隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法研究

王 闯

（江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏 淮安）

引言

隧道突水突泥是在隧道施工中最为严峻的地质灾害。在隧道工程施工过程中，发生地质灾害还会引发塌方、地表水枯竭等问题。给隧道施工带来严重危害，使得设备掩埋，地表塌陷，导致施工进度缓慢，严重时还会发生安全事故。在多变的地质条件影响下，需要不断提升勘察水平，增加了岩溶隧道的施工进度，可以实时对地基承载力进行分析，防止隧道发生突水突泥的灾害。根据实际情况选择正确的开挖方法，按设计的参数进行初期支护，减少对围岩产生的扰动。同时，通过分析突水突泥发生的机理，能够同时得到隧道的沉降变化规律，通对塌方段进行工程施工。根据地基数据，能够有针对性对隧道施工进程进行推进，达到较好施工效果[1]。在工程建设过程中，对隧道围岩进行稳定性监测，减少地基的侧移程度。对特殊部分加以处理，能够在断层条件下运用新的注浆设计对支护进行优化。通过注浆堵水加固的方式能够有效控制拱顶的沉降，获取沉降规律，顺利通过突水突泥段。同时，运用管道引排水还可以节约施工成本，达到较好的整治效果。由于隧道施工难度高，在工程施工中的造价高，施工安全性差，地质勘查情况不完善，使得不同地段的突水突泥灾害事故频发，结果难以符合预期[2]。因此现阶段，以隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法为研究目标，结合实际情况进行研究与分析。

1 地质灾害成因分析与治理

1.1 隧道突水突泥地质灾害成因分析

地下水位变化是隧道涌水突泥过程中最为重要的因素，在隧道施工中由于发生涌水问题会导致地表塌陷的问题。当隧道穿越高压富水断层时，岩体的厚度发生剪切破坏，使得围岩平衡发生变化，当释放地下水所存储的能量后会发生突水问题[3]。当地下水携带有大量泥砂时会形成突泥现象。在隧道施工过程中，发生突水突泥的位置在断层带等一些地质结构较为特殊的区域。这些破碎松散的岩体中含有大量的地下水，为隧道开撑掌子面隔水层的敏感地带。在区域张性断层附近的隧道涌水量更加多。由于岩石承受的突水压力小，使得岩层抗剪强度会在水压力的作用下发生变化，这样在开挖过程中就会形成突水突泥的问题。其中，花岗岩的涌水量通常为0.52～0.6 m3/km，灰岩等涌水量更多[4]。当隧道长度过长时，其单位涌水量也会增加，发生突水突泥地质灾害的可能性就会变大。在隧道开挖过程中，环境因素也会造成隧道的涌水灾害发生，大气降水等使得涌水量大幅度增加。同时，根据岩层组合特征，灰岩在薄层与厚层的中间地带容易发育溶洞，这样就会形成地下水和填充物渗流的通道。岩溶构造在隧道穿过部分时间内发生突泥的现象，在相同的溶洞中突泥的特征也有所不同。

1.2 隧道突水突泥治理方法

1.2.1 地表封闭加固

由于隧洞水体含水量大，流动性强，使用注浆堵水的方法难以达到预期效果[5]。所以运用堵截处理的方式，将地表水补给进行截断，具体见图1。

图1 地下水截引排处理

根据隧洞的地表情况，为了防止地表水渗入形成突水突泥的危害，保证隧洞内施工的安全。需要对地表进行封闭与注浆加固施工。根据隧道突水突泥的情况，首先对隧洞进行清淤。在隧洞外布设排水沟，如果遇到淤泥较多区域需要用塑料袋装土来堆砌止浆墙。这样能保证完成抵御淤泥压力。清理淤泥过程中，按照一定间隔进行分割，并使用泥浆泵按照分段依次清理隧洞淤泥。如果遇到非淤泥区域则选用大块预制石块进行堆砌止浆墙，能够抵抗泥渣压力[6]。在对隧洞地表进行清理过程中，对于泥渣的清理要在距离掌子面15 m 位置停止。在堆砌止浆墙过程中，需要在不同级止浆墙中埋设一定数量的水管来排放积水。同时，制作仰拱至距离掌子面40 m 处。为了能够有效加固，需要对隧道破碎带的围岩进行初期支护。选用C21 注浆锚杆进行横向支护。使用水泥浆进行注浆，设置起始注浆压力为0.75 Mpa。同时，铺设钢筋网，在开挖面上喷射4 cm 砼后进行超前小导管注浆支护。为了能够使得初期支护在短时间内形成钢支撑，可选择使用工字钢进行加强支护。

1.2.2 二次衬砌

在进行支护加固后，通过二次衬砌措施完成施工。首先，结合隧道所处地质构造对水源进行分析。其次，选取合适的隧道断面轮廓。由于围岩条件的不同，初期支护及二次衬砌的厚度也有所变化。所以，需要对衬砌进行设计。具体的隧道复合衬砌设计参数见表1。

