代峪

（中鐵十一局集團有限公司，武漢　430061）

云霧山隧道巖溶災(zāi)害綜合預(yù)防技術(shù)及其應(yīng)用

代峪

（中鐵十一局集團有限公司，武漢430061）

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復雜，在隧道施工過程中易發(fā)生涌水、涌泥、塌方等災(zāi)害。針對地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探、地下水監(jiān)測等單項技術(shù)在巖溶災(zāi)害風險預(yù)測方面的不足，根據(jù)溶洞與開挖面的位置關(guān)系、補給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、埋深、圍巖級別這5個主要的致災(zāi)因子，提出巖溶隧道災(zāi)害風險預(yù)測模型。對5個致災(zāi)因素監(jiān)測結(jié)果進行分析，得出災(zāi)害風險等級，并據(jù)此提出防災(zāi)預(yù)案和擬定工程措施，以提高巖溶隧道施工安全性。

隧道；巖溶；災(zāi)害預(yù)測；風險

我國巖溶面積占國土的三分之一，是巖溶分布極廣的國家之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多長大隧道在巖溶地區(qū)規(guī)劃修建。由于巖溶地區(qū)地質(zhì)復雜，故隧道修建過程中易發(fā)生涌水、涌泥、塌方等災(zāi)害，輕者造成設(shè)備破壞，重者造成人員傷亡。一些學者對我國已建和在建的31座巖溶隧道進行的統(tǒng)計表明，發(fā)生過較大涌水災(zāi)害的隧道有15座，出現(xiàn)突泥涌沙災(zāi)害的隧道有8座，出現(xiàn)地表塌陷災(zāi)害的隧道有5座，災(zāi)害發(fā)生頻率較高［1］。

目前，國內(nèi)對巖溶隧道災(zāi)變機制研究較少，巖溶地區(qū)隧道設(shè)計、施工相關(guān)標準規(guī)范還不夠完善。趙明階等［2］通過相似模擬試驗，分析了不同位置、不同距離溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響。張旭東等［3］結(jié)合宜萬鐵路馬鹿箐隧道巖溶潰水的工程實際，對深部巖溶隧道潰水成災(zāi)機理及其工程處治技術(shù)進行了研究。李術(shù)才等［4］對巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報進行了研究。

巖溶隧道災(zāi)害具有突發(fā)性強、影響范圍大、演變速度快等特點，一旦發(fā)生很快就可能造成嚴重后果［5］?，F(xiàn)有研究多側(cè)重于發(fā)生災(zāi)害后如何快速有效地處治，對災(zāi)害發(fā)生的可能性預(yù)測研究較少，且多數(shù)災(zāi)害預(yù)測研究傾向于單項預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用，預(yù)測結(jié)果受技術(shù)人員水平和測量精度等因素影響，存在準確度偏低、反饋滯后等問題，難以對施工進行及時有效的指導。本文結(jié)合工程實例，對導致巖溶災(zāi)害發(fā)生的主要致災(zāi)因子提出巖溶隧道災(zāi)害風險預(yù)測模型，并對單項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，從而得出災(zāi)害風險等級，以使施工中規(guī)避或減小災(zāi)害發(fā)生的可能性。

1　云霧山隧道巖溶災(zāi)害致災(zāi)因子分析

渝遂高速公路云霧山隧道為雙向4車道長隧道。該隧道長3.58 km，寬10.5 m，高7.4 m。巖溶段長450 m，埋深約20 m，全段橫穿瀝鼻峽背斜軸部，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重。地表河流與隧道軸線不足100 m，一些支流與隧道軸線交叉。該段圍巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶十分發(fā)育，巖溶管道與巖石裂隙形成大量地下水通道［6］。施工過程中，左線掘進至YK40+466處實施出渣及工作面清理時，上、中導坑左下側(cè)發(fā)生掉塊，并逐步露出直徑約1.2 m的溶洞。上導坑扒渣時，溶洞發(fā)生一次性較短時間涌泥，泥漿內(nèi)包裹著灰?guī)r碎塊，在隧道內(nèi)形成長約40 m，體積約500 m3的涌泥帶。另外，地表以白沙河支流為中心，出現(xiàn)一直徑約14 m、深約15 m的直筒型塌陷區(qū)，致使白沙河支流斷流，河水全部涌入塌陷區(qū)內(nèi)。隨著塌陷區(qū)土體飽和并壓垮隧道初期支護結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)出現(xiàn)二次坍塌，坍塌體與地表聯(lián)通，洞內(nèi)涌泥帶擴大到100 m，涌泥量約20 300 m3，地表沉陷區(qū)直徑擴大到35 m，成漏斗狀開口，見圖1。災(zāi)害導致鉆孔臺車和出渣運輸車輛被埋，地表房屋開裂［7］。對災(zāi)害誘因進行了分析，發(fā)現(xiàn)施工開挖是巖溶隧道災(zāi)害最根本的誘因，即外部致災(zāi)因子，而地面地下補給水源豐富，巖溶發(fā)育程度高、規(guī)模大，隧道埋深淺、地質(zhì)狀況差是災(zāi)害發(fā)生及擴大的其他主要致災(zāi)因子［8］。

