岩溶地质隧洞突水突泥产生机理及防治技术研究

罗应贵，蒙 雷，朱圣伟

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹)，430071，武汉）

岩溶地质隧洞突水突泥产生机理及防治技术研究

罗应贵，蒙 雷，朱圣伟

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹)，430071，武汉）

岩溶地质是隧洞施工中经常遭遇的不良地质,很可能引发突水、突泥、坍塌等事件,存在极大的安全隐患。探讨隧洞突水突泥产生的原因，分别采用弹性梁模型和弹性薄板模型（基于摩尔-库伦准则）对岩盘最小厚度进行推导，并在鄂北工程宝林隧洞工程中进行应用。通过对隧洞突水突泥防治技术的研究，提出在不良地质段施工应采取短进尺、强支护、弱爆破、分台阶开挖的方式，当渗水清澈时应加强抽排，当渗出物含有大量泥沙时应及时封堵。

宝林隧洞；突水突泥；岩溶；弹性薄板

在岩溶地区进行公路、铁路、水利、矿产开发等工程建设中经常遭遇突水突泥、塌方、冒顶、有害气体等灾害，其中岩溶地质隧洞突水突泥灾害发生较多，对工程安全影响较大。如何预防和治理岩溶区突水突泥灾害，成为岩溶地区隧洞建设的关键。

宝林隧洞是鄂北地区水资源配置工程的控制性项目，隧洞全长13.84km，最大埋深647m，隧洞穿越中华山国家森林公园，采用TBM掘进机施工，隧洞进口段存在岩溶地质，施工中产生一定规模突水突泥现象，并产生冒顶，对工程正常施工造成较大影响。本文对输水隧洞岩溶地质突水突泥产生机理及防治技术进行研究，并结合宝林隧洞工程实例进行分析，为输水隧洞突水突泥岩盘安全厚度分析和防治技术提供参考。

一、突水突泥灾害产生原因

1.地质原因

岩溶地质是碳酸盐类岩石（如石膏、石灰岩等）受含有弱酸性的流水溶蚀并加以沉积作用而形成的。具备一定条件时，岩溶即可发育，侵蚀性的流水在裂隙中流动使构造裂隙不断发育形成溶蚀裂隙，较大的溶蚀裂隙进一步发育形成岩溶管道，岩溶管道继续发育形成较大的溶洞，岩溶水具有分布不均、水量大、流速快等特点。根据隧洞工程突水案例调查分析结果可知，隧洞施工区的地形及地下水情况与隧洞突水突泥关系密切，地势较低的岩溶地表洼地首先汇集了地表水，随后地表汇集水及地表土体由岩溶地表洼地中分布的溶蚀腔体或漏斗渗流至地下，为隧洞施工突水突泥的发生创造了条件。

2.气候条件

岩溶发育的强弱及隧洞施工突水突泥的情况受气候条件包括气温的变化、降雨分布、降雨强度等因素的影响。低温条件下，弱酸性水溶蚀可溶性岩石的能力、运移冲刷能力等都会降低，岩溶发育不强烈；在高温条件下，弱酸性水溶蚀可溶性岩石的能力增强，降雨的分布及强度影响水的水力条件，地表降雨汇流因携带较多二氧化碳使岩溶发育增强。因此，夏季降雨强度大，地表水径流和下渗易对可溶性岩石产生溶蚀，隧洞容易发生涌突水，此外暴雨季节降雨强度大且携带大量泥沙，地下水水位上升迅速，水压增大，隧洞发生突水突泥的可能性极大。

3.施工影响

影响隧洞突水突泥的施工影响因素主要包含施工开挖扰动和爆破振动。溶腔中水压力和掌子面至溶腔的距离（既岩盘厚度）会影响开挖面周边的水力条件，可能直接影响突水突泥的发生。隧洞施工前岩体处于天然平衡状态，施工开挖扰动了岩体，掌子面处于临空面，并在围岩周围形成岩石松动圈，当岩盘岩体应力状态达到临界破坏点时，就会产生突水突泥现象。在可能存在突水突泥风险部位治理方面，对于压力溶腔水是“排”或 “堵”，是治理中争议焦点问题之一。在不同的治理措施中，尚有许多具体问题需要解决，如堵水、排水方案设计等，任何不当的处理措施都可能引起突水突泥灾害的发生。

