近海地鐵突水突泥分析及處置技術研究*

肖 先

(中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

山嶺隧道埋深大、長度長，地質構造復雜，隧道在施工中穿過溶腔、暗河，造成溶腔、暗河內大量積水和泥打破原有高壓平衡，大量水及泥瞬間涌入隧道，形成突水突泥。隧道突水突泥在喀斯特山嶺隧道施工中容易出現，目前對山嶺隧道突水突泥現象研究較多，各種致災原因分析較為透徹。城市地鐵由于埋深較淺，勘測較細，地質分析及風險等級劃分更接近實際，在施工中又利用監控量測數據及超前地質預報，大量施工風險被提前發現并得到有效處置。近幾年地鐵施工出現地表塌陷較多，特別是富水砂層引起的坍塌占主要部分。城市地鐵在暗挖過程中出現大量突水突泥現象十分罕見，并沒有引起設計、施工重視，對在城市淺埋地段的隧道開挖突水突泥致災研究較少。

本文以地鐵突水突泥為背景，從隧道地質結構構成、巖性、周邊環境、地下水、海水、爆破方面全面分析造成淺埋地鐵隧道突水突泥的原因，并針對突水突泥提出安全有效的技術方案，為同類工程提供指導。

1 工程概況

隧道開挖面三面環山，瀕臨黃海，屬于坡前溝斷裂帶，隧道圍巖位于火山噴出巖區，軟硬巖體交界面十分不規則。該區域地表位于車行和綠化帶交接處，地表有樹木、路燈桿、管線等附著物。管線有通信管線，污水DN300 HDPE管，雨水DN1 000混凝土管，管線埋深約0.5～2m。開挖掌子面地層為強風化凝灰巖，拱頂埋深19.8m，自上而下分別為：6.4m厚素填土，0.8m厚粉質黏土，7.1m厚中粗砂層，4.9m厚粉質黏土，0.6m厚強風化凝灰巖。突水突泥段地質構造如圖1所示。地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補給基巖裂隙水。整個地質構造呈V形分布，圍巖設計等級為V級。該段采用鉆爆法施工，采用上下臺階法開挖，初期支護在拱部120°范圍內設19根3.5m單排超前小導管，間距0.4m,搭接1.5m，傾角15°，邊墻設長度為3.0m中空注漿系統錨桿，1.0m×1.0m梅花形布置；格柵鋼架間距0.5m，C25噴射混凝土厚300mm，掛200mm×200mm雙層鋼筋網片。

圖1 突水突泥地段地質構造示意

2 突水突泥現狀

在開挖至強風化凝灰巖最下端位置，掌子面局部有滲水，安裝好拱架并噴射混凝土完成后，發現掌子面局部出水、掉塊，現場立即組織支護加固和掌子面掛網噴射混凝土封閉。加固完成10min后，掌子面突然出現大面積突水突泥，瞬間沖垮剛封閉的掌子面，地表電桿、雨水管、樹木等地面地下附著物涌入洞室，塌陷后地表及洞內現狀如圖2所示。隨后塌坑周圍飽和水夾帶雜填土、中粗砂、粉質黏土將孔瞬間擴大，突出大量泥砂沖入洞內，將前方進入洞內的泥砂、水管、電桿、樹木及洞內機械設備等沖入橫通道交叉口附近，至停止擴散，現場實測塌陷區域長 30.6m，寬 25.5m，突水突泥量達7 000m3。

圖2 隧道塌陷后現狀

3 突水突泥致災原因分析

3.1 施工監控量測及地質預報分析

3.1.1地表沉降分析

根據地表沉降速率預警值不超過±3mm/d，累積預警值(-30～10mm)要求，對突水突泥前7d掌子面前方地表沉降監控量測數據進行統計分析，地表沉降如圖3所示。從圖3可見，5，6號點在第4天地表沉降速率>3mm/d，其他監控量測數據顯示每天沉降量、累積沉降量均在正常變化范圍內，監控過程中出現地表沉降速率超標現象，證明地下水的流失對地表沉降有一定的影響，隨著地下水流失被注漿封堵以及地下水補充平衡后，地表沉降趨于穩定。穩定后隧道爆破開挖對地表沉降影響較小。

圖3 掌子面前方地表累積沉降監測結果

3.1.2拱頂下沉及周邊收斂分析

掌子面后方拱頂沉降和周邊收斂監測結果如圖4所示。由圖4可見，單日最大拱頂沉降值0.5mm，累計26mm；單日隧道周邊收斂最大值0.3mm，累計最大2mm。經過數據分析，周邊收斂速度<0.15mm/d,拱頂沉降<0.1mm/d,說明周邊收斂和拱頂下沉已趨于平穩，分析表明已開挖段的支護效果明顯，圍巖自穩能力較強，開挖后的隧道處于安全狀態。

