝并和路基排水系統(tǒng)綜合考慮布設(shè)。

（7）隧道進(jìn)出洞口周邊松動的巖體應(yīng)進(jìn)行清除，洞口應(yīng)設(shè)置防落石的防護(hù)措施。

（8）隧道施工掘進(jìn)前建議進(jìn)行超前探測，確保隧道施工安全。