隧道泥石流的成因及防治措施研究

2011-05-04王金生

铁道建筑 2011年5期

王金生

(甘肃省路桥建设集团有限公司，兰州 730000)

隧道泥石流又称地下泥石流或坑道泥石流，它是指隧道掘进过程中，遇到断层破碎带、饱和松软围岩、充填岩溶洞穴、侵入岩接触破碎带时引发的泥水混合物突然大规模涌出，是一种具极强破坏力的隧道地质灾害［1-6］。

目前，国内外对隧道泥石流这种新的地质灾害认识不足，现有文献多是对事故过程的叙述。通过分析有关资料，认识到隧道泥石流发生过程是大范围岩体的失稳破坏过程，将其分为孕育、潜伏和发生3个阶段，据此提出了若干预防措施，对认识和预防隧道泥石流这种新的地质灾害具有一定意义。

1 兰渝铁路线泥石流发生情况调查

兰渝铁路由北向南分别经过黄土高原、秦岭高山及四川盆地低山丘陵区三大地貌单元。泥石流是全线危害最严重的不良地质之一，主要分布于岷县境内的洮河两岸、宕昌至武都之间的岷江以及白龙江两岸，以沟谷型为主，泥石流极为发育，基本上是逢沟必有泥石流。据岷县、宕昌、武都及文县的县市地质灾害防治区划及其它当地观测研究资料统计，岷县洮河流域共有148条泥石流沟，宕昌岷江两岸共有177条，武都白龙江流域共有264条，文县共有236条。其中高易发、危害程度大的约有120余条，如角弓、石门、两水附近泥石流沟多次堵塞白龙江。白龙江两岸泥石流分布密度略有差异，北岸较南岸大，且北岸洪积扇发育，迫使河床向南侵蚀迁移。本次方案研究区中对线路有重大影响的大型泥石流具体特征如表1。

表1 方案研究区重大泥石流一览表

2 隧道泥石流形成机理

隧道泥石流表面上表现为泥石流的突然涌现，但实际上是上部大范围岩体由于受多种因素综合影响而引发的突发性失稳破坏。主要影响因素是断层构造、压力水、岩层条件和施工方法。断层构造越复杂，范围越大，越容易引发隧道泥石流，泥石流规模也越大;压力水水压越大，水量越大，越能促发泥石流，使泥石流发生越早;松动区岩体强度越低，越容易发生隧道泥石流;施工方法可以促进泥石流形成，也可以阻碍其形成。

隧道泥石流是大范围内岩体的突发性失稳破坏，而这一失稳破坏经过了较长时期的孕育发展，所以它表现为明显的阶段性。根据现场资料，经分析研究，它可以分为以下三个阶段。

1)孕育阶段。这一阶段以隧道出现涌水，发生最初的冒顶坍方为起点。压力水先是将断层破碎带内沉积物、泥质充填物冲刷带出，所以这一阶段开始，涌水浊而且混。此时若不能控制围岩，其冒顶次数和规模都将增大，导致冒顶部位上覆岩体松动范围越来越大，涌水量将因此增大。涌水带出充填物又加剧了松动岩体的形成，如此恶性循环。到本阶段末，冒顶部位已形成较大范围的松动区，涌水也逐渐变清。

2)潜伏阶段。从上一阶段开始，压力水冲刷下的泥质、黏土质充填物就不断在隧道支护顶部沉积形成松动区。由于自重作用而下移，又使下部破碎岩体与沉积物逐渐压实，厚度增加，在支护上部形成密实的保护层，该保护层阻挡了压力水涌出，所以这一阶段涌水量逐渐减小，水质逐渐变清，有时候压力水会因此而改道，表现为隧道出水点转移。

沉积保护层的加厚和硬化加剧了上部松动区的活动，压力水的滞留积存和改道使大范围的破碎带岩体成为松动区，向周围扩展。

松动区岩体由于自身强度低，在自重应力和围岩压力作用下有向下运动的趋势，若有构造应力作用，会更加剧这一运动趋势。但由于其下部有沉积保护层顶托，在一定时期内不会垮落，保持上部松动区岩体的应力平衡。所以这一阶段没有冒顶塌方，表面上是稳定的，但实际上是一触即发，这些现象都预示着泥石流即将发生。

3)发生阶段。随着松动区范围不断扩大，隧道顶部沉积保护层所承受的应力越来越大，但其强度有限，当松动区范围增至最大，向下地应力大于保护层强度，即导致保护层下移，将部分应力转嫁给隧道支护。这时(泥石流发生前1～2 h内)支护上承受的应力开始明显增大。随着松动区缓慢下移，作用在保护层和支护上的应力不断增大，最终超过其强度，保护层与支护突然完全被破坏，松动区岩体立即失去其原有的应力平衡。瞬间，大量的水、碎石和泥质充填物的混合物凭借强大的势能，从破坏口突然涌出，滚滚冲击隧道，这时就发生了隧道泥石流事故。

