巖溶隧道突泥機制與防治技術研究

林國濤，宋瑞剛

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

0 引言

巖溶地質對隧道的修建極為不利，目前我國巖溶分布面積超過國土總面積的13%，已建和在建的巖溶隧道大都發生過不同程度的地質災害。因突泥和塌方具有突發性，容易淹沒隧洞內開挖作業設備，一方面造成經濟損失，另一方面影響施工進度，嚴重時還會造成隧洞廢棄，甚至會引起生命損失，造成非常嚴重的社會影響;且突水事故一旦發生，往往還會誘發地面次生地質災害。

進入21世紀以來，大量橫跨我國東、中西部地區的交通、水利、礦業和能源的通道工程等基礎設施相繼建成。數萬km的隧洞工程將不可避免地在巖溶地區開工建設，這些工程處于構造溶蝕山區，山高壁陡，巖溶發育，地質條件差，工程風險極大。

國內外學者對巖溶隧道突水突泥機制及其防治技術進行了大量的研究，取得了一些有價值的研究成果。文獻［1－2］總結了云霧山隧道淺埋巖溶段突泥塌方災害的快速治理方法，指出了突泥災害工程地質特征;文獻［3］闡述了巖溶區大斷面隧道突泥突水的防治技術;文獻［4］總結了八卦山隧道突水突泥段處理技術;文獻［5］詳細闡述了明月山特長隧道涌水突泥綜合處理措施;文獻［6－7］分別依托洋碰隧道和華鎣山隧道的突泥案例，概述了巖溶隧道突泥段的施工技術和突泥治理措施。以上這些研究大多是針對巖溶突水開展的，且多是針對具體工程提出的適用于特定條件的技術方案，而對巖溶隧道突泥機制及其防治技術研究鮮有涉及。本文依托貴都高速公路九條龍隧道巖溶段突泥事故，闡述巖溶突泥機制及主要影響因素，結合巖溶區隧道的設計和施工經驗，提出巖溶隧道突泥事故防治措施。

1 巖溶隧道突泥機制與主要影響因素

1.1 隧道突泥與巖溶位置關系分析

巖溶突泥是指在隧道開挖推進中突然發生的泥砂涌出，發生原因可以歸結為隧道施工擾動地層和巖溶泥水穿過不透水層涌入隧道。突泥介質和過泥通道是發生突泥的2個必要條件，而工程施工擾動地層是誘發突泥的基本因素［8］。

由于巖溶發育比較復雜，巖溶形狀千變萬化，歸納起來大致可以分為以下3種情況:

1)隧道周圍存在巖溶。當圍巖滲透系數在1×10－6cm/s以下時，工程上即可認為是不透水層。巖溶在隧道周圍，即隧道不穿過巖溶，巖溶位于隧道拱頂和拱底的外側，隧道開挖作用擾動地層使隧道外側的不透水層厚度減薄且滲透性增大。當隧道與巖溶之間的不透水層不能承受巖溶內的泥水壓力時，即會誘發巖溶突泥。

2)隧道整體穿越巖溶。巖溶位于隧道開挖面的正前方時，即認為隧道整體穿越巖溶。隨著隧道掌子面逐漸向前推進，當巖溶與隧道掌子面之間的不透水層厚度過薄或滲透性較大，滲透作用造成的局部破壞誘發整個開挖面破壞，引起隧道突泥。

3)隧道部分穿越巖溶。巖溶位于隧道的側上方或側下方時，即認為隧道部分穿越巖溶。隨著隧道開挖面向前推進并逐漸靠近巖溶，巖溶內的泥水壓力超過隧道開挖面與巖溶之間不透水層的極限承載力時，即會誘發巖溶突泥。

1.2 巖溶隧道突泥機制

巖溶隧道突泥機制可以從宏觀與微觀2個方面進行分析。宏觀機制是指巖溶隧道不同的突泥類型，微觀機制是指地下水對地層的小尺度物理力學作用［9］。

1.2.1 巖溶隧道突泥宏觀機制分析

從巖溶泥水介質的蘊藏環境分析，可將巖溶隧道突泥機制劃分為溶腔(洞)突泥、地質結構界面突泥、地下巖溶管道(或暗河)突泥和溶蝕型斷層破碎帶突泥4類［10］。從過泥通道的形成分析，可將巖溶隧道突泥機制分為不透水巖層張拉破壞、地質結構界面受剪破壞、地質不連續面的水力作用以及控制巖塊的滑落失穩4種類型。