表1 衬砌结果设计参数

结合设计数据进行隧洞开挖，根据掌子面最大位移值的变化，对不同工况下的衬砌最小安全厚度进行计算。其计算公式为：

式中：μ为抗拉强度；p 为水压力。在施工现场作业时，根据计算模拟分析，确定临界距离。在隧洞开挖后进行特殊处理。采用横向锚杆对围岩进行加固，适时施工进行二次衬砌，保证突水突泥效果符合标准，实现隧道安全施工。

2 测试与分析

为了验证本文治理方法的有效性，在隧道开挖后，以围岩变化特征为例，对掌子面开挖推进距离在80 m 时的掌子面涌水量结果进行测试。设置4 个小组，其中小组1～3 运用传统方法，小组4 运用本文方法。随着地下水位不断升高，对4 个小组的掌子面涌水量程度进行对比分析，判断在施工中哪种方法能够减少突水突泥现象，达到较好的治理效果。

2.1 工程概况

隧道起始桩号为K15+145～K15+175，两洞中心线间距为25 m，隧道的最大埋深为127 m，由出口进洞开挖。采用喷锚支护的方式衬砌。隧道中的地质主要为变质作用下的混合石英岩，分级为V～IV 级。在洞口与断层中存在导水断层，在隧道开挖时，洞内突水量会增加，洞室开挖中以涌流状出水为主。隧道右线为IV 级围岩，掌子面以强风化为主，同时含有水量较大。整体稳定一般，局部稍有渗水。

结合工程的断层结构特征，分析了地层岩性特征。隧道开挖后，对隧道断层突水突泥进行分类。隧道开挖进入断层带后，应力急剧变化，隧道洞周出现拉应力区增大现象。所以针对这种现象，需要分析隧道开挖穿越断层破碎带过程中，掌子面变化情况，得到在推进过程中的位移分布云图。根据位移场的变化情况，进行监控测量。在推进过程中，地下水的涌水量会增加，隧道开挖至断层带时，隧道渗流速度大幅增加。地下水沿岩体内的裂隙不断渗透，造成隧道岩体失稳。所以需要对隧道的断层破碎带进行相关试验。

2.2 结果与分析

隧道开挖后，在掌子面开挖推进距离为80 m 时，得到4 个小组的掌子面涌水量随地下水位变化结果，具体见图2。

图2 水位埋深掌子面涌水量结果

由测试结果可知，在隧道开挖后，地下水位逐渐升高，4 个测试小组的掌子面涌水量均发生改变。在隧道开挖不断深入达到80 m 时，3 个对照组均在1 300 m3/d 以上，随着水位抬升会增加涌水量，使得隧道稳定性降低，容易发生灾害。而运用本文方法的小组4掌子面涌水量为1 200 m3/d 以下，相同水位引发的渗流产生的涌水量的基本稳定在预期目标范围内，在施工中不容易发生突水灾害。说明运用本文治理方法，能够提升围岩的抗剪轻度，减少发生屈服现象。在水位抬升时能够控制隧道的变形程度，减少涌水量对岩体的冲刷，使其无法形成突水突泥通路，达到良好的治理效果。

综上所述，通过对隧道突水突泥的成因分析，结合本文治理方法能够在隧道施工过程中重视地下水对隧道围岩稳定性的影响，切实有效对隧道涌水量进行控制，防止地下水在裂缝中流动的可能。通过降低渗透性来使得防止断层破碎带内的粘土被水流冲走，加固隧道围岩，减少突水突泥等地质灾害发生风险。结合实际工程项目，通过保持隧道围岩竖向位移，缩小塑性区范围，从围岩稳定性角度能够分析隧道发生突水突泥的成因。在治理过程中需要根据地质材料分析，对治理区域的含水构造进行总结，按照堵排结合的方式进行统一治理，使得隧道工程的安全性得到提升。

结束语

本次研究从隧道问题入手，深入分析地质灾害形成与治理问题，探究了隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法。对隧道地质灾害进行有效监测，从而可以总结出地质灾害形成的特征，减少相关地质灾害对于隧道安全的影响，对周边生态环境有积极作用。通过探测了突水突泥段的地质情况，得到隧道突水突泥的规律特征。但是本文方法中还存在着不足，比如初期支护加固问题，管棚参数设计问题，超前支护施工问题等。今后应更加完善施工，分析了隧道突水突泥的成因，解决了隧道突水突泥处的问题。通过防治方法对水突泥段地质进行实时监测，及时对于该问题进行评价和改善。通过排水降压，围岩稳定性进行监测，对超前管棚支护进行优化，实现对于隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法的良好应用。