上述泥石流形成过程只是一般性的，具体隧道泥石流形成的过程，由于影响因素的差别，会各具特点。

3 泥石流形成条件分析

3.1 地形地貌

研究区位于秦岭高中山区，由西秦岭、岷山、摩天岭及龙门山高中山区等次一级地貌单元组成，高程多在1 500～3 000 m，相对高差600～1 200 m。对工作区域内泥石流沟调查统计表明，在泥石流分布密集区，一般坡度＞30°的山坡约占坡地总面积的1/4。泥石流沟谷平均山坡坡度＞30°的沟道占总数的60%以上，沟域冲沟发育，多深切，切割深度一般为3～14 m，沟床纵比降为15% ～45%。两岸斜坡上纹沟、细沟众多，支流短促，水系呈扇状向主流汇集，为泥石流的形成提供了有利的地形条件。

3.2 地层岩性

泥石流发育区地层的分布主要受构造控制，从元古界至新生界均有出露，岩性复杂多样。秦岭高中山区震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及侏罗系地层均有出露。岩性以砂岩、泥岩、灰岩等沉积岩及千枚岩、板岩等中浅变质岩为主，伴有各期岩浆岩侵入体，岩性以花岗岩、闪长岩、花岗斑岩为主。这些岩层软弱不均，长期受构造运动作用和气候的影响，节理发育，多破碎，风化层较厚。而且第四系松散堆积物广泛分布于各沟谷及大型不良地质体，如滑坡、崩塌等分布区，成份以粗粒土为主，都为泥石流的发生提供了有力的固体物质储备。

3.3 地质构造

调查统计表明，在其它构造体系基础上生成改造的构造体系段落内，泥石流的分布密度要高于其它构造体系段落的分布。秦岭—昆仑纬向构造体系在线路通过范围，被后期的山字形、歹字形及帚状构造体系完全地改造、复合、归并。其泥石流分布密度达到每公里0.52条，而未被其它构造体系改造过的华夏构造体系内仅出现一处滑坡，滑坡密度每公里0.02条，充分表明了复杂构造体系对不良地质体分布的控制作用。不同应力方向反复的改造、复合、归并作用，致使该段长大节理裂隙发育，断裂、节理、岩层相互切割造成岩体破碎，从而为滑坡、岩堆、崩塌等类型的不良地质体的形成提供了大量的物质基础和外部环境。沟道中松散堆积物储备丰富，为泥石流的发生规模和强度提供源源不断的补给。

3.4 水文地质特征

兰渝线沿途横跨黄河、长江两大水系的分水岭。黄河水系主要为洮河及其支流，长江水系主要为岷江、白龙江、白水江、嘉陵江及其支流。各河流均为常年流水，受大气降水补给，水面为当地的侵蚀基准面。秦岭高中山区具有独特的山区性气候，降雨量充沛，降雨一般为历时短、强度大的区间性大暴雨，地下水水量丰富。

3.5 人类活动与植被条件

泥石流多发山区植被相对稀少，多以灌木和低矮树木为主。山区耕地的粗放式经营管理和植被的逐年滥砍滥伐，是造成泥石流灾害发生的一个重要人为原因。山区陡坡耕地的扩大和荒废，常常造成基岩裸露、植被灭绝的状况，并可能引起坡面发生局部的滑动和坍塌，在沟内形成碎屑堆积物。在坡面水土流失的过程中，不仅为泥石流的发育带来大量的松散固体物质，而且因坡度大，在暴雨中产生暴起暴落的强大沟谷径流，为泥石流的形成提供水动力条件。

4 防治措施

4.1 泥石流的预防

在地质勘察阶段，察明地质情况为判断泥石流发生的可能性提供依据。通过地质手段若发现有破碎带夹杂大量断层泥，其中块状物少于70%，同时具有较高的地下水水位，则说明此时已具备泥石流发生的条件。在设计及施工中应引起高度重视并采取相应措施防止泥石流的发生。由于地质勘察往往不能很详尽，特别是对一些小断层及地下囊状风化体等，坚持打超前钻孔，采用超声波、探孔渗水状况分析等方法及时发现前方的地质变化，预报泥石流发生的可能性。在泥石流可能产生的地段若要阻止其发生，必须(局部)改变其自然条件，即人为控制含有大量细微颗粒的岩层破碎带、高水头承压地下水的涌出［7］。

认清隧道泥石流形成机理，就可以从其影响因素入手，根据实际情况，采取相应预防措施。