二、隧洞突水突泥发生机理

1.弹性梁模型

（1）溶洞位于隧洞侧面

当溶洞分布于隧洞的侧面，溶洞主要受到溶腔内水压力以及溶腔充填物压力作用，溶洞尺寸相对于岩盘厚度较大时，溶洞与隧洞分布情况简化为图1，防突岩盘（溶洞与隧洞之间岩石厚度）受力模型简化为图2中所示的固定端弹性梁结构。

图1 溶洞位于隧洞侧面分布图

图2 溶洞位于隧洞侧面防突岩盘受力图

按抗弯强度公式和抗剪强度公式进行验算并修正可得岩盘厚度:

式中，S为防突岩盘厚度，[σ]为岩体抗拉强度（根据勘察资料确定），n为0～1的修正系数，ρ为溶洞内隧洞拱顶高程处水压力，h为隧洞侧墙高度，q为溶洞内充填物垂向压力，g为重力加速度。

（2）溶洞位于隧洞顶部

当溶洞分布于隧洞的顶部，溶洞主要受到隧洞和顶部溶洞间防突岩层（岩盘）以及溶腔充填物压力作用，溶洞尺寸相对于岩盘厚度较大时，溶洞与隧洞分布情况简化为图4，防突岩盘受力模型简化为图5。

图3 溶洞位于隧洞顶部分布图

图4 溶洞位于隧洞顶部岩盘受力图

按抗弯强度计算的岩层防突（岩盘）厚度为：度，W为梁跨度，σ为岩体抗压强度，p为岩盘上覆荷载压力。

按抗剪强度计算的岩层防突（岩盘）厚度为：

式中，γ为岩石重度，B为简化梁模型宽度，W为梁跨度，σ为岩体抗压强度，τ为岩体抗剪强度，p为岩盘上覆荷载压力。

2.弹性薄板模型

式中，γ岩石重度，B为简化梁模型宽

当隧洞正前方有承压溶洞时，随着掌子面向前推进，逐渐靠近承压溶洞，两者之间的防突岩板（岩盘）厚度越来越小。当防突岩板（岩盘）的厚度远小于其溶洞高度和跨度时，可以按弹性薄板进行理论分析，其约束条件为4边简支。防突岩板中各点只有垂向位移。弹性薄板理论模型见图5。

根据板壳理论，考虑板面竖向荷载作用，依据摩尔-库伦强度理论极限平衡方程，可得岩盘最小安全厚度为：

式中，c为岩体黏聚力，φ为内摩擦角，M、N为根据板壳理论推导的待定系数。

图5 弹性薄板理论模型

3.工程应用

宝林隧洞位于湖北省广水市，沿线不良地质分布主要有岩溶、断层破碎带等。在进口以及断层附近存在岩溶较发育和岩溶水富集地段，此段很可能发生隧洞内突水突泥等地质灾害。岩溶地表洼地与溶洞通过溶蚀通道和裂隙相通，地下水受大气降水影响大，补给条件较好。溶洞被砂夹砾石充填，水压力为溶腔充填物的渗透水压力，最大水压为0.4 MPa。溶腔近似分布于隧洞掌子面上方，高度约6 m，充填物密度为23 kN/m3，溶腔跨度及高度较防突岩板大，呈不规则体，岩石抗压强度为15MPa，抗拉强度为1.3 MPa。取岩石抗压强度的0.9倍。

按弹性梁模型抗弯强度计算防突岩盘厚度为:

按弹性梁模型抗剪强度计算的防突岩盘厚度为：

三、突水突泥灾害防治技术

1.超前地质预报

超前地质预报在岩溶地质隧洞施工中应用的主要任务是识别突水突泥发生的条件，目前隧洞工程中超前地质预报已建立了以钻探法、物探法、地质分析法等多种手段为基础，中长期预报和地质灾害超前预报相结合的较为完整的超前地质预报技术体系。宝林隧洞不良地质段采用超前水平探孔、周边钻孔和地质分析结合超前探测预报的方法，特别是超前水平探孔与周边钻孔相结合的探测方法，在隧洞进口施工至桩号（245+221.6）时，较为准确锁定溶洞区域和溶洞边界，初步掌握了溶洞充填物性质，保障了后续工程措施的实施，减少或最大限度避免因突水突泥而造成的损失。

2.岩溶治理技术

在岩溶地区隧洞施工中，应利用超前地质预测预报分析确定隧洞前方岩溶地质的溶洞和水文地质特性，根据不同情况，制定针对性较强的防治措施。治理时，应根据岩溶分类，制定规模对策、充填性对策、充填物对策、水对策等应对措施，实现岩溶“标准模式化”治理。