圖1　云霧山隧道災(zāi)害類型

2　單項技術(shù)在巖溶災(zāi)害預(yù)測中的缺陷

為減少施工過程中災(zāi)害發(fā)生頻率，通常在隧道設(shè)計階段已進行了詳細地質(zhì)勘查，施工階段也進行了監(jiān)控量測。但由于巖溶地質(zhì)的特殊性和復雜性，現(xiàn)有地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探、地下水監(jiān)測等主要技術(shù)手段由于側(cè)重點不同，在巖溶災(zāi)害預(yù)測方面僅能獲得某些方面的數(shù)據(jù)結(jié)果，不能對巖溶災(zāi)害發(fā)生風險等級和位置作出較為準確的判斷。這也是在有各種監(jiān)測手段的情況下，巖溶隧道施工仍然容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的一個重要原因。

2.1詳細地質(zhì)勘探

詳細地質(zhì)勘探的目的是提供設(shè)計所需的工程地質(zhì)條件和各項技術(shù)參數(shù)，對建筑結(jié)構(gòu)的承載基體作出巖土工程評價，為不良地質(zhì)防治方案等作出論證和結(jié)論?？辈熘饕侄我钥碧?、原位測試和室內(nèi)土工試驗為主，必要時需補充地球物理勘探、工程地質(zhì)測繪和調(diào)查。詳細地質(zhì)勘探報告是設(shè)計和施工的重要依據(jù)，但巖溶地區(qū)多處于山嶺重丘區(qū)域，對于能夠直接了解巖溶發(fā)育和地下水富集情況的鉆探，由于受地勢落差較大和經(jīng)濟等因素影響，很難將探孔間距布置得足夠密，因此對溶洞位置和巖溶發(fā)育情況的判斷難以詳盡。

2.2施工監(jiān)控量測

施工監(jiān)控量測可為評價施工方法的可行性、設(shè)計參數(shù)的合理性以及了解圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力和變形特性等提供準確及時的驗證，對隧道2次襯砌的施作時間具有決定性意義［9］。在巖溶地質(zhì)條件下，地質(zhì)情況變化較大，水平位移、拱頂下沉以及地表沉降等監(jiān)測項目的測量結(jié)果受技術(shù)人員水平影響較大，易出現(xiàn)關(guān)鍵部位漏點的情況。另外，測量時初期支護已經(jīng)完成，故對災(zāi)害預(yù)測有滯后性。

2.3超前地質(zhì)預(yù)報（TSP）

超前地質(zhì)預(yù)報（TSP）的原理是利用排列方式在巖體內(nèi)激發(fā)彈性波。彈性波在向三維空間傳播過程中，遇到聲阻抗界面，P波可以穿過各種介質(zhì)，而SH波、SV波卻只能穿過固體介質(zhì)，不能穿過液體介質(zhì)，因此SH波、SV波解譯圖上就會存在一些異常區(qū)，而對異常區(qū)進行分析便可以判斷巖溶構(gòu)造位置。超前地質(zhì)預(yù)報能預(yù)判前方100～150 m溶洞的大致位置，但判斷結(jié)果受技術(shù)人員經(jīng)驗等因素影響較大，且與實際的地質(zhì)構(gòu)造情況也可能存在誤差。

