高速公路隧道涌水塌方成因分析及處治技術

舒彪

摘 要：隧道施工過程中遇到的涌水塌方問題對隧道的工期和工程質量構成了嚴峻的挑戰，準確分析涌水塌方原因是制定有效防治措施的前提。文章以某隧道涌水塌方的實際工程為依托，分析了涌水塌方的成因，提出了處治坍塌和涌水的綜合處治技術，取得了良好的處理效果，確保了后期工程的順利進行，對類似工程有借鑒意義。

關鍵詞：公路隧道 地質問題 涌水塌方 成因 處治技術

隨著交通建設的飛速發展，隧道的修建越來越多。但隧道施工很可能會經過地質比較復雜的地段，導致塌方事故、涌水事故頻發，嚴重影響隧道施工及運營安全，影響到社會民眾的生命財產安全。由此可見，如何搞好隧道施工中涌水、塌方的處治，是擺在施工單位面前的重要課題。某隧道工程地質條件及水文地質條件復雜，施工過程中發生較大的涌水與塌方事故，文章就以此案例為依托，根據筆者多年的工作實踐經驗，結合發生災害處的地質，運用先進的勘查和分析方法對突泥、涌水塌方的形成進行分析，并從穩定掌子面、超前錨桿、超前管棚及加密鋼架以及導排地下水幾方面給出了處治技術，成功解決了該隧道的涌水塌方問題，收到了好的效果，對未來公路隧道施工塌方處治工作有所指導和借鑒意義。

1.工程概況

某高速公路是一種上下分離的隧道，左幅起訖樁號為ZK55+211-ZK56+085。長為874米，埋深的最大值為105米左右。其右幅的起止路程的樁號在YK55+215與YK56+111之間，長度為896米，埋深的最大值為119米左右。隧道利用鉆爆發進行分臺階施工，利用復合式襯砌作為其支護系統，二次襯砌則采用整體澆筑的方式進行。

隧道選址地位于山脊部分，路線成西東方向分布，直至山脊，且北部地勢較高，南部地勢較低。隧道的進口和出口都與山間的沖溝地帶緊密相連，通常進口處其地面標高為880米至920米左右，含40米的相對高差，且自然坡邊的坡向大概在0度至30度之間，坡度為5度到20度左右。出口處的地面標高通常為840米至880米左右，相對高差與進口處相同，其自然坡邊的坡向大概在110度至130度之間，坡度為10度到30度左右。出露地層為石塊及黏土等，夾有泥巖和泥灰巖。這類巖層屬于向斜構造中的一種，其層面產狀在81度至295度之間，角度為6度至12度。進口位置主要發育有J1與J2兩組節理面，層面產狀分別為245度和350度，角度分別為85度和80度。與進口位置不同，出口位置的J1節理面與J2節理面的層面產狀分別為60度和85度，角度為85度和73度，都屬于閉合節理面。

隧道選址地域的地表水主要分布在季節性沖溝附近。其地下水主要由3第四系松散空隙水、巖溶孔隙裂隙水構成，還有一種是碎屑巖類孔隙裂隙水。此處只要憑借大氣降水對地下水進行補給，其地下水經隧道鉆孔時被發現，深度約為1.1～45.7米。采用CSK37鉆孔發現，發育的溶洞均以碎石填充，溶洞的直徑為1.1米左右。通過進行地質調繪發現，YK56+000向右67米處為發育溶洞，其洞口寬1.5米×1.5米，常年有水流經，且水量根據季節進行變化。調查時，其水流量為每秒0.5升，主要是用于供居民用水。ZK56+030向右45米處是發育溶洞，洞口寬5×2米，深度為5米至6米左右，沒有發現有水流經。

2.原因分析2. 1具體情況

施工是利用臺階法進行，某隧道于2013年12月18日2點在其左洞掌子面樁號為ZK55+986處有涌泥現象出現，且隧道內涌泥長度大概為30.6米，高度的平均值大約為5.4米。此處涌泥2小時后，隧道右洞掌子面YK56+029號樁處有涌泥現象和塌方現象出現，且隧道內涌泥長度大概為10.8米，高度的平均值大約為3.4米。3天后，第二次涌泥現象出現，隧道內涌泥長度大概為10.2米，高度的平均值大約為3.6米。

由于這種情況的發生，部分掌子面處的鋼拱架遭到損毀，噴射混凝土嚴重剝落。之后進行涌泥段后方圍巖的變更，以前，樁號ZK55+998至ZK55+991之間的圍巖級別為S-Ⅲa，之后變更至Vc級，所用工字鋼為I8型，每段距離為1米。

