象山隧道岩溶突水涌泥原因分析及处理措施

颜志伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

象山隧道岩溶突水涌泥原因分析及处理措施

颜志伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

龙厦铁路象山隧道施工中，右线隧道距离进口4 468 m处的掌子面(YDK24+158)发生了大规模、长时间的突水、涌泥，导致地表发生大范围的沉降、塌陷，出现了典型的岩溶地下水突出所引发的地质灾害。结合象山隧道工程地质、水文地质条件，对隧道岩溶突水涌泥原因进行分析，结论是:本隧道具备了发生岩溶突水地质灾害的典型地层特征。为此，借鉴国内岩溶隧道设计施工经验，结合本隧道的地形地质条件，提出在隧道洞身地表相应位置设置深孔，通过深孔进行投料、注浆的方法，封堵掌子面溃口、加固溶腔内的充填物，同时在洞内掌子面进行帷幕注浆、设置高位支洞排水等综合处理措施，达到了预期效果。

深埋隧道;岩溶突水;反坡排水;深孔封堵;帷幕注浆

1 工程概述

象山隧道是龙厦铁路全线最长的隧道，由2条并行的单线隧道组成，左、右隧道线间距30 m。其中左线隧道长15 898 m，右线隧道长15 917 m。右线隧道进、出口里程分别为 YDK19+690、YDK35+607。隧道纵坡为11‰左右的单面下坡，最大埋深830 m，隧道设有5座斜井。1号、2号、3号、4号、5号斜井与正洞的交点里程分别为YDK22+455，YDK25+000，YDK28+230，DK29+750(左线)，YDK34+800，斜井长度分别在500～900 m，其中1号、5号斜井采用无轨运输，2 号、3 号、4 号斜井采用有轨运输［1］。

隧道施工中，1号斜井工区正洞右线掌子面YDK24+158处发生了大规模的突水、涌泥，导致隧道洞内左、右线被淹没长度共约8.5 km，地表出现大范围沉降、塌陷，沉降影响区约0.3 km2，出现了典型的因岩溶地下水突出所引发的地质灾害。

发生突水后，隧道进度主要受控于1～2号、4～5号斜井之间未开挖地段的施工。全隧道平面布置及隧道内积水情况，详见图1。

图1 象山隧道平面布置及洞内积水平面示意

2 地形地貌、工程地质及水文地质

2.1 地形地貌

1号斜井与2号斜井之间的隧道，洞身(YDK23+850～YDK24+920)地表为山间谷地，属半封闭溶蚀洼地，地形较平坦，是九龙江北溪的发源地，年降雨量丰富，地表水发育。该段隧道埋深约150 m，地表为龙岩市适中镇新祠村，民房、学校、工厂、高速公路等散布其间。

2.2 工程地质

该段地层复杂，主要有石炭系下统林地组(C1l)、二迭系下统童子岩组(P1t)、上统翠屏山组(P2CP)和大隆组(Pd2)、三迭系下统溪口组(T1X)、上统大坑组(T3d)、文宾山组(T3W)、侏罗系下统梨山组(J1l)地层，以及燕山早期(γ52(3)C)黑云母花岗岩和燕山晚期(γ5

3(1)b)中细粒花岗斑岩等侵入岩地层。此外，零星分布有第四系冲洪积和坡残积层。三迭系下统溪口组(T1x)为厚层状灰岩，灰岩岩面起伏较大，岩溶强烈发育，溶洞多充填，充填物为流塑状黏性土、砂和风化的岩石碎块。

2.3 水文地质

工程区域地下水类型有:第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩区的裂隙水、碳酸盐岩区的岩溶水。山区高地及山地槽谷等为地下岩溶水的补给区，岩溶水主要为岩溶裂隙水、岩溶管道水。岩溶溶洞、溶腔、溶沟、溶槽、管道相互连通，形成一个巨大的储水构造。

