云雾山隧道岩溶灾害综合预防技术及其应用

代峪

（中铁十一局集团有限公司，武汉　430061）

云雾山隧道岩溶灾害综合预防技术及其应用

代峪

（中铁十一局集团有限公司，武汉430061）

岩溶地区地质条件复杂，在隧道施工过程中易发生涌水、涌泥、塌方等灾害。针对地质勘探、监控量测、超前地质预报、超前钻探、地下水监测等单项技术在岩溶灾害风险预测方面的不足，根据溶洞与开挖面的位置关系、补给水源、岩溶发育程度及规模、埋深、围岩级别这5个主要的致灾因子，提出岩溶隧道灾害风险预测模型。对5个致灾因素监测结果进行分析，得出灾害风险等级，并据此提出防灾预案和拟定工程措施，以提高岩溶隧道施工安全性。

隧道；岩溶；灾害预测；风险

我国岩溶面积占国土的三分之一，是岩溶分布极广的国家之一。随着经济的发展，越来越多长大隧道在岩溶地区规划修建。由于岩溶地区地质复杂，故隧道修建过程中易发生涌水、涌泥、塌方等灾害，轻者造成设备破坏，重者造成人员伤亡。一些学者对我国已建和在建的31座岩溶隧道进行的统计表明，发生过较大涌水灾害的隧道有15座，出现突泥涌沙灾害的隧道有8座，出现地表塌陷灾害的隧道有5座，灾害发生频率较高［1］。

目前，国内对岩溶隧道灾变机制研究较少，岩溶地区隧道设计、施工相关标准规范还不够完善。赵明阶等［2］通过相似模拟试验，分析了不同位置、不同距离溶洞对围岩稳定性的影响。张旭东等［3］结合宜万铁路马鹿箐隧道岩溶溃水的工程实际，对深部岩溶隧道溃水成灾机理及其工程处治技术进行了研究。李术才等［4］对岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报进行了研究。

岩溶隧道灾害具有突发性强、影响范围大、演变速度快等特点，一旦发生很快就可能造成严重后果［5］。现有研究多侧重于发生灾害后如何快速有效地处治，对灾害发生的可能性预测研究较少，且多数灾害预测研究倾向于单项预测技术的应用，预测结果受技术人员水平和测量精度等因素影响，存在准确度偏低、反馈滞后等问题，难以对施工进行及时有效的指导。本文结合工程实例，对导致岩溶灾害发生的主要致灾因子提出岩溶隧道灾害风险预测模型，并对单项监测数据进行综合分析，从而得出灾害风险等级，以使施工中规避或减小灾害发生的可能性。

1　云雾山隧道岩溶灾害致灾因子分析

渝遂高速公路云雾山隧道为双向4车道长隧道。该隧道长3.58 km，宽10.5 m，高7.4 m。岩溶段长450 m，埋深约20 m，全段横穿沥鼻峡背斜轴部，受地质构造影响严重。地表河流与隧道轴线不足100 m，一些支流与隧道轴线交叉。该段围岩为灰岩、白云质灰岩，岩溶十分发育，岩溶管道与岩石裂隙形成大量地下水通道［6］。施工过程中，左线掘进至YK40+466处实施出渣及工作面清理时，上、中导坑左下侧发生掉块，并逐步露出直径约1.2 m的溶洞。上导坑扒渣时，溶洞发生一次性较短时间涌泥，泥浆内包裹着灰岩碎块，在隧道内形成长约40 m，体积约500 m3的涌泥带。另外，地表以白沙河支流为中心，出现一直径约14 m、深约15 m的直筒型塌陷区，致使白沙河支流断流，河水全部涌入塌陷区内。随着塌陷区土体饱和并压垮隧道初期支护结构，洞内出现二次坍塌，坍塌体与地表联通，洞内涌泥带扩大到100 m，涌泥量约20 300 m3，地表沉陷区直径扩大到35 m，成漏斗状开口，见图1。灾害导致钻孔台车和出渣运输车辆被埋，地表房屋开裂［7］。对灾害诱因进行了分析，发现施工开挖是岩溶隧道灾害最根本的诱因，即外部致灾因子，而地面地下补给水源丰富，岩溶发育程度高、规模大，隧道埋深浅、地质状况差是灾害发生及扩大的其他主要致灾因子［8］。

图1　云雾山隧道灾害类型

2　单项技术在岩溶灾害预测中的缺陷

为减少施工过程中灾害发生频率，通常在隧道设计阶段已进行了详细地质勘查，施工阶段也进行了监控量测。但由于岩溶地质的特殊性和复杂性，现有地质勘探、监控量测、超前地质预报、超前钻探、地下水监测等主要技术手段由于侧重点不同，在岩溶灾害预测方面仅能获得某些方面的数据结果，不能对岩溶灾害发生风险等级和位置作出较为准确的判断。这也是在有各种监测手段的情况下，岩溶隧道施工仍然容易发生地质灾害的一个重要原因。

