富水淺埋段黃土隧道塌方突水涌泥成因分析及處治方法

李澄宇

（甘肅公航旅定臨高速公路管理有限公司，甘肅 定西 743000）

突水涌泥是指地下工程在開挖過程中，打破了原有土體與水體之間的力學平衡，使得地應力重新分布，當重新分布的地應力在支護作用下仍不能維持新的平衡，水流攜帶泥沙在重力的作用下擊穿隧道洞壁，水、泥、石等物體快速涌出的一種現象。突水涌泥事故一般不獨立出現，通常還伴隨著洞內塌方、洞頂塌陷等事故。如果發生突水、涌泥和塌方事故，不僅會嚴重威脅施工作業人員的生命安全，而且還會造成施工困難、增大施工成本及導致工期延長等問題[1-2]。因此，明晰地下工程突水涌泥事故發生的先兆特征及動態演化規律，對預防和治理突水涌泥事故具有重要的意義。

基于塌方涌泥事故發生的規模及特點，大量學者提出了不同的治理措施。目前，我國對塌方涌泥事故的處理方法主要有凍結法、高壓旋噴樁超前支護、管棚及小導管超前支護和預注漿固結等[3]。代丹[4]以某隧道突水涌泥案例作為研究對象，采用組合超前加固支護措施（管棚+錨桿+注漿）治理了洞內涌泥事故，并提出了相應的預防措施。張金龍和李旭輝[5]采用帷幕注漿的方法將裂隙圍巖充分填充，降低了水分下滲，成功解決了雷嶺隧道裂隙富水段突水問題。陳富華等[6]采用注漿加固方法，通過特別設計的注漿材料、注漿順序等，成功處理了該巖溶隧道的涌泥問題。于杰緒[7]基于隧道巖溶發育特征并結合地質雷達監測結果等，建立了隧道涌泥塌方風險模型，結果表明，該模型可以較好地預測隧道發生突水涌泥風險，且預測結果與現場實踐結果吻合較好。包天鵬[8]采用超前物探+大管棚、小導管預注漿加強支護手段，對高風險突水涌泥段隧道進行預處理，工程實踐表明，物探+超前加固處理措施可以很好地保證隧道順利通過高風險突水涌泥區域。

綜上所述，這些物探、治理、預防和評估措施各有特點，適用于處理不同規模及特性的塌方事故[9-10]。但是，當塌方突水涌泥規模較大時，單一采取上述方案的治理效果并不理想。同時，傳統的超前注漿加固對于支護浸水后淤泥質黃土軟巖隧道的效果不佳。為解決上述問題，本研究結合簸箕灣隧道出口左線淺埋段塌方涌泥事故實例，提出了水平高壓旋噴樁+超前管棚注漿+臨時鋼支撐錨噴的組合支護方式，成功處置了富水段黃土淺埋隧道突水涌泥段事故。

1 工程概況

甘肅省定西市—臨洮縣段簸箕灣隧道為分離式的雙洞長隧道，左線長2 100 m，右線長2 113 m。隧道埋深最大約200 m。隧道地處黃土梁峁溝壑區，圍巖級別為Ⅴ級，項目地處半干旱大陸性氣候，各季降水量分布不均，地表水量受大氣降水影響較大，降雨時地表徑流消散較快。隧道出口右側約50 m附近見三處下降泉，涌水量0.1～0.5 L/s，但不排除有地下水存在情況。在圍巖裂隙發育區，可能發生涌水、滲水情況。隧道圍巖巖性基本由黃土、黃土夾泥巖碎屑及泥巖組成，屬于典型的軟巖-極軟巖，遇水易發生塌方。結合實際工程勘察資料，隧道區無明顯的裂縫帶，地質構造相對簡單，穩定性較好。

隧道開挖方法為光面爆破+機械修整輪廓邊角，上下臺階式開挖。首先，采用開挖臺架，施工掏槽眼、輔助眼和周邊眼。根據圍巖軟硬程度適當調整輔助眼數量，周邊眼采用只打眼、不裝藥方式進行松動爆破。出渣完后，再采用機械對隧道輪廓進行修整，滿足開挖輪廓線后立即施作初期支護，并及時跟進二次襯砌。