1.2.2 巖溶隧道突泥微觀機制分析

1)巖溶泥水介質對地質結構界面的軟化溶蝕。地下水的破壞作用表現在降低巖體軟弱結構面強度和滲流力的作用2個方面。巖體軟弱結構面的抗剪強度因地下水的影響而降低是巖土工程的一個重大問題，巖溶水的軟化溶蝕作用必然會引起裂隙巖體物理力學參數改變。

2)巖溶泥水介質對地質結構界面的的孔隙擴張作用。巖溶隧道地質結構界面是指巖體裂隙、節理、孔隙等宏觀層面和微觀層面的不連續結構面，巖溶發育嚴重時就會引起較大范圍的沉積層面和斷層破碎帶，成為巖溶隧道泥水介質的潛在通道。巖溶泥水介質對地質結構界面的的孔隙擴張作用可以概括為巖溶泥水介質在微觀層面對不連續地質結構面的小范圍巖溶泥水介質壓力作用，具體體現為水土壓力作用和水力軟化作用2個層面。

3)巖溶泥水介質在斷層破碎帶的水楔效應。在施工作業前，隧道圍巖存在原始地應力的作用，當隧洞施工作業后，開挖卸載作用使隧道周圍巖層地應力不斷釋放，洞周圍巖向洞內方向發生持續的彈塑性變形，洞周巖體的塑性損傷會使斷層破碎帶內的微小不連續界面發生錯動，原本閉合的不連續面張開，承載能力下降的同時伴隨著滲透性的增大，具有一定初始壓力的巖溶泥水介質向隧道內滲透，類似“楔子”不斷地沿著斷層破碎帶內的微小結構界面向前“擠”，概括起來將其稱為巖溶泥水介質在斷層破碎帶的水楔效應。

4)巖溶泥水的沖刷擴徑作用。滲流的沖刷擴徑作用是指在地下水進入開挖空間的過程中，水流通道逐漸擴大造成局部圍巖破壞的過程。暗挖施工的隧道中，在巖層破碎帶的富水區域，水流的沖刷擴徑作用往往是引發工程事故的重要原因，對于巖石地層，地下水可以通過節理、裂隙等進入開挖空間。

1.3 巖溶隧道突泥主要影響因素

誘發巖溶區隧道突泥的原因可以歸結為地質因素和非地質因素2個方面。前者指巖溶區工程及水文地質的天然條件，后者指施工擾動和天氣變化等因素。地質因素是巖溶隧道突泥的基礎條件和內在因素［11］，掌握其基本特征和演化運移規律是認識和揭示巖溶隧道突泥機制的先決條件;非地質因素是誘發巖溶隧道突泥的外在因素，是制定防治巖溶隧道突泥措施的基本出發點。

1.3.1 地質因素

巖溶隧道突泥與工程地質條件(如地形、地貌特征等)密切相關，地表巖溶洼地、槽谷等降水匯集區為突泥易發地區。從隧道巖體橫剖面地貌與地形特征分析，隧道橫斷面與槽谷正底下平行或側下平行時的單位長度突泥量要遠大于凸型隧道;從隧道巖體縱斷面分析，隧道位于河流下方、下穿盆地或平凸型的單位長度突泥量要遠大于平坦型和凸型。

從巖層巖性特征來看，大型巖溶突泥事故往往出現在白云巖、灰巖等可溶性巖層。巖體地質結構界面的產狀特征能夠影響巖溶發育，在地質構造發育強烈時(如斷層破碎帶、褶皺發育明顯、節理密集區或大斷裂帶等區域)多出現大型溶洞。

1.3.2 氣象因素

影響巖溶隧道突泥的氣象因素主要指降雨條件和隨季節的溫度、濕度變化等氣象特征。一般而言，夏秋季節降雨量較大，巖溶泥水介質水源補給充分，泥水壓力較大，且氣溫較高，水的溶蝕作用、滲流作用和巖溶物理化學反應等較明顯，在施工擾動下往往容易誘發較大的巖溶突泥災害。