2.4超前鉆探

超前鉆探是利用超前地質(zhì)鉆桿在隧道施工的掌子面若干部位進行鉆探，并依據(jù)鉆桿內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及水文地質(zhì)來判定前方圍巖的性質(zhì)。超前鉆探可直接了解前方的地質(zhì)情況，但預(yù)測長度較短，范圍限于掘進區(qū)域。

2.5地下水監(jiān)測

地下水監(jiān)測時，通常利用高精度水流速度儀來監(jiān)測隧道涌水量的變化。地下水監(jiān)測只能了解隧道開挖過程中水量的變化，并根據(jù)水量變化對災(zāi)害發(fā)生的可能性進行分析。

3　巖溶隧道災(zāi)害風險預(yù)測模型

巖溶隧道災(zāi)害發(fā)生概率和危害程度主要受施工開挖（溶洞與開挖面的位置關(guān)系）、補給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、隧道埋深、圍巖級別這5個主要致災(zāi)因子的影響，致災(zāi)因子的量級決定了災(zāi)害發(fā)生的損失程度和概率。災(zāi)害風險預(yù)測時，可由致災(zāi)因子的量級確定損失程度C和發(fā)生概率P，根據(jù)風險數(shù)學表達式R=f（p，c），得到巖溶隧道風險程度的數(shù)學模型［10］：

式中：R為災(zāi)害風險值；Ci為第i種致災(zāi)因子的損失程度；Pi為第i種致災(zāi)因子的發(fā)生概率。

依據(jù)隧道設(shè)計施工技術(shù)規(guī)范和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果［11-13］可將致災(zāi)因子的量級劃分為5個等級，每個量級對應(yīng)不同的損失程度和發(fā)生概率評分。將評分結(jié)果代入巖溶隧道風險程度數(shù)學模型，可計算出災(zāi)害風險值。根據(jù)風險值的大小，將災(zāi)害風險等級劃分為低度、中度、高度和極高4等，分別見表1、表2。對于不同風險等級可采取相對應(yīng)的技術(shù)措施，以降低實際施工風險發(fā)生概率。

表1　巖溶隧道致災(zāi)因子損失程度和發(fā)生概率評價

表2　巖溶隧道風險等級標準

4　綜合預(yù)測方法在巖溶隧道中的應(yīng)用實例

綜合預(yù)測是利用詳細地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探、地下水監(jiān)測等技術(shù)方法，對溶洞與開挖面的位置關(guān)系、補給水源、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、埋深、地質(zhì)狀況這5個主要致災(zāi)因子進行監(jiān)測，以獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷風險等級。利用詳細地質(zhì)勘探、超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探數(shù)據(jù)綜合分析可得到溶洞與開挖面位置關(guān)系、巖溶發(fā)育程度及規(guī)模、隧道埋深、圍巖級別數(shù)據(jù)，地下水監(jiān)測可以得到補給水源數(shù)據(jù)，監(jiān)控量測可以判斷超前支護和初期支護施工后圍巖的穩(wěn)定性。綜合預(yù)測有效地避免了單項技術(shù)的不足，提高了預(yù)測結(jié)果的準確性。

表3　云霧山隧道K40+533～K40+420段圍巖參數(shù)

云霧山隧道左線ZK40+533～ZK40+420段地質(zhì)詳勘報告將該段圍巖判斷為三疊系灰色-黃褐色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，巖石呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，完整性極差，圍巖級別為Ⅳ級，其巖性參數(shù)見表3。當掘進至ZK40+533時，為更加準確地了解掘進前方巖溶狀況，采用TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進行測試，結(jié)果顯示ZK40+490～ZK40+470段預(yù)測為Ⅴ級圍巖，通過SH波速度掃描結(jié)果預(yù)測在ZK40+474左右上方有一充填有大量黃褐色富水軟泥的巖溶腔。掘進至ZK40+490處后，從地下水流量監(jiān)測記錄可知，地下水流量由常態(tài)的200～600 m3/d變化為1 200～2 600 m3/d，見圖2。對拱頂、兩側(cè)拱腰和拱腳處5個孔位進行了超前鉆探取芯分析，發(fā)現(xiàn)在ZK40+476～475左側(cè)拱腰處溶洞與隧道斷面相交，溶腔內(nèi)包裹有軟泥及灰?guī)r塊。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報、詳細地質(zhì)勘探、超前鉆探和地下水監(jiān)測結(jié)果，可以確定云霧山隧道5項致災(zāi)因子的量級，且通過對應(yīng)的損失程度和發(fā)生概率評分，計算得到災(zāi)害風險值R為89，災(zāi)害發(fā)生等級為極高。施工過程中，根據(jù)風險等級，在掘進到預(yù)測點前5 m處，采用3臺階法開挖，并用5 m超前小導管注漿固結(jié)前方開挖面，且將初期支護結(jié)構(gòu)加強為鋼拱架。將實際揭露情況與預(yù)測結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)溶洞位置與實際情況吻合。由于采取了超前小導管注漿措施，溶腔內(nèi)泥漿得到固結(jié)，故溶洞揭穿后僅發(fā)生了少量掉塊，且超前小導管穿過兩側(cè)溶腔，對開挖面也起到保護作用。初期支護完成后，在ZK40+ 476處布置水平收斂和拱頂下沉測點，經(jīng)過39 d監(jiān)控量測，最終水平收斂值達到53.46 mm，拱頂下沉值達到55.08 mm，圍巖收斂趨于穩(wěn)定，見圖3。云霧山隧道施工過程中，通過實施巖溶災(zāi)害綜合預(yù)測，對可能發(fā)生的災(zāi)害提前采取了應(yīng)對措施，成功降低了巖溶災(zāi)害發(fā)生風險。

