巖溶區隧道施工誘發地面變形成因及發展分析

何維山 劉強

摘要 池祁高速寶石嶺隧道工程施工時發生突水，誘發上部地表巖溶塌陷、地裂縫和房屋開裂等，造成了重大地質災害。文章主要從水文、工程地質及施工角度分析了該巖溶塌陷等地質災害產生的背景和原因。基于監測數據對地面變形發展階段、未來發展趨勢進行了分析，并介紹了該地質災害救治的具體措施。

關鍵詞 隧道施工；突水；巖溶塌陷；地面變形；地下水

中圖分類號 P642.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）10-0042-04

0 引言

地面變形是在一定的自然條件和人為因素作用下，地下一定范圍內的巖土體位移、壓縮等活動引起的地面下沉、塌落、開裂現象。近年來，隨著高速公路、高速鐵路等的迅速發展，巖溶區地下隧道工程逐年增多，加大了施工誘發地面變形發生的頻率，常表現為地面沉降、巖溶塌陷、地裂縫，且伴有地表水體干涸、建筑損壞開裂等[1-2]。開展在隧道建設過程中地面變形的發育規律、形成機制的研究，對區域經濟社會的可持續發展具有一定實際意義[3-4]。

國內已在隧道建設引發地面變形的研究上取得了一定進展，張成平等[5]、王云平等[6]、宋光嘯[7]先后對塌陷、地面沉降機理、規律、演化過程等進行了研究，一定程度上揭示了地面變形產生的機理，并提出了可行的防控建議。

該文擬通過對安徽省池祁高速寶石嶺隧道建設前后巖溶塌陷的發育特征、發育過程、形成機理及防治措施進行探討，以期進一步豐富現有巖溶塌陷理論，同時為隧道沿線塌陷災害防治提供參考。

1 工程背景

池祁高速寶石嶺隧道位于黃山市黟縣柯村鎮境內，采用爆破法施工。隧道K60+100～K60+800段，埋深為100～130 m，其上方為寶溪村程家組、章家組。在施工至K60+160時，出現突水且水質渾濁，后誘發隧道上方出現7處巖溶坑塌陷坑、2條地裂縫，并導致部分村民的房屋墻體出現開裂變形。

地面變形區域地貌類型為山間洼地、標高為276.2～

303.8 m，為相對匯水區，其上水系發育，地層巖性為第四系全新統蕪湖組（Q4w）粉質黏土、礫石土等，結構松散，厚度3.0～15.0 m，下部基巖為寒武系（∈）灰巖。地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。

隧道施工過程中圍巖為中風化灰巖，巖性較硬，巖體破碎～較破碎，節理裂隙發育，圍巖等級為Ⅳ級。施工記錄與該隧道的勘察設計文件相符。隧道開挖過程未見溶洞，場地深部巖溶基本不發育或弱發育，但勘察表明地表以下30 m范圍主要為淺巖溶強發育。

隧道于2020年12月18日開始出現突水（圖1），次年6月中旬開始堵水、9月中旬完成堵水、10月正式貫通，于2022年10月通車運營。

2 地面變形特征

隧道出現突水的第二天，即2020年12月19日，開始陸續發現7處地面塌陷坑和2條地裂縫，且多處房屋及地面出現裂縫，例如塌陷點、地裂縫等，總體表現為距突水點越遠塌陷規模越小、發生時間較晚。根據勘察資料及水井繪制的地下水位，可以判斷出突水期間形成的降落漏斗以K60+160～K60+180對應的地表為中心，約400 m為半徑的范圍。

2.1 塌陷坑

巖溶塌陷坑共7處，巖溶塌陷坑洞口近圓形、呈豎井狀。其塌陷發現時間、位置以及特征見表1所示。

2.2 地裂縫

在2021年1月調查時，發現地裂縫2條，樁號為K60+460～K60+520附近。第一條（DLO1）近東西向分布，長度約65 m；第二條（DLO2）在右洞左側，呈南北延深，長度約28 m。兩條地裂縫發現時，地裂縫的寬度約3 cm，3月底增大至4.5 cm。

2.3 房屋變形

村民房屋內也出現幾處地裂縫，長度一般小于5 m，寬度小于1 cm，另有多戶房屋墻體出現裂縫等現象。

3 地面變形機理

地面變形的形成首先由內部因素引發，即巖溶裂隙、覆土層性質和地下水運移管道等[8]；其次是外部因素，包括影響地下水位的工程活動和自然條件以及隧道施工影響等。

3.1 內因

隧址區寒武紀中晚期可溶巖地層分布廣泛，其中山間洼地地段大部分被第四紀松散層覆蓋，巖性為粉質黏土、礫石土等，礫石孔隙充填細顆粒砂及粉質黏土，結構松散。根據鉆孔資料，第四系松散層厚度3.0～15.0 m，場地巖溶總體屬淺覆蓋型，部分地段灰巖出露地表，發育裸露型巖溶。

地面調查觀測發現，裸露型巖溶主要有溶溝、溶洞、落水洞等，這些巖溶現象沿層面或構造裂隙發育。東南山坡的楊柳崗組中薄層為深灰色灰巖，沿層面發育為串珠狀小溶洞。附近還發育100 °∠67 °、188 °∠75 °兩組高傾角裂隙，沿裂隙面出現溶蝕跡象，沿這兩組裂隙發育了2個巖溶落水洞。落水洞洞口近圓形，口徑約1.5 m，呈豎井狀。