2.1详细地质勘探

详细地质勘探的目的是提供设计所需的工程地质条件和各项技术参数，对建筑结构的承载基体作出岩土工程评价，为不良地质防治方案等作出论证和结论。勘察主要手段以勘探、原位测试和室内土工试验为主，必要时需补充地球物理勘探、工程地质测绘和调查。详细地质勘探报告是设计和施工的重要依据，但岩溶地区多处于山岭重丘区域，对于能够直接了解岩溶发育和地下水富集情况的钻探，由于受地势落差较大和经济等因素影响，很难将探孔间距布置得足够密，因此对溶洞位置和岩溶发育情况的判断难以详尽。

2.2施工监控量测

施工监控量测可为评价施工方法的可行性、设计参数的合理性以及了解围岩及支护结构的受力和变形特性等提供准确及时的验证，对隧道2次衬砌的施作时间具有决定性意义［9］。在岩溶地质条件下，地质情况变化较大，水平位移、拱顶下沉以及地表沉降等监测项目的测量结果受技术人员水平影响较大，易出现关键部位漏点的情况。另外，测量时初期支护已经完成，故对灾害预测有滞后性。

2.3超前地质预报（TSP）

超前地质预报（TSP）的原理是利用排列方式在岩体内激发弹性波。弹性波在向三维空间传播过程中，遇到声阻抗界面，P波可以穿过各种介质，而SH波、SV波却只能穿过固体介质，不能穿过液体介质，因此SH波、SV波解译图上就会存在一些异常区，而对异常区进行分析便可以判断岩溶构造位置。超前地质预报能预判前方100～150 m溶洞的大致位置，但判断结果受技术人员经验等因素影响较大，且与实际的地质构造情况也可能存在误差。

2.4超前钻探

超前钻探是利用超前地质钻杆在隧道施工的掌子面若干部位进行钻探，并依据钻杆内岩土结构、构造及水文地质来判定前方围岩的性质。超前钻探可直接了解前方的地质情况，但预测长度较短，范围限于掘进区域。

2.5地下水监测

地下水监测时，通常利用高精度水流速度仪来监测隧道涌水量的变化。地下水监测只能了解隧道开挖过程中水量的变化，并根据水量变化对灾害发生的可能性进行分析。

3　岩溶隧道灾害风险预测模型

岩溶隧道灾害发生概率和危害程度主要受施工开挖（溶洞与开挖面的位置关系）、补给水源、岩溶发育程度及规模、隧道埋深、围岩级别这5个主要致灾因子的影响，致灾因子的量级决定了灾害发生的损失程度和概率。灾害风险预测时，可由致灾因子的量级确定损失程度C和发生概率P，根据风险数学表达式R=f（p，c），得到岩溶隧道风险程度的数学模型［10］：

式中：R为灾害风险值；Ci为第i种致灾因子的损失程度；Pi为第i种致灾因子的发生概率。

依据隧道设计施工技术规范和相关领域的研究成果［11-13］可将致灾因子的量级划分为5个等级，每个量级对应不同的损失程度和发生概率评分。将评分结果代入岩溶隧道风险程度数学模型，可计算出灾害风险值。根据风险值的大小，将灾害风险等级划分为低度、中度、高度和极高4等，分别见表1、表2。对于不同风险等级可采取相对应的技术措施，以降低实际施工风险发生概率。

表1　岩溶隧道致灾因子损失程度和发生概率评价

表2　岩溶隧道风险等级标准

4　综合预测方法在岩溶隧道中的应用实例

综合预测是利用详细地质勘探、监控量测、超前地质预报、超前钻探、地下水监测等技术方法，对溶洞与开挖面的位置关系、补给水源、岩溶发育程度及规模、埋深、地质状况这5个主要致灾因子进行监测，以获得监测数据，判断风险等级。利用详细地质勘探、超前地质预报、超前钻探数据综合分析可得到溶洞与开挖面位置关系、岩溶发育程度及规模、隧道埋深、围岩级别数据，地下水监测可以得到补给水源数据，监控量测可以判断超前支护和初期支护施工后围岩的稳定性。综合预测有效地避免了单项技术的不足，提高了预测结果的准确性。