圖4 拱頂沉降及隧道周邊收斂監測結果

3.1.3超前地質預報分析

超前地質預報采用地質雷達法結合加長炮眼進行，加長炮眼長度5m，分別布置在拱頂及兩側拱腰位置，均向隧道輪廓線外側施工；地質雷達沿隧道掌子面布置一條測線，探測縱向距離為30m，橫向距離5m。加長炮孔在施工過程中未發現異常，地質雷達預報結論為掌子面前方0～30m范圍內雷達呈低能反射，無明顯的反射界面。推測該段圍巖巖體特征無大的變化，基本維持與掌子面類似的特征，預報地質與設計地質基本吻合。

3.2 地質構造影響分析

隧道穿過地層為上軟下硬交界處，強風化凝灰巖在此形成“漏斗”，“漏斗”底層為強風化凝灰巖，兩側應力向中間集中，尤其在“漏斗”底部更加明顯。而漏斗內部則以粉質黏土、中粗砂填充，填充物分層明顯。從開挖掌子面分析，掌子面處存在3組節理或構造的不合理組合：一組斜傾向掌子面后方，傾角30°，延伸較短的節理；一組與洞軸線大角度相交，延伸較長；一條與洞軸線斜交的陡傾斷層破碎帶。節理之間互相切割導致巖石非常破碎，所以在上層巨大的圍巖壓力下，不斷產生蠕滑損傷，最終導致掌子面突然失穩、上層漏斗內飽和泥水突進隧道，形成突水突泥。

3.3 爆破影響

隧道上導洞掌子面左側圍巖為強風化～中風化凝灰巖，右側大部分為全風化凝灰巖，左側需要采用鉆爆法開挖，而爆破振動和應力波不可避免要向右側存在的軟弱結構面的軟弱圍巖進行傳播，導致既有微裂縫加大和圍巖更加松散，使軟弱結構面更加有利于形成地下水突涌的通道。

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》薩道夫斯基公式計算爆破振動速度：

(1)

式中：v為安全允許的質點爆破振動速度(m/s)；K為場地系數；α為振動衰減系數；Q為單段最大裝藥量(kg)；R為測點與爆破位置距離(m)。

可以計算凝灰巖地質在爆破情況下的損傷范圍[7-9]。

根據靜沙區間地質勘察報告，Ⅴ級凝灰巖密度ρr=2 600kg/m3，縱波速度Cp=3 210m/s，根據監測數據回歸分析得出爆破振動衰減指數α=β=1.9。炮孔直徑為0.042m，長度為2.1m；藥卷直徑0.032m，周邊孔眼裝藥長度0.2～0.3m。2號巖石乳化炸藥密度ρ0=1 000kg/m3，爆轟速度D=3 200m/s。

炸藥的爆轟壓：

(2)

式中：ρ0為炸藥密度(kg/m3)；D為炸藥爆轟速度(m/s)。

以周邊孔眼為例進行計算得：

可進一步計算周邊眼孔壁平均壓力：

P0=103.5MPa

周邊孔眼壁上質點峰值振速：

式中：ρr為巖體密度(kg/m3)；Cp為巖體縱波速度(m/s)。

根據爆破損傷質點峰值振動速度經驗值，完整巖石不會致裂，從而取臨界振速v=25cm/s,計算周邊孔眼爆破損傷范圍：

理論計算得出的周邊孔眼爆破損傷范圍偏于安全。

3.4 水的影響分析

3.4.1海水潮汐影響分析

事故掌子面高程-15.000m，位于海平面以下，隧道附近有一條流向大海的河流，漲潮時河水上漲，阻止地下水向河流排放，抬升的河水對周邊地層進一步浸濕。事后對突水突泥段地下水進行了化驗，其氯含量高出其他地方地下水15倍，證明了海水對圍巖及地下水的影響。潮汐使巖體隨時間不斷劣化損傷和流變，無形中增加了災害發生的概率，但不是主要因素。

3.4.2地下水誘發因素分析

地下水的存在及其活動狀態會對地下洞室圍巖中的應力狀態和巖體的強度產生影響。在干燥條件下，即使隧道工程通過含軟弱或破碎帶的巖層，圍巖也仍然能保持較好的穩定性，地下水對圍巖穩定性的危害微弱。然而，當圍巖含水量較多或者透水性較好時，隧道圍巖表現為滲水或者潮濕現象，此時地下水對圍巖穩定性的影響就比較顯著，這種作用主要表現為靜水壓力作用、動水壓力作用、軟化作用和溶解作用、溶蝕作用及潤滑作用等。同時，由于靜水壓力作用會使巖體的結構面張開，減少了巖塊之間的摩擦力，大大增加了圍巖塌落的幾率。而在動水壓力的作用下，巖塊會發生沿著水流方向的位移，并且存在于裂隙中的礦物顆粒也會因流水的沖刷而流失，很大程度上降低了圍巖的強度。