在接触带灰岩岩溶发育，同时洼地灰岩岩体上覆第四系冲洪积和坡残积含砾(碎)石粉质黏土及圆砾土等松散土体，其赋水性良好，水量丰富，渗透性能好，成为地下水与地表水体的良好连通渠道，从而使岩溶水、第四系松散岩类孔隙水和地表水形成一个统一的水体。象山隧道施工前预测正常涌水量为23 491 m3/d，最大涌水量为51 560 m3/d［1］。

3 隧道主要突水过程

2009年12月23日，象山隧道1号斜井右洞出口掌子面施工至YDK24+158，在进行下台阶YDK24+154.2左侧初期支护喷射混凝土时掌子面及后方初期支护拱架出现开裂、掉块现象，并发展为坍方、涌水，坍塌约600 m3，涌水量约200 m3/h。12月23日晚，现场在进行洞碴回填过程中掌子面涌水量突然增加至约800 m3/h并持续增加，由于短期涌水量过大(最大时达7 300 m3/h)，且隧道为反坡排水，发生突水后，机械抽排不及，临时泵站抽水机和变压器等设备被淹没，排水系统陷入瘫痪。

为了控制隧道排水量，防止地表塌陷的进一步扩展，首先在洞内DK22+614处设置沙袋堵水墙堵水，由于水位上涨过快，未能成功。堵水失败后，采取在隧道进口YDK20+026处及1号斜井内，设置混凝土堵水墙方案，将涌水封堵于YDK20+026至YDK24+158(DK20+026至 DK24+121)之间的隧道洞身及1号斜井内。这次大规模的突水涌泥，加剧了原有地表裂缝的发展和地表建筑物和路面的破坏，引起了大规模的地面沉降和房屋开裂。

在隧道排水过程中，又发生了2次大的涌水:2010年9月22日，YDK24+158处溃口涌水量突然增大(约3 600 m3/h)、因抽排不及，涌水面回淹至DK23+310处(距左线掌子面811 m)。

2010年10月8日，左右洞移动泵站追排至DK23+600(YDK23+565)附近时，溃口处再次发生突水，使隧道积水又往进口方向后移325 m。

4 隧道突水原因

发生突水之后，对本段隧道的地质情况进行了详细的补充勘探，对岩溶溶腔的发育形态进行了探测。结果表明，1号斜井与2号斜井之间未开挖段，上部第四系地层为厚10～100 m的粉质黏土和砂卵石层，下部灰岩岩面起伏较大，岩溶强烈发育，表现为串珠状溶洞，高度20～80 m，溶洞多充填，充填物为黏土、砂和风化的岩石碎块。

YDK24+150～YDK24+200段发育一大规模的溶腔，溶腔高度在洞身以上约50 m至隧底以下约5 m，洞内充填物以软塑黏性土、含角砾黏性土为主，局部有少许砂岩、灰岩碎块，隧道穿过的溶腔属深埋、富水、大型充填型溶腔［2］。YDK24+255～YDK24+261段为三迭系下统溪口组粉砂岩，强风化，风化呈红色，岩体整体破碎，地下水发育，含黄色泥、沙。该段隧道地质纵断面详见图2。

图2 YDK23+970～YDK24+320段隧道地质纵断面

由此可见，该段具备发生岩溶突水地质灾害的典型地层特征［3，4］。当隧道施工开挖穿过岩溶溶腔充填物、且地下水水压大时，因施工超前预注浆加固存在一定的薄弱环节，导致掌子面局部出现渗漏水，引发初期支护出现开裂、掉块现象，并发展为坍方、涌水，最后导致了突水涌泥、淹没已施工段隧道、斜井。引起隧道上方地下水位急剧下降，造成地表土体发生不均匀沉降，导致房屋开裂、地表塌陷等地质灾害的发生。通过观测，地表最大沉降量达566 mm。最后，不得不将整个村庄进行搬迁。

5 岩溶突水的处理措施

本隧道岩溶突水的特点是:隧道埋深大、水压高，隧道施工掌子面为反坡排水，突水后隧道内积水段落距掌子面长达4.1 km。

利用挡水墙将突水封堵在隧道内后，经过一段时间的抽排，水位下降不明显，主要原因是地下水补给充足。若加大排水力度，势必会导致溶腔充填物及地下水的大量流失，引起地表进一步塌陷、危及隧道安全。