巖溶裂隙由灰巖所處地地質環境決定。對巖溶運移管道而言，這是地下水的有效通道，其直接作用巖土體，可以帶走巖土顆粒，是水位變化、巖土顆粒位移的重要影響途徑。

3.2 外因

誘發該次巖溶塌陷發生的外因主要為隧道施工、爆破震動及隧道突水等。

天然狀態下的隧址區，地下水水力坡度小、速度緩慢、地下水動力弱，不能將土體孔隙及溶洞、溶隙中充填的土顆粒隨水流帶走。隧道K60+160掌子面掘進切穿裂隙巖溶構造破碎含水帶，爆破震動使圍巖松動圈內的裂隙進一步擴大，遇到充滿地下水的裂隙巖溶。在高達100多米的水頭壓力作用下，裂隙溶洞的地下水夾雜著洞隙及表層土體的土顆粒突然涌出。表層土體中的土顆粒流失后，在土體中產生大小不等的土洞，土洞頂部到達地表后形成地面塌陷坑、裂縫、地面沉降等，進而引發建筑物損壞和地下水位下降。

4 地面變形發展過程及未來發展趨勢

4.1 發展過程

該隧道施工誘發的地面變形可分為急劇變形和緩慢發展兩個階段。

在隧道剛遇突水事故時，水質成渾濁狀，這是急劇變形階段，主要因急劇形成的水頭差產生虹吸現象，擾動或沖刷沖洪積層和巖溶通道，同時帶走上覆土體的大量顆粒物和溶洞充填物，導致地面變形的發生，即第一階段主要因顆粒物向下位移而導致。根據地面調查發現，寶石嶺隧道上方急劇變形階段主要為從隧道出現突水至2021年3月，隧道上方發生巖溶塌陷、地裂縫及房屋出現裂縫基本均位于該時間段內。根據施工記錄，該時間段內隧道水質由起初的渾濁、夾砂狀逐漸轉化為清澈狀。

第二階段為緩慢發展階段，此階段突水基本不含顆粒物，成清澈狀。地面變形主要為地下水位下降、孔隙水壓力降低、土體有效壓力增加、顆粒骨架所受壓力增加、土體壓縮等導致的地面沉降。在隧道上方出現變形等狀況后，施工單位在地表布置了若干地面變形監測點，并從2021年3月20日監測至2021年11月8日，見表2所示。監測期間地面的累計沉降一般小于1 mm，總體發展緩慢，僅在T01塌陷坑處出現沉降達3.3～38.2 mm，原因為塌陷坑處回填未經壓實、覆土松散、巖溶塌陷坑未進行注漿封堵，以及隧道內堵水工作未完成而導致。

4.2 未來發展趨勢

為持續監測地面變形，隧道貫通后，在地表安裝了3處GNSS位移監測站，可對站點表面位移進行實時的自動化變形監測。

根據2022年7月4日—2022年10月1日的監測數據，BP01監測點從8月10日到8月24日在?10 mm附近進行波動，但經過9月的持續觀察發現，該點又逐步恢復在0 mm附近上下波動，可能和現場環境干擾有關（BP01位于村民院子）。BP02、BP15監測點的表面位移基本穩定，ΔH、ΔX、ΔY的監測值均在0 mm附近上下波動。具體監測數據見圖3～5所示。

基于地面監測點及GNSS位移監測站監測數據分析，因隧道突水導致的地面變形，經歷地下水位恢復治理后，地面變形中沉降將以殘余沉降為主，沉降量極小，且逐漸達到穩定狀態。但下穿隧道突水導致的上覆土體中土洞在短時間內難以消除，未來仍存在偶發巖溶塌陷可能。發生巖溶塌陷的范圍，以隧道發生突水處對應的地面為中心，半徑約400 m的范圍內，全年均可能發生，豐水季節和枯水季節發生巖溶塌陷的概率更大。

5 恢復、治理措施

5.1 村民損壞房屋處理

村民房屋處理本著高度負責、安全可行、經濟合理的原則。根據房屋損壞程度，按照以下方法分別進行處理。

（1）已損壞房屋的處理。邀請專門機構對房屋進行鑒定，鑒定為危房的應進行拆除，以策安全，對地基進行加固處理后，可在原地重建或者異地重建；鑒定為一般損壞的房屋應進行修理和監測。

（2）沒有明顯損壞房屋的處理。對該類型房屋進行裂縫、傾斜監測。

（3）新建、重建房屋的處理。加強對房屋地基的勘察，并對地基進行處理，對房屋基礎和結構進行加固，確保房屋基礎穩定。

5.2 巖溶塌陷坑治理

對因隧道突水導致的巖溶塌陷坑，應即時進行治理，即發生一處治理一處，以消除隱患。

（1）對于深度淺的巖溶塌陷坑，可清除上部細顆粒，注漿后填入塊石、碎石，夯實表面覆土，恢復耕地。

（2）對于距隧道突水段較近、規模較大的巖溶塌陷坑，下部可灌漿封堵，以減少地表水的入滲補給，上部回填碎石土壓實后，覆土并恢復林地。

（3）對于位于河流、溝渠附近的塌陷坑，可進行水泥灌漿處理，同時對河流、渠道底進行混凝土封堵，杜絕河水倒灌補給地下水。

5.3 地下水資源恢復治理

當隧道遇突水、涌水時，應及時加強隧道內外的堵水工作，減少隧道的涌水量，這是恢復地下水位的直接措施。

6 結論

（1）地面變形主要是由于寶石嶺隧道施工時，切穿裂隙巖溶構造破碎含水帶，爆破震動使圍巖松動圈內的裂隙進一步擴大，隧道突水后堵水工作未及時進行，進而發生水土流失所致。

（2）寶溪村地面變形未來以殘余沉降為主，沉降量極小，將逐漸達到穩定狀態，但存在偶發巖溶塌陷的可能。

參考文獻

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