含填充型溶洞高速公路隧道突泥災害機制及加固技術研究

摘要：我國西南地區隧道建設施工環境復雜多變，針對含軟弱圍巖及填充型溶洞的高速公路隧道易發生突泥突水災害現象，文章以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究掌子面突泥突水的發生機制及帷幕注漿加固參數調整，得到如下結論：（1）含軟弱圍巖及填充型溶洞的隧道易發生突泥和突水災害，且災害突發性強、發生速度快、影響范圍大及次生災害多;（2）總結出突泥和突水災害發生機制，即災害受匯水峽谷地形、地下水豐富、導水通道發育、勘探工作不到位及注漿效果不足等因素的影響，主要影響因素是隧道含軟弱圍巖及充填型溶洞;（3）通過對比調整帷幕注漿施工參數前后檢查孔滲流量情況，發現調整參數前的注漿效果達不到規范要求，而調整后的加固參數能達到良好的注漿效果，防止突泥突水災害的發生，保證工程安全。

關鍵詞：填充型溶洞;隧道;突泥突水;發生機制;注漿加固

文獻標識碼：U457+.2-A-26-085-4

0 引言

隨著我國經濟和技術水平的快速發展，以及人民對便利出行的需求日益增長，我國的高速公路發展越來越快[1-2]。但是在我國西南地區，高山峽谷分布廣泛，給高速公路建設帶去嚴峻挑戰，隧道逐漸成為高速公路的主要構筑物之一，因此也促進了隧道建設技術的提升[3-4]。

然而，隧道建設時刻面臨著復雜的施工環境，如靠近或穿越大型溶洞時面臨的突泥和突水等問題[5-6]，溶洞嚴重影響著隧道的施工和后期高速公路隧道的安全運營，因此，對于隧道靠近或穿越大型溶洞時的施工技術研究顯得十分重要。閆立來以太原至佳縣的某段高速公路為研究背景，研究了隧道穿越溶洞時的涌水處理技術[7];代宣印全面探討了隧道穿越大型溶洞時的施工技術要求，為施工安全和隧道長期穩定提供了技術指導[8]。

目前，針對含溶洞的隧道施工技術已經取得一定的成果，但是以經驗施工較多，且存在成本相對較高和施工工序較為繁瑣等不足，而且對于溶洞導致的突泥突水等災害的發生機制研究還很少見。因此，本文以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究隧道左線掌子面突泥突水的發生機制，并通過現場實際情況對原有帷幕注漿加固施工技術進行參數調整，達到經濟有效地防治突泥突水及加固效果。

1 工程概況

1.1 工程概況

本文選取的廣西桂林至柳城高速公路某隧道為小間距的長隧道，該隧道是該高速公路的重要工程之一，工程所處地區為亞熱帶季風氣候。隧道全長3 200 m，最大埋深500 m。該隧道左線明暗交界處樁號為ZK90+908，隧道施工至樁號ZK91+087時，掌子面左側遭遇填充型溶洞，溶洞高約4 m，寬約2 m，侵入隧道初支約為1 m。

1.2 突泥突水災害概況

隧道掌子面開挖至ZK91+093處時，溶洞呈斜向掌子面上方發育趨勢并伴隨有石塊和泥土脫落的現象，隨后掌子面拱頂發生小規模突泥現象，洞頂溶洞塌腔呈7 m直徑大小圓形，突泥主要為泥夾石堆積體，無泌水現象。幾小時過后，掌子面再次發生突泥，突泥充填段長度約30 m，樁號為ZK91+093～ZK91+063，突泥量約為2 000 m3，還伴隨著突水現象，突水量大約為2.4×104 m3。

2 災害機制分析

2.1 災害環境因素分析

通過現場勘察和試驗及理論數據分析，總結出導致該隧道發生突泥和突水等災害的環境因素，分為以下幾個方面：

（1）谷地匯水地貌。地形地貌對于地下水和地表水的匯集具有重要的影響，盆地和溝谷等就具有較強的聚水能力，該隧道上方為谷地，聚水能力強，地下水豐富。

（2）水資源豐富。該隧道所處區域為亞熱帶季風氣候，降雨充沛，一年內每月的平均降雨量如圖1所示。從圖中可以看出，該區域分為明顯的豐水期和枯水期，年平均降雨量約為1 500 mm左右，溶洞中也能儲存大量的水。

（3）圍巖穩定性較差。隧道開挖時周圍巖體主要是風化的混合花崗巖，由于較長時間的風化作用，圍巖巖體破碎，裂隙較大，導致浸水后易崩解。通過現場試驗，得知不同掘進深度圍巖土樣的崩解率，如圖2所示。從圖中可以看出，該隧道不同掘進深度的圍巖在浸水35 min后崩解率均達到了95%以上，說明其穩定性較差。