表3　云雾山隧道K40+533～K40+420段围岩参数

云雾山隧道左线ZK40+533～ZK40+420段地质详勘报告将该段围岩判断为三叠系灰色-黄褐色厚层状白云质灰岩，岩石呈碎裂散体结构，完整性极差，围岩级别为Ⅳ级，其岩性参数见表3。当掘进至ZK40+533时，为更加准确地了解掘进前方岩溶状况，采用TSP-203超前地质预报系统进行测试，结果显示ZK40+490～ZK40+470段预测为Ⅴ级围岩，通过SH波速度扫描结果预测在ZK40+474左右上方有一充填有大量黄褐色富水软泥的岩溶腔。掘进至ZK40+490处后，从地下水流量监测记录可知，地下水流量由常态的200～600 m3/d变化为1 200～2 600 m3/d，见图2。对拱顶、两侧拱腰和拱脚处5个孔位进行了超前钻探取芯分析，发现在ZK40+476～475左侧拱腰处溶洞与隧道断面相交，溶腔内包裹有软泥及灰岩块。

根据超前地质预报、详细地质勘探、超前钻探和地下水监测结果，可以确定云雾山隧道5项致灾因子的量级，且通过对应的损失程度和发生概率评分，计算得到灾害风险值R为89，灾害发生等级为极高。施工过程中，根据风险等级，在掘进到预测点前5 m处，采用3台阶法开挖，并用5 m超前小导管注浆固结前方开挖面，且将初期支护结构加强为钢拱架。将实际揭露情况与预测结果进行对比分析，发现溶洞位置与实际情况吻合。由于采取了超前小导管注浆措施，溶腔内泥浆得到固结，故溶洞揭穿后仅发生了少量掉块，且超前小导管穿过两侧溶腔，对开挖面也起到保护作用。初期支护完成后，在ZK40+ 476处布置水平收敛和拱顶下沉测点，经过39 d监控量测，最终水平收敛值达到53.46 mm，拱顶下沉值达到55.08 mm，围岩收敛趋于稳定，见图3。云雾山隧道施工过程中，通过实施岩溶灾害综合预测，对可能发生的灾害提前采取了应对措施，成功降低了岩溶灾害发生风险。

图2　地下水流量监测记录

图3　ZK40+476水平收敛和拱顶下沉曲线

5　结论

1）基于岩溶致灾因子发生概率和损失程度建立岩溶隧道灾害预测数学模型，并通过多种监测数据预测岩溶灾害发生的风险等级，可有效避免单项监测技术受技术条件和人员水平等因素影响出现的误差，提高预测结果的可靠性。

2）通过云雾山隧道工程施工实例证明，采用岩溶综合灾害预防技术，能准确计算出岩溶灾害发生等级，并基于此采取相应的技术措施，可有效降低隧道重大灾害事故发生风险。

3）现有隧道施工和设计规范仅对岩溶隧道设计施工在地质勘探和监控量测方面有部分强制性要求，因此，鉴于岩溶地质的复杂性和严重性，笔者建议还应将超前地质预报、超前钻探和地下水监测等预测手段纳入相应的设计施工强制性规范中，以提高岩溶隧道风险的综合判断水平。

［1］李奎.隧道岩溶围岩力学特性初步研究［D］.成都：西南交通大学，2002.

［2］赵明阶，敖建华，刘绪华，等.岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响的模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）：213-217.

［3］张旭东.深部岩溶隧道溃水灾害特征分析及形成机理研究［J］.工业建筑，2011，41（4）：79-84.

［4］李术才，薛翊国，张庆松，等.高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（7）：1297-1307.

［5］张朋.云雾山隧道浅埋岩溶段地质灾害研究［D］.重庆：重庆大学，2007.

［6］重庆南江地质工程勘察院.渝遂高速公路（重庆市境）云雾山隧道工程地质详细勘查报告［R］.重庆：重庆南江地质工程勘察院，2004.

［7］代峪.云雾山隧道突泥灾害工程地质特征与防治［J］.铁道建筑，2009（10）：33-35.

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［11］欧阳文忠.岩溶地质［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

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［13］重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Preventive Technology and Application for Karst Disaster in Yunwu Mt.Tunnel

DAI Yu

Karst area has complicated geologic conditions，during tunnel construction，there may often be disasters like water burst，mud burst or cave in，etc.，Considering the shortcomings of single technology，such as geologic survey，monitoring/measuring，advance geologic prediction，advance drilling，underwater supervision，in Karst disaster prediction，this paper suggests the Karst tunnel disaster prediction model based on 5 major disaster factors of position relationship between Karst cave and excavation face，supplementary water resources，Karst development degree and scale，buried depth and surrounding rock level.After monitoring and analyzing the 5 disaster factors，we obtained the disaster risk degree and suggest antidisaster solution and construction measures，to meliorate the safety in Karst tunnel construction.

tunnel；Karst；disaster prediction；risk

1009-6477（2016）04-0124-04

U459.2

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.028

2016-02-24

代峪（1973-），男，重庆市人，本科，高工。