1.3.3 工程因素

影響巖溶隧道突泥的工程因素主要指隧道開挖對地層的擾動作用，具體體現在開挖、支護方法和隧道開挖尺度等方面。開挖和支護方法包括爆破或分部開挖方法確定、施工工藝確定和支護參數設計等;隧道開挖尺度主要體現在開挖面積或開挖跨度方面，隧道開挖尺度越大，巖溶隧道發生突泥的幾率越大。工程實踐經驗表明，巖溶突泥一般是在隧道爆破作業后發生的。

2 九條龍隧道突泥原因分析及防治

2.1 工程概況

貴都高速是貴州高速公路網的重要組成部分，全長78.82km，按雙向4車道高速公路標準建設，設計時速為100 km/h。九條龍隧道位于都勻市龍里縣麻芝鄉五里村和龍山鄉冠山村之間，隧道左線全長1 890 m，右線全長1 723m。隧道穿過地層地形切割強烈，巖溶極為發育，屬強巖溶發育區，主要形態為溶洞、豎井、落水洞及巖溶洼地、巖溶漏斗等;隧址所處地區喀斯特地質特征明顯，區內地層主要為泥盆系上統高坡場中風化白云巖及微風化白云巖，局部夾泥質白云巖，巖體結構破碎，自穩性差，節理裂隙極其發育。隧址區主要不良地質問題是巖溶，其次為崩坡積堆積體。不良地質導致施工過程中易出現涌水、涌泥、拱部掉塊、坍塌等現象，工程風險極大。

2.2 突泥段地質概況

根據地表地質調查資料，在YK263+300～YK264+030處為一大型巖溶洼地，面積約0.78×0.34 km2，匯水面積較大，底部高程為1 402 m，洼地內發育有溶洞、落水洞和豎井等。其中，洼地最低處有一溶洞，洞口有一落水洞，左側有一溶溝。現場調查表明溶洞較短，洞身長30 m，從洞盡頭端巖壁可以看出:洞內巖體形成倒V形裂縫，兩側產狀相向，說明已經向下塌陷;洞口落水洞可見深度為4.0～5.0 m，被黏性土和碎石土充填;左側溶溝基本順巖層發育，無論落水洞還是溶溝，觀測時均未見地下水。鉆探在YK263+600左5 m處鉆孔揭露有溶洞，溶洞頂板深度為58.0 m，標高為1375.85m，溶洞底板深度為60.3m，標高為1373.85 m，溶洞高度為2.0m。隧道與巖溶位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與巖溶位置關系示意圖(單位:cm)Fig.1 Relationship between tunnel and karst(cm)

2.3 隧道突泥過程

洞內突泥是巖溶隧道施工常見的事故。由于貴都項目線位較高，施工期地下水含量不大，突泥以溶洞中填充物為主，無地下水涌出，雖然有幾次突泥量較大，但對人員安全沒有造成威脅。

2009年8月22日22點，九條龍左線(進口)開挖至ZK263+655掌子面時，掌子面出現一溶洞(見圖2(a))，溶洞面積約2×2 m2，位于拱腳上約2 m，右側開挖輪廓線偏左約3 m，溶洞內充填滿黏性土，洞壁較光滑，有滲漏水。8月23日早上，采取封閉掌子面和加強初期支護等措施進行處理，當日23點，在掌子面進行立鋼拱架過程中，拱周發出異常聲音，人員撤離后5～10 min，掌子面溶洞開始出現突泥(見圖2(b))。填充物從右側拱周軟弱巖體處涌出，且涌出物迅速增加(主要涌出物為松散黏土，含水量較大，且夾雜孤石)，最終涌出物填滿90%隧道全斷面。突泥填充里程為ZK263+595～ +655，合計約5 000余m3。

突泥段處于洞頂巖溶洼地邊緣，右線較靠近洼地，開挖揭露地層極差，已變更為Ⅴ級圍巖;左線已開挖段圍巖情況良好，為中厚層狀白云巖，埋深約130 m，掌子面距離地勘揭露的巖溶極發育段25 m。