（4）導水通道發育。經過現場勘察，發現隧道圍巖土層不均勻，滲透系數相差較大，經過現場實測和室內試驗，得到不同土體的滲透系數如表1所示。從表中可以看出，現場所測值比室內試驗所測值大出2個數量級，說明現場圍巖具有較為發育的導水通道。為了進一步探測溶洞及穩定性較差的圍巖內導水通道較為發育的地層，通過Flash RES64對溶洞附近隧道地層進行檢測，檢測結果如圖3所示，巖層穩定性區域和導水通道較為發育的區域均能從圖中直觀地看到。

2.2 災害機制分析

如圖4所示的災害機制圖可知，該隧道地表水和地下水豐富，導水通道較為發育，加上周邊充填型溶洞影響，為突泥突水等災害的發生提供了自然基礎，且在隧道施工過程中，缺少一定的探測及預防措施，且注漿技術不到位，最終引發了突泥和突水災害，還會導致一系列的次生災害。

3 注漿加固技術分析

3.1 帷幕注漿加固技術

隧道地層最大靜水壓力為1.28 MPa，加之溶洞的存在降低了圍巖穩定性，開挖過程中給支護結構提出了更高的要求，因此必須采取超前注漿措施，但是突泥突水災害的發生說明之前的注漿措施并不到位，因此必須重新調整注漿加固施工參數，避免災害的再次發生。

為了對溶洞及風化巖體進行有效的注漿加固，需要對注漿液體進行調整，根據涌水量大小可采用普通水泥漿和水泥-鈉水玻璃漿液，通過摻雜超細粉煤灰或礦渣調整凝結時間和結石體強度。根據裂隙發育程度及安全系數，將注漿壓力調整為2.5～3.3 MPa。注漿范圍須覆蓋圍巖松動圈和溶洞邊緣，此次注漿帷幕厚度為6 m，注漿擴散半徑平均為1.4 m，具體注漿參數調整如表2所示，其注漿縱面示意圖如下頁圖5所示。

3.2 注漿加固效果評價

通過檢查孔法對隧道某注漿加固治理段治理前后進行抽樣檢查評價分析，規范要求涌水量為單孔涌水量≤3 L/min，且單孔單位涌水量≤0.2 L/（m·min）。治理后的抽樣檢查結果如下頁表3所示，治理前后相應位置的單孔涌水量對比圖如下頁圖6所示。由表3和圖6所示可知，調整加固參數前后均抽取10個檢查孔，成孔率均>94%，無塌孔發生，且未調整加固參數前滲流量均>3 L/min，不滿足設計規范，因此導致突水現象發生，而調整加固參數后的滲流量均遠<3 L/min，滿足設計要求，說明調整參數過后的注漿加固技術取得明顯的圍巖加固和堵水效果。通過現場觀測，調整加固參數后的掌子面變得相對干燥，注漿擴散效果良好。

4 結語

針對含軟弱圍巖及充填型溶洞的高速公路隧道易發生突泥突水災害現象，本文以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究掌子面突泥突水的發生機制及帷幕注漿加固參數調整效果，得到如下結論：

（1）含軟弱圍巖及充填型溶洞的隧道易發生突泥和突水災害，且災害突發性強、發生速度快、影響范圍大及次生災害多。

（2）總結出突泥和突水災害發生機制，即災害受匯水峽谷地形、地下水豐富、導水通道發育、勘探工作不到位及注漿效果不足等因素的影響，主要影響因素是隧道含軟弱圍巖及充填型溶洞。

（3）通過對比調整帷幕注漿施工參數前后檢查孔滲流量情況，發現新的加固參數能達到良好的注漿效果，可防止突泥突水災害的發生，保證工程安全。

參考文獻

[1]黃 鸝.新時期高速公路生態恢復及綠化養護策略探析[J].工程建設與設計，2020（20）：88-89.

[2]Zhou Leisheng，Zhu Ying.Analysis of Stratum Settlement Laws Caused by the Construction of Shallow-Buried Expressway Tunnels with Large Span and Small Spacing[J].Geotechnical and Geological Engineering，2021（39）：1 485-1 495.

[3]Xuejian Zhu，Nian Zhang，Xiaohui Hao，et al.Study on the design of water treatment scheme for Expressway tunnel in a mountainous area[J].International Core Journal of Engineering，2019，5（9）：234-239.

[4]韓 磊，白陽陽.上下并行隧道先后下穿高速公路相互影響機理研究[J].現代城市軌道交通，2020（11）：61-65.

[5]吳雷雷.巖溶地質環境下影響高速公路隧道溶洞穩定性的數值模擬[J].公路工程，2017，42（3）：245-248，265.

[6]陳偉康.高速公路隧道穿越溶洞段處治技術的應用研究[J].安徽建筑，2020，27（10）：159，198.

[7]閆立來.太原至佳縣高速公路隧道溶洞及涌水處治技術淺析[J].山西交通科技，2013（5）：41-42.

[8]代宣印.山區高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技術[J].交通世界，2016（32）：64-65.

收稿日期：2021-03-08

作者簡介：鄭英俊（1981—），工程師，研究方向：高速公路施工管理。