高速公路隧道涌水塌方成因分析及处治技术

舒彪

摘 要：隧道施工过程中遇到的涌水塌方问题对隧道的工期和工程质量构成了严峻的挑战，准确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实际工程为依托，分析了涌水塌方的成因，提出了处治坍塌和涌水的综合处治技术，取得了良好的处理效果，确保了后期工程的顺利进行，对类似工程有借鉴意义。

关键词：公路隧道 地质问题 涌水塌方 成因 处治技术

随着交通建设的飞速发展，隧道的修建越来越多。但隧道施工很可能会经过地质比较复杂的地段，导致塌方事故、涌水事故频发，严重影响隧道施工及运营安全，影响到社会民众的生命财产安全。由此可见，如何搞好隧道施工中涌水、塌方的处治，是摆在施工单位面前的重要课题。某隧道工程地质条件及水文地质条件复杂，施工过程中发生较大的涌水与塌方事故，文章就以此案例为依托，根据笔者多年的工作实践经验，结合发生灾害处的地质，运用先进的勘查和分析方法对突泥、涌水塌方的形成进行分析，并从稳定掌子面、超前锚杆、超前管棚及加密钢架以及导排地下水几方面给出了处治技术，成功解决了该隧道的涌水塌方问题，收到了好的效果，对未来公路隧道施工塌方处治工作有所指导和借鉴意义。

1.工程概况

某高速公路是一种上下分离的隧道，左幅起讫桩号为ZK55+211-ZK56+085。长为874米，埋深的最大值为105米左右。其右幅的起止路程的桩号在YK55+215与YK56+111之间，长度为896米，埋深的最大值为119米左右。隧道利用钻爆发进行分台阶施工，利用复合式衬砌作为其支护系统，二次衬砌则采用整体浇筑的方式进行。

隧道选址地位于山脊部分，路线成西东方向分布，直至山脊，且北部地势较高，南部地势较低。隧道的进口和出口都与山间的冲沟地带紧密相连，通常进口处其地面标高为880米至920米左右，含40米的相对高差，且自然坡边的坡向大概在0度至30度之间，坡度为5度到20度左右。出口处的地面标高通常为840米至880米左右，相对高差与进口处相同，其自然坡边的坡向大概在110度至130度之间，坡度为10度到30度左右。出露地层为石块及黏土等，夹有泥岩和泥灰岩。这类岩层属于向斜构造中的一种，其层面产状在81度至295度之间，角度为6度至12度。进口位置主要发育有J1与J2两组节理面，层面产状分别为245度和350度，角度分别为85度和80度。与进口位置不同，出口位置的J1节理面与J2节理面的层面产状分别为60度和85度，角度为85度和73度，都属于闭合节理面。

隧道选址地域的地表水主要分布在季节性冲沟附近。其地下水主要由3第四系松散空隙水、岩溶孔隙裂隙水构成，还有一种是碎屑岩类孔隙裂隙水。此处只要凭借大气降水对地下水进行补给，其地下水经隧道钻孔时被发现，深度约为1.1～45.7米。采用CSK37钻孔发现，发育的溶洞均以碎石填充，溶洞的直径为1.1米左右。通过进行地质调绘发现，YK56+000向右67米处为发育溶洞，其洞口宽1.5米×1.5米，常年有水流经，且水量根据季节进行变化。调查时，其水流量为每秒0.5升，主要是用于供居民用水。ZK56+030向右45米处是发育溶洞，洞口宽5×2米，深度为5米至6米左右，没有发现有水流经。

2.原因分析2. 1具体情况

施工是利用台阶法进行，某隧道于2013年12月18日2点在其左洞掌子面桩号为ZK55+986处有涌泥现象出现，且隧道内涌泥长度大概为30.6米，高度的平均值大约为5.4米。此处涌泥2小时后，隧道右洞掌子面YK56+029号桩处有涌泥现象和塌方现象出现，且隧道内涌泥长度大概为10.8米，高度的平均值大约为3.4米。3天后，第二次涌泥现象出现，隧道内涌泥长度大概为10.2米，高度的平均值大约为3.6米。

由于这种情况的发生，部分掌子面处的钢拱架遭到损毁，喷射混凝土严重剥落。之后进行涌泥段后方围岩的变更，以前，桩号ZK55+998至ZK55+991之间的围岩级别为S-Ⅲa，之后变更至Vc级，所用工字钢为I8型，每段距离为1米。