2 隧道塌方突水涌泥情況及處理措施

2.1 塌方突水涌泥情況

2020年4月21日，簸箕灣隧道左線出口施工至K42+142處，在開挖完成并準備進行初期支護時，掌子面拱頂偏右側約1.5 m處突然出現股狀水流，接著出現涌泥，并形成較大空洞。空洞環向長度約3.5 m，縱向寬度約2.5 m，豎直最大高度大于10 m。同時，自掌子面K42+142向后13 m范圍內初支鋼拱架出現嚴重變形，并侵入二襯范圍內，最大侵限值約182 mm。根據地質資料顯示，塌方段隧道圍巖較松散，附近易富集地下水，極有可能出線狀涌水。圍巖遇水后，穩定性變差，大大降低了隧道拱頂及側壁的自穩能力，易導致塌方。

2020年5月6日—7日，隧址區發生強降水。11日，開始對隧道內軟弱濕潤土體進行清理，并換填干燥泥巖洞渣進行反壓回填。由于雨水大量下滲、掌子面圍巖又被雨水充分浸泡，K42+142處再次涌出大量淤泥質黃土，隧道內涌泥范圍長約35 m，平均高度4 m，平均寬度約為7 m，涌泥量約為1000 m3。同時，在K42+142掌子面上方地表形成塌陷坑，塌陷坑直徑約為10 m，深20 m左右。洞內現場涌泥及洞外塌陷情況如圖1所示。

圖1 隧道塌方突水涌泥情況

2.2 應急處置方案

為防止隧道塌方的危害進一步擴大以及對人員、機械等造成二次傷害，施工單位立即啟動應急處置方案，主要包括3個方面：

（1）立即將地表的陷坑周圍進行硬性圍擋，防止人員隨意靠近造成安全風險。同時，及時采用防水材料覆蓋陷坑，在陷坑周邊開挖截排水溝，防止后續降雨及地表水進入陷坑，造成陷坑濕軟擴大陷坑面積。

（2）立即在陷坑周邊布置4個沉降觀測點，每天觀察2次，以便及時掌握陷坑是否仍在繼續塌陷。

（3）在洞內涌泥范圍端頭邊墻周邊布置測點，以便觀察洞內涌泥是否仍在移動，是否有繼續滑動的趨勢。

2.3 塌方原因分析

隧道塌方突水涌泥洞頂地處淺埋地段，巖體主要為堆積土層，土體破碎，自穩能力差。受持續降水影響，最終在地表水徑流、下滲的作用下發生塌陷。塌方發生后，建設、設計、監理及施工單位通過對事發現場進行會勘，認為造成此次塌方事故的原因：

（1）塌方處隧道圍巖級別為Ⅴ級，圍巖嚴重風化，巖體破碎不完整，穩定性較差。同時，隧址裂隙水發育，增大了土體的容重，并降低了土顆粒之間的黏聚力和摩擦力，致使隧道內出現一次塌方突水涌泥的現象。

（2）2020年5月6日—7日，隧址區發生強降水，雨水大量下滲、浸泡，導致隧道內出現二次塌方突水涌泥的事故，并在地表形成大范圍陷坑。

2.4 塌方突水涌泥處理方案

（1）對掌子面的涌泥進行局部清理，裝運干燥泥巖洞渣回填反壓掌子面，確保掌子面保持穩定。

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（2）從K42+152開始，施作Φ89×6，長度為4 m的大直徑鎖腳錨管，每榀拱架設4根（左右各2根），施作位置在拱架的拱腳處。施作完成后，將鎖腳錨管用Φ22螺紋鋼筋連接成為一個整體。

（3）鎖腳錨管施作完成后，打設超前大管棚，超前大管棚采用Φ108×6鋼管，超前大管棚自掌子面已施作完成的初支端頭向后大里程方向第三與第四榀拱架中間打設，環向間距40 cm，管棚長度為20 m，并進行注漿。

（4）待超前管棚施作完成，在超前大管棚中間施打Φ42×4超前小導管，長度為6 m，環向間距為40 cm，管頭焊成尖錐形，便于入孔，管壁開直徑8 mm的注漿孔，管末端1 m處不開注漿孔。超前小導管打設完成后進行注漿，注漿壓力根據現場注漿情況進行調整。

（5）從K42+152開始，施作臨時仰拱，臨時仰拱拱架采用I20a工字鋼，將臨時仰拱與已支護完成的拱架焊接牢固，逐榀安裝。安裝完成后，采用Φ22螺紋鋼將其連接成為一個整體，環向間距為1 m，縱向間距與原設計拱架間距保持一致，并噴射C25砼進行封閉，厚度26 cm。

（6）從K42+152開始，施作中隔壁支撐，中隔壁支撐采用I20a工字鋼，施作位置在已施作的臨時仰拱之上。上下部位分別與初支拱頂拱架和臨時仰拱拱架焊接牢固，逐榀安裝，縱向采用Φ22螺紋鋼筋連接，環向間距按照1 m設置，拱架中間安設Φ8鋼筋網片，噴射C25砼，厚度26 cm。