在地下水的溶解和軟化作用下，巖體的強度也會降低。由于事故發生位置從地質構造而言為“漏斗狀”形態，地下水位0.5～3m,漏斗周邊為中風化和弱風化凝灰巖形成封閉狀態。雨水和村民灌溉用水均進入“漏斗”內，同時隧道平面位置為三面環山，地層裂隙水也匯積進入，中粗砂層滲透性極好，可以推測突水突泥前中粗砂處于飽水狀態。中粗砂下層的粉質黏土長期被水浸泡，已處于軟化狀態，強度較低，自承能力很差。凝灰巖在無水狀態下，強度較高，自承能力較強，但凝灰巖的主要成分為高嶺土，高嶺土為親水礦物，遇水飽和后強度極低。由于隧道頂部強風化凝灰巖厚度為0.6m，在爆破振動作用下，形成細小裂隙，強度進一步降低，當隧道掌子面不能承受上部“漏斗”內飽水圍巖自重后，造成掌子面開裂、掉塊，最終形成突水突泥。

4 處置技術

隧道突水突泥造成地面塌陷，在施工處理時采取治塌先治水的原則，首先對塌陷坑進行回填，防止滲水造成塌陷范圍繼續擴大，再對塌陷周圍采取堵水加固，防止周邊地下水向隧道滲流，最后對洞內圍巖進行加固處理，確保不發生次生事故，不留隱患[10-12]。

4.1 地表處置綜合技術

洞內突水突泥后，地表塌腔不斷擴大，周圍砂層含水，雨水、污水管積水不斷向洞內補充，為了防止災害進一步擴大，在切斷雨水管、污水管水流補充的同時，對塌腔和地表進行技術處理。

4.1.1塌腔回填處置

采用3臺混凝土輸送泵車向洞內澆筑混凝土，為加快澆筑速度，同時降低混凝土水化熱，減輕塌腔內加固物體的質量，在澆筑混凝土的同時向腔內拋填建筑砂磚及少量鋼架。混凝土澆筑至距地面1.5m的雨、污水管底部時停止澆筑。在混凝土終凝后安裝雨、污水管，回填中粗砂，恢復路面。

4.1.2地表鋼花管+袖閥管+水泥攪拌樁加固

地表加固范圍及深度由設計根據地質勘察資料確定。

1)采用2排直徑30cm、間距1.5m鋼花管對已開挖隧道掌子面前方及左右兩側注漿防護，阻止地下水進入洞內，防止洞內發生次生災害，鋼花管鉆孔深度為超過隧道底部1m,由于該范圍內無管線及其他建筑物，注漿壓力保持2MPa,通過充分注漿，對隧道周邊形成保護層，防止地下水進入。

2)采用φ50mm袖閥管注漿，間距1.5m，注漿范圍為鋼花管外圍區域。在初期支護已形成段，注漿壓力控制在2MPa；對未開挖段，由于地下管線較多，注漿壓力控制在0.5MPa以內，注漿采用水泥-水玻璃漿液。

由于地下管線較多，為減小地表隆起破壞管線，注漿壓力設置較小，漿液在地下水流影響下不能有效對孔間距進行填充，對已注漿地段進行鉆芯取樣，發現袖閥管注漿效果不明顯。為了確保加固效果，經過方案對比，確定采用水泥攪拌樁進行加固處理，采用φ600mm@1 000mm水泥攪拌樁。

4.2 洞內處置技術

4.2.1洞內淤泥固結

突入洞內的水和泥通過橫通道內泥漿泵進行抽排，剩余淤積土逐漸沉淀于洞內。由于淤積土具有很強的流塑性，施工安全風險較高，為防止開挖過程中前方淤積土涌入后方，施工時采用分段固結、分段開挖的方式進行，每30m高壓注入水泥漿固結一段，固結長度為5m。由于淤積土含水量大，承載力較小，不能確保人員及設備在上方施工，為確保施工人員通行安全，采用3個廢舊輪胎，其上鋪設竹膠板聯結成整體，逐步向前鋪設。注漿完成一段，開挖一段。

4.2.2管棚支護

在地表注漿、洞內清理完成后，采用φ108mm管棚進行超前支護，管棚長42m，間距35cm，每環布置29根，按2環布置，搭接長度5m，外插角3°。在原有隧道內增加管棚施工，需對原初期支護結構進行拆除并擴建管棚工作室，初期支護擴除范圍為距掌子面8m范圍以內，加寬寬度為1m。初期支護拆除的方向為掌子面遠端向掌子面方向，每次拆除1榀，拆除后采取淺孔爆破加寬圍巖，初噴混凝土，施工3m長徑向錨桿對圍巖進行加固，安裝I25型鋼拱架，依次換拱至掌子面。采用管棚鉆機鉆孔，按設計要求安裝φ108mm管棚并注漿。

5 結語

此次突水突泥的發生是由于漏斗形地質條件下雨水匯積形成外壓水，不良地質的富水深厚中粗砂層、3組以上節理或構造的不利組合，凝灰巖和爆破振動等多重不利因素疊加導致的。突水突泥的地質構造及水文地質條件復雜，突水突泥規模大、突發性強，具有不可預見性。后期經過地表注漿，洞內注漿加固，采用管棚伸入前方弱風化凝灰巖，確保了隧道施工安全通過突水突泥段。