2.2分析成因

对地质情况进行超前预报并监测涌水塌方事故的发生频率、分析突涌物成分，对其成因进行分析后得出，由于构造破碎带遭受溶蚀所以形成涌水塌方段溶腔。溶腔内用破碎岩块和泥浆等强度较高的物质进行填充。左洞涌泥以及右洞涌泥包括坍塌部位都是同一个破碎带，且与隧道轴线呈75度角。

突泥涌水是由于破隧道溶腔和较多的地下水共同作用造成的。进行隧道挖掘时，位于破碎带溶腔的地下水的开挖卸荷结合汇聚时的地下水形成的静水压力转变为动态水压，对裂隙和空隙进行冲刷。之后，地下水从开挖空间不断涌出，携带大量泥碎石，致使岩块间形成若干空腔。掌子面在持续开挖后，其支撑力不敌静水压力和突涌物所爆发出的的冲击力，进而形成突泥涌水事故以及塌方事故等。如图1。

3.数值模拟

利用FLAC数值软件对溶腔存在状态下的，进行隧道挖掘时的围岩受力变形情况进行分析，以不断研究涌水塌方的形成，解释溶腔如何影响隧道开挖。

3. 1建立模型

假设跨度为11米，高度为8米的隧道上方存在含有泥水混合物的溶腔，为了方便分析，选取摩尔—库伦准则为屈服准则，划分网格。

3.2分析结果

经模拟，围岩纵向出现变形情况、应力加大，此时隧道掌子面距离溶腔10米。溶腔下的掌子面处，围岩越发变形，其应力也不断增强。由此证明，若有溶腔存在，涌水塌方事故就极易产生。为此就要提前对地质情况进行预报，并尽快采取有效措施解决问题。

4.处治措施

4. 1稳定掌子面

在掌子面处用厚度为10厘米的喷混进行封闭，以确保围岩的稳定性。同时，在稳定后的围岩上以及拱架上设立角撑架。封闭地表时用砂浆完成，对于渗水裂隙要填补灌浆进行封闭，以使下渗的地下水有效减少。除此之外，清渣工作不宜在完成超前支护前实施，需做好稳定措施，稳定突泥涌水段后开挖。

4.2超前锚杆

采用自进式锚杆（直径76）完成超前支护工作，每个锚杆环向距离为20厘米，倾角大约为10度至15度之间。施作从加强段落（已完工）进行，锚杆的端部桩号为YK56+035，其入岩前段长度应大于等于2米，钻进锚杆时，要注浆加固溶腔内的泥土，如图2即为超前锚杆布置图。

4.3超前管棚及加密钢架

由于此次的泥涌水量相对较大，较长范围内都受到溶腔的影响，因此，需利用超前大管棚预注浆对溶腔破碎带段进行加固。通常大管棚取直径为108，棚壁厚度为10毫米，根据溶腔长度将其长度控制在35厘米、两大管棚的横向距离为100厘米的无缝钢管，用丝扣对节段和节段进行连接。进行管棚施工时，为方便外部插角打入围岩其角度应为1～2度。钻进管棚时，不能封堵注浆孔。完成施工后，溶腔破碎带段用注浆进行加固。详见图3。

为稳定开挖过程，在进行设计变更时还利用间距为1米的I18型钢架对初期的支护强度进行了加强。

4.4导排地下水

进行掌子面的挖掘时，仰拱开挖结束后，需根据钻孔揭露情况，预埋排水管于其底部通常预埋管的直径为10厘米，以减小破碎带水系的破坏程度。为保障初期支护和掌子面的稳定性，要注意泵送混凝土进行空腔的回填。

5.结语

综上所述，通过分析本隧道的涌水塌方事故成因，根据其实际情况采取了一系列技术措施保障了问题的成功解决。事实证明，采用综合处治技术措施对涌水塌方事故进行处理是非常有效的，对于本次施工中的经验和教训，仅供安全处治其他隧道涌水塌方事故进行参考和借鉴。

参考文献：

[1]王平.锣鼓洞隧道涌水塌方处治技术研究[J].中国水运月刊.2015（05）

[2]张显鹏.浅析高速公路隧道施工涌水处治措施[J].建筑工程技术与设计.2015（16）