（7）從K42+145開始，內側施作護拱，護拱縱向間距為75 cm，護拱施作范圍為開挖輪廓位置，與臨時仰拱連接成為一個封閉成環的整體，護拱拱架縱向連接筋采用Φ22螺紋鋼，環向間距按照1 m設置，拱架中間安設Φ8鋼筋網片，噴射C25混凝土，厚度為30 cm，將施作的超前大管棚管末端封閉。

（9）對掌子面向后28 m范圍內設置臨時鋼架，保證隧道結構穩定，預防事故再次發生或擴大。

（10）對K42+155-K42+142侵限段采取換拱方案。換拱段復合式襯砌結構參數：初期支護C20噴射砼30 cm，設雙層直徑8 mm間距20 cm×20 cm 鋼筋網，鋼拱架采用I22a，間距50 cm，鋼拱架在上中、中下臺階處設置縱向槽鋼，二襯采用C30鋼筋混凝土60 cm。

（11）加強K42+142-K42+132段支護參數：初期支護30 cm厚C20噴射混凝土，內設雙層直徑8 mm間距20 cm×20 cm 鋼筋網，鋼拱架采用I22a，間距50 cm，鋼拱架在上中、中下臺階處設置縱向槽鋼，二襯采用C30鋼筋混凝土60 cm。

值得一提的是，在處理隧道洞內塌方時，開挖方法由原設計的上下臺階法改變為三臺階法，其目的是減小隧道臨空面面積，增強圍巖的自穩性。同時，根據實際情況縮短開挖進尺。

2.5 洞頂陷坑處理

本次塌方突水涌泥雖未造成塌穿型塌方，但地表有較大陷坑存在，具有較大安全隱患。結合現場土質情況，待該段洞內處治完畢后，且監控量測數據結果趨于穩定時，洞頂陷坑采用A03級發泡混凝土+回填土方式治理，回填到距離頂面20 cm后，鋪設防水層，防治地表水下滲，并采用灰土填筑。與此同時，采用灰土回填處治周邊小型陷坑，以防后續降水從周邊陷坑下滲到隧道洞內，造成二次突水涌泥事故。

2.6 塌方突水涌泥處理效果

在進行塌方處理過程中，對隧道內圍巖測點進行實時監測。成立隧道塌方監測小組，安排專人對塌方段進行實時監測，根據實際施工情況對監測點進行實時測量。同時，每天對測點進行不少于2次測量，當監控量測數據趨于穩定時，該累計沉降收斂量作為最終結果，不同斷面處測點累計沉降收斂結果見表1和圖2。

圖2 不同斷面處測點累計沉降收斂結果

表1 不同斷面處測點累計沉降收斂結果

由表1和圖2可知，越靠近K42+142塌方處，測點的累計沉降收斂值則越大，且在樁號K42+145處達到了最大值，拱頂累計最大沉降為45.6 mm，邊墻累計最大收斂為39.7 mm。根據現場監控量測數據可知，處理后隧道斷面的沉降收斂結果滿足預期，進而驗證了該隧道塌方突水涌泥處理方案的可行性。

2.7 建議

針對本次隧道突水涌泥事件，結合實際工程經驗，對后續實際施工提出3點建議：

（1）加強超前地質預報監測。采用多種手段進行實時監測，并根據監測結果及時加強支護方案，避免突水涌泥事故的發生。

（2）加強監控量測。不僅要在富水地段洞內布置監控測點，同時也要在洞頂布置監控測點，實時掌握測點變化，及時預防該類事故可能對施工人員和機械造成的傷害。

（3）對于西北地區黃土淺埋隧道，圍巖等級一般都較低，巖土體破碎，且風化嚴重，應當注意季節降水下滲對隧道穩定性的影響。

3 結論

本研究以簸箕灣隧道發生的塌方突水涌泥實例為工程背景，提出了一種治理效果良好的組合支護方案。通過對該次塌方突水涌泥事故進行總結，得到如下結論：

（1）采用水平高壓旋噴樁+超前管棚注漿+臨時鋼支撐錨噴的組合支護方式，成功處置了富水段黃土淺埋隧道突水涌泥段事故。

（2）采用泡沫混凝土+防水層+灰土的方法，成功解決了地表水下滲問題并預防了后續地表水下滲導致的塌方涌泥事故。

（3）由于隧道塌方突水涌泥事故規模和特性不同，處置方法應當靈活選擇,可根據預期處理目標,選擇適當的組合支護方案。