隧洞施工岩溶地质治理依据“排水降压、超前支护、综合治理”的原则进行，宝林隧洞进口施工至桩号发现岩溶地质发育强烈，开挖中顶部、侧部、底部分别存在溶洞，经业主、设计、施工、监理联合会商，分别采用了以下治理措施:

①加密超前探孔进行探测，分别对顶部、侧部、正前方施打15～30m超前探孔，探明溶腔情况，并采用地质雷达辅助探测。安全监测在不良地质段施工尤为重要，应加密对掌子面、拱顶部位沉降观测和收敛观测，当变形量过大或变形不收敛时应及时组织人员撤离。

②存在小规模溶腔且渗水量较小时，在隧洞拱部采用直径45 mm超前小导管注浆预支护，导管长4.5m、环向25cm、纵向3 m一排，初期支护采用20 cm厚C25挂网喷射混凝土，设I18工字钢拱架，每榀间距0.5 m。

③当溶腔较大且局部存在突水突泥时，采用超前小导管存在较大风险，若覆盖层较薄且突泥量不大时，采用直径108 mm管棚及时进行超前支护并将掌子面快速封闭可以取得良好的效果。

④当底部存在溶腔时，深度及跨度不大于8 m可以先抛投级配碎石并振捣密实，随后在底板铺设钢筋网片，最后采用C25喷射混凝土将溶洞顶面封闭。

⑤不良地质段施工中应采取短进尺（每循环500 mm）、强支护、弱爆破、分台阶开挖的方式施工，当渗水清澈时应加强抽排，当渗出物含有大量泥沙时应及时封堵。

四、结 论

①隧洞突水突泥的产生是在地质构造、气候条件和施工影响综合作用下产生的，岩溶发育越强烈、夏季高温降雨越多，突水突泥产生的可能性越大，钻爆施工很可能导致防突岩盘断裂，产生突水突泥现象。

②在溶洞高度、跨度远大于防突岩盘厚度时，可采用弹性梁及弹性薄板模型进行计算。依据板壳理论和摩尔-库伦强度理论，推导出溶洞位于掌子面上部的最小防突厚度。在宝林隧洞项目中计算最小防突岩盘厚度，采用弹性梁模型计算时，抗剪计算比抗弯计算结果小14.3%。

③岩溶地质突水突泥的防治应首先加密超前预报和安全监测频次，当溶腔较大时采用注浆小导管配合强支护的处理方案可能带来较大安全风险，此时应采用管棚处理，并及时封闭掌子面。

④不良地质段施工中应采取短进尺、强支护、弱爆破、分台阶开挖的方式施工，当渗水清澈时应加强抽排，当渗出物含有大量泥沙时应及时封堵。

[1]李利平,等.地下工程突水机理及其研究最新进展 [J].山东大学学报(工学版),2010（3）.

[2]张军伟,等.岩溶隧道侧部岩盘突水机制研究[J].公路交通科技,2017（5）.

[3]臧守杰.强岩溶区隧道施工中隧底最小安全厚度分析研究[J].隧道建设,2007（5）.

[4]谢举.岩溶隧道施工突水突变机理与防治对策研究[D].重庆交通大学,2013.

[5]黄雄军.岩溶隧道突水突泥影响因素及对策[J].铁道工程学报,2013(1).

Water and mud gushing mechanism of karst geological tunnel and study on control technologies

Luo Yinggui,Meng Lei,Zhu Shengwei

Karst geology refers to unfavorable geology that is often encountered in tunnel construction,which is regarded as potential safety hazard that induces water and mud gushing and collapse.The cause of water and mud gushing had been examined.The minimum thickness of laccolith was derived by means of elastic beam model and elastic thin plate model based on Mohr-Coulomb criterion that has been applied in the construction of Baolin Tunnel.With studies on technologies of water and mud gushing prevention,it is proposed to take methods of short footage,strong support,weak blasting or benching excavation under unfavorable geological conditions.Pumping and drainage system should be operated when clear seepage water is flowing,while blocking measures shall be taken when sediment is contained in seepage water.

Baolin Tunnel;mud and sand gushing;karst;elastic thin plate

TV554

B

1000-1123（2017）22-0059-03

2017-10-11

罗应贵，高级工程师。

责任编辑 韦凤年