2.2分析成因

對地質情況進行超前預報并監測涌水塌方事故的發生頻率、分析突涌物成分，對其成因進行分析后得出，由于構造破碎帶遭受溶蝕所以形成涌水塌方段溶腔。溶腔內用破碎巖塊和泥漿等強度較高的物質進行填充。左洞涌泥以及右洞涌泥包括坍塌部位都是同一個破碎帶，且與隧道軸線呈75度角。

突泥涌水是由于破隧道溶腔和較多的地下水共同作用造成的。進行隧道挖掘時，位于破碎帶溶腔的地下水的開挖卸荷結合匯聚時的地下水形成的靜水壓力轉變為動態水壓，對裂隙和空隙進行沖刷。之后，地下水從開挖空間不斷涌出，攜帶大量泥碎石，致使巖塊間形成若干空腔。掌子面在持續開挖后，其支撐力不敵靜水壓力和突涌物所爆發出的的沖擊力，進而形成突泥涌水事故以及塌方事故等。如圖1。

3.數值模擬

利用FLAC數值軟件對溶腔存在狀態下的，進行隧道挖掘時的圍巖受力變形情況進行分析，以不斷研究涌水塌方的形成，解釋溶腔如何影響隧道開挖。

3. 1建立模型

假設跨度為11米，高度為8米的隧道上方存在含有泥水混合物的溶腔，為了方便分析，選取摩爾—庫倫準則為屈服準則，劃分網格。

3.2分析結果

經模擬，圍巖縱向出現變形情況、應力加大，此時隧道掌子面距離溶腔10米。溶腔下的掌子面處，圍巖越發變形，其應力也不斷增強。由此證明，若有溶腔存在，涌水塌方事故就極易產生。為此就要提前對地質情況進行預報，并盡快采取有效措施解決問題。

4.處治措施

4. 1穩定掌子面

在掌子面處用厚度為10厘米的噴混進行封閉，以確保圍巖的穩定性。同時，在穩定后的圍巖上以及拱架上設立角撐架。封閉地表時用砂漿完成，對于滲水裂隙要填補灌漿進行封閉，以使下滲的地下水有效減少。除此之外，清渣工作不宜在完成超前支護前實施，需做好穩定措施，穩定突泥涌水段后開挖。

4.2超前錨桿

采用自進式錨桿（直徑76）完成超前支護工作，每個錨桿環向距離為20厘米，傾角大約為10度至15度之間。施作從加強段落（已完工）進行，錨桿的端部樁號為YK56+035，其入巖前段長度應大于等于2米，鉆進錨桿時，要注漿加固溶腔內的泥土，如圖2即為超前錨桿布置圖。

4.3超前管棚及加密鋼架

由于此次的泥涌水量相對較大，較長范圍內都受到溶腔的影響，因此，需利用超前大管棚預注漿對溶腔破碎帶段進行加固。通常大管棚取直徑為108，棚壁厚度為10毫米，根據溶腔長度將其長度控制在35厘米、兩大管棚的橫向距離為100厘米的無縫鋼管，用絲扣對節段和節段進行連接。進行管棚施工時，為方便外部插角打入圍巖其角度應為1～2度。鉆進管棚時，不能封堵注漿孔。完成施工后，溶腔破碎帶段用注漿進行加固。詳見圖3。

為穩定開挖過程，在進行設計變更時還利用間距為1米的I18型鋼架對初期的支護強度進行了加強。

4.4導排地下水

進行掌子面的挖掘時，仰拱開挖結束后，需根據鉆孔揭露情況，預埋排水管于其底部通常預埋管的直徑為10厘米，以減小破碎帶水系的破壞程度。為保障初期支護和掌子面的穩定性，要注意泵送混凝土進行空腔的回填。

5.結語

綜上所述，通過分析本隧道的涌水塌方事故成因，根據其實際情況采取了一系列技術措施保障了問題的成功解決。事實證明，采用綜合處治技術措施對涌水塌方事故進行處理是非常有效的，對于本次施工中的經驗和教訓，僅供安全處治其他隧道涌水塌方事故進行參考和借鑒。

參考文獻：

[1]王平.鑼鼓洞隧道涌水塌方處治技術研究[J].中國水運月刊.2015（05）

[2]張顯鵬.淺析高速公路隧道施工涌水處治措施[J].建筑工程技術與設計.2015（16）