突泥事件發生后，右線YK263+573～+615段已變更為V級圍巖段的噴錨部分出現環向裂紋，并伴隨噴混凝土爆裂現象。

2.4 隧道突泥原因分析

隧道突泥災害實質是圍巖的含水層結構、水動力條件和圍巖力學平衡狀態因隧道開挖而失衡，儲存在地下水體中能量瞬時釋放，并以流體形式高速向隧道內運移的一種動力破壞現象。特殊地質構造、填充物質、高勢能、開挖擾動和短時間涌出是誘發突泥的基本條件。

九條龍隧道隧址區域內地質構造主要受龍里復向斜的影響，該向斜位于龍里一帶，主要由古生代地層組成，核部地層為泥盆系，翼部為石炭系、二疊系和三疊系地層。兩側為近南北向斷裂截切破壞。褶皺軸向近南北，巖層傾角一般小于20°，在其翼部發育一系列的次級褶皺。這些特殊地質構造控制地下水活動程度，同時決定巖溶發育方向及程度。引起突泥事故的溶腔相對于開挖面具有很高的勢能壓力，且具有大體積的充填物。隧道采用爆破方式開挖，爆破開挖擾動賦存有大體積高勢能充填物的溶腔，從而引起突泥事故發生。

根據1.1分析可知，九條龍隧道與巖溶的位置關系為最容易誘發突泥的隧道整體穿越巖溶情況。從巖溶隧道突泥的宏觀機制分析，九條龍隧道巖溶突泥類型為隧道開挖造成工作面止水巖柱受拉破壞，引起關鍵巖塊失穩導致突泥的發生;按儲藏條件可以將九條龍隧道巖溶突泥確定為溶洞突泥。從引起突泥的因素分析，隧道開挖擾動是發生突泥的誘導因素，而地質因素和氣象條件是突泥的必要前提和基礎條件。8月正是貴州的雨季，大量的降雨為溶洞及其含水層提供了豐富的地下水補給，溶洞內泥巖介質的含水量及水壓力不斷增大，在隧道開挖的擾動下極易誘發巖溶突泥。

九條龍隧道突泥事故發生后，相關各方召開突泥處理專家會，對該段突泥達成以下共識。

1)突泥方量大，隧道開挖已影響到大體積充填溶洞，左右線可能均在此溶洞影響范圍內，工程方案不應加大對該溶洞的影響。

2)為使突泥體能提供足夠的反力阻止后續松散體的突出，應先進行加固。

3)右線隧道已受突泥影響造成初期支護開裂，應對右線隧道進行補強并封閉掌子面，防止右線隧道初期支護和掌子面失穩。

2.5 突泥防治措施

2.5.1 加強超前地質預報

針對易發生突泥突水等事故的巖溶隧道，應特別注意加強超前地質預報，對掌子面前方可溶性巖地質進行預測，超前地質預報是預防發生巖溶隧道突泥涌水事件的主要方法。通過超前鉆探以及物探手段，預測溶腔位置、大小和性質，指導設計施工。

2.5.2 選用合理的開挖方法

根據超前地質預測，確定合理的開挖方法。針對巖溶賦水地段應特別注意減小開挖擾動。巖溶隧道開挖應選用臺階法或分部開挖法，在填充型溶洞核心段優選CRD工法。臺階或分部開挖時可以將未開挖部分作為反壓體，防止突泥涌水事故。

1)封閉右洞掌子面。噴射C20混凝土封閉九條龍隧道右線掌子面，暫停掌子面施工。加強監控量測，對上臺階初期支護部分增加臨時仰拱(I18工字鋼鋼架間距為0.6 m)，加強拱圈受力。

2)加強初期支護。對K263+585～+615初期支護加強段，采用雙層I18工字鋼在初期支護內側加強處理，具體參數為:鋼架間距60 cm;φ22縱向連接筋，環向間距1.0 m;單層φ8 mm鋼筋網片，間距20 cm×20 cm;噴射厚24 cm C20混凝土封閉。

3)右洞開挖及支護。對開裂段初期支護加固穩定后，采用超短三臺階法在掌子面進行掘進，必要時施作臨時豎向支撐。為保證隧道施工安全，嚴格控制開挖進尺，開挖一榀，支護一榀。在開挖進行前，應做好超前地質預報，并根據監測結果確定是否采用超前長管棚進行超前支護。右洞支護參數如表1所示。