圖2　地下水流量監(jiān)測記錄

圖3　ZK40+476水平收斂和拱頂下沉曲線

5　結(jié)論

1）基于巖溶致災(zāi)因子發(fā)生概率和損失程度建立巖溶隧道災(zāi)害預(yù)測數(shù)學模型，并通過多種監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測巖溶災(zāi)害發(fā)生的風險等級，可有效避免單項監(jiān)測技術(shù)受技術(shù)條件和人員水平等因素影響出現(xiàn)的誤差，提高預(yù)測結(jié)果的可靠性。

2）通過云霧山隧道工程施工實例證明，采用巖溶綜合災(zāi)害預(yù)防技術(shù)，能準確計算出巖溶災(zāi)害發(fā)生等級，并基于此采取相應(yīng)的技術(shù)措施，可有效降低隧道重大災(zāi)害事故發(fā)生風險。

3）現(xiàn)有隧道施工和設(shè)計規(guī)范僅對巖溶隧道設(shè)計施工在地質(zhì)勘探和監(jiān)控量測方面有部分強制性要求，因此，鑒于巖溶地質(zhì)的復雜性和嚴重性，筆者建議還應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆探和地下水監(jiān)測等預(yù)測手段納入相應(yīng)的設(shè)計施工強制性規(guī)范中，以提高巖溶隧道風險的綜合判斷水平。

［1］李奎.隧道巖溶圍巖力學特性初步研究［D］.成都：西南交通大學，2002.

［2］趙明階，敖建華，劉緒華，等.巖溶尺寸對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（2）：213-217.

［3］張旭東.深部巖溶隧道潰水災(zāi)害特征分析及形成機理研究［J］.工業(yè)建筑，2011，41（4）：79-84.

［4］李術(shù)才，薛翊國，張慶松，等.高風險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（7）：1297-1307.

［5］張朋.云霧山隧道淺埋巖溶段地質(zhì)災(zāi)害研究［D］.重慶：重慶大學，2007.

［6］重慶南江地質(zhì)工程勘察院.渝遂高速公路（重慶市境）云霧山隧道工程地質(zhì)詳細勘查報告［R］.重慶：重慶南江地質(zhì)工程勘察院，2004.

［7］代峪.云霧山隧道突泥災(zāi)害工程地質(zhì)特征與防治［J］.鐵道建筑，2009（10）：33-35.

［8］康勇，楊春，張朋.淺埋巖溶隧道災(zāi)變機制及其防治［J］.巖石力學與工程學報，2010（1）：149-154.

［9］ 李曉紅.隧道新奧法及其監(jiān)控量測技術(shù)［M］.北京：科學出版社，2002.

［10］李繼偉，李偉，程五一.建設(shè)工程重大危險源界定和辨識標準研究［J］.中國安全科學學報，2009（8）：159-164.

［11］歐陽文忠.巖溶地質(zhì)［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［12］徐則民，黃潤秋，王士天.隧道的埋深劃分［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2000（4）：5-10.

［13］重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)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，重慶市人，本科，高工。