表1 支護參數表Table 1 Support parameters

2.5.3 采用正確有力的輔助工法

對于開挖面前方的巖溶空洞，必須提前進行壓漿充填。對充填比較密實的溶洞，可采用超前小導管預支護。對于開挖后暴露的小溶洞，采用混凝土回填，保證運營安全。

1)右洞加固。對YK263+585～+615受左洞突泥產生環向裂縫段，在按V級圍巖襯砌類型進行初期支護的基礎上，進行鋼花管注漿加固，具體參數為:φ42mm鋼花管，長度L=8m，梅花形布置，環向間距為1.0 m，縱向間距為0.5 m，采用水泥－水玻璃雙液漿。

2)左右洞間圍巖加固。九條龍隧道右線施工到YK263+650后，結合超前地質預報，開始進行注漿固定左右線間的巖體，封堵溶腔內的充填物，防止涌水涌泥發生，并為左洞突泥堆積物清理創造有利條件。注漿隨右洞臺階開挖分段打孔，分段注漿。注漿縱向里程起點為K263+650，終點為K263+670;橫向注漿范圍以右線施工注漿固結左線開挖輪廓線外6m。注漿材料根據要求選用具有結石強度高、可灌性好、抗滲透、抗腐蝕、無污染，水灰質量比為0.4～0.5;采用水泥－水玻璃雙液注漿材料。

2.5.4 突泥處理及開挖方案

1)清除部分突泥體。清除ZK263+595～+605段的突泥體，然后用洞碴回填修筑施工平臺。在清除突泥體過程中需隨時觀察其動態，若遇不穩定情況應立即停止清除。部分突泥體處理見圖3。

圖3 部分突泥體處理示意圖Fig.3 Treatment of bursting mud

2)突泥體及掌子面圍巖的加固。ZK263+605～+665段上臺階，縱向采用無縫鋼管注雙液漿加固處理(無縫鋼管采用φ76 mm×6 mm，L=18 m，間距為120 cm×120 cm，梅花形布置)，土體固結后，逐步開挖，開挖時縱向預留8m作為止漿盤。從ZK263+625起對突泥體中、下臺階部分采用無縫鋼管注雙液漿加固處理(無縫鋼管采用φ76mm×6mm，L=9m，間距為120cm×120 cm，梅花形布置，水平角約30°)，土體固結后，待上臺階掘進一定距離后再進行開挖，開挖縱向預留8 m作為止漿盤。突泥體加固開挖示意見圖4。

圖4 隧道巖溶突泥段復合襯砌標準設計圖(單位:cm)Fig.4 Standard design of composite lining for mud bursting section of tunnel in karst area(cm)

3)臨時加固及掌子面掘進。ZK263+640～+655段采用臨時加固，待掌子面掘進一定距離后再行永久加固處理。接近原掌子面位置處采用超前管棚注漿后施工，通過超前地質預報和超前鉆孔探明前方地層，采用CD法開挖，加強初期支護并對背后進行補充注漿。

3 結論與討論

1)將巖溶與隧道的位置關系劃分為隧道不穿過巖溶、隧道整體穿過巖溶和隧道部分穿過巖溶3種類型。在隧道開挖過程中，必須進行準確的超前地質預報，同時采取針對性的措施防止突泥事故的發生。

2)從宏觀與微觀2個方面探討了巖溶隧道突泥發生機制，指出地質因素是巖溶隧道突泥的基礎條件和內在因素，掌握地質因素的基本特征和演化運移規律是認識和揭示巖溶隧道突泥機制的先決條件，而非地質因素是誘發巖溶隧道突泥的外在因素，是制定防治巖溶隧道突泥措施的基本出發點。

3)針對九條龍巖溶隧道突泥事故特點，采取了合理、快速的處理方法，為隧道安全、快速掘進提供了有效的災害治理方法，可為以后類似工程提供借鑒。

4)針對巖溶隧道不同工程地質特征，應重視工程勘察和隧道施工作業中的超前預報，提高預報精確度，采用合理的開挖方法和超前支護措施，規范施工作業流程，保證施工質量，預防巖溶隧道突泥事故的發生。

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