经过长时间对地下水涌出规律的观察及地表塌陷区的发展规律分析，经多方案研究、比选，决定采取措施封堵掌子面溃口、稳定溶腔内的充填物、控制地下水的涌出量［5］;同时加强地表巡查、及时处理地表出现的塌穴，做好地表水的疏排处理。并采用综合超前地质预测预报手段，随时掌握隧道周边岩溶地下水的发育情况及预注浆效果［6，7］。

由于隧道埋深达150 m，掌子面水压达1.3～1.5 MPa，如何封堵溃口、降低水压是施工的关键。根据本隧道岩溶突水的具体情况，采取了“封堵溃口、排水降压、注浆加固、结构加强”的处理原则［8，9］。同时尽快完成2号至3号斜井之间、3号至4号斜井之间、4号至5号斜井之间剩余隧道的开挖衬砌工作，争取尽快满足隧道顺坡自然排水条件。

5.1 地表钻深孔，投料、注浆封堵溃口

发生突水后，推测YDK24+150～YDK24+165段隧道顶部溶洞充填物松动高度最大约27 m。

在发生突水的右洞溃口地表，钻7个深约150 m、孔径φ108 mm的钻孔，从地表向洞内溃口处投放碎石，以充填溃口、挤密溶腔充填物，于YDK24+158附近形成临时止水塞封堵溃口，达到“透水不透泥”的效果。另设置9个注浆加固孔对溃口前后隧道洞身范围进行注浆加固，注浆范围纵向30 m(YDK24+160至YDK24+190)、横向10 m(右线中线两侧各5 m)、竖向拱顶以上20 m。采取分段下行式注浆，注浆孔孔间距5 m。投料孔及注浆孔的布置详见图3。

图3 地表投料注浆孔平面布置示意(单位:m)

注浆封堵要求达到控制地下水的排泄量，实现限量排放、控制水压的目的。实测证实，溃口前方水压降低、水量减少，后期溃口总出水量稳定在350～400 m3/h。分析认为;通过投料注浆封堵后，溶腔填充物基本固结稳定。随着时间的推移，地下水逐步回归原有的排泄通道、达到了新的动态平衡。

5.2 抽排洞内积水、恢复1号斜井左线施工

封堵溃口、控制出水量后，采用大功率抽水设备将隧道内积水从隧道进口及1号斜井抽出，使隧道内水位稳定在比YDK24+158溃口处隧道拱顶低2.9 m左右。然后封闭9号横通道，确保左线施工安全。之后进行左线隧道清淤，恢复1号斜井左线出口掌子面施工。

5.3 洞内排水降压、注浆加固

5.3.1 排水降压

恢复1号斜井左线施工后，在1号斜井左线DK24+110(对应右线里程YDK24+137)附近边墙向溃口钻孔排水、在2号斜井左线DK24+160附近边墙向溃口钻孔排水。泄水孔钻至溃口处拱顶10 m以上位置，保证排水畅通、满足减压要求。减压标准为:注浆施工期间要保证水压小于0.5 MPa，开挖时要保证水压小于0.3 MPa。

在左线隧道DK24+121处(对应右线里程YDK24+148)拱部向右线隧道方向开挖长约21 m的高位支洞(详见图4)，高位支洞尽量上抬、靠近右洞。通过高位支洞对溃口进行探测，探清溃口处溶洞的边界，同时在高位支洞封堵墙内对右线溃口进行注浆加固;注浆后在高位支洞内布置多方位泄水孔，对溃口段实施排水(详见图5)，防止水压上升、危及施工安全。

图4 高位支洞平面布置示意

图5 高位支洞泄水孔、注浆孔布置

5.3.2 注浆加固

1号斜井与2号斜井之间剩余隧道段，采用“一次注浆段长25 m、加固圈厚8 m”的全断面预注浆方案，每开挖循环预留7～8 m厚的止浆墙。

1号斜井右洞清淤至YDK24+145附近后，迅速设置封堵墙，进行注浆加固和管棚支护。并利用1号斜井左线掌子面，向右侧YDK24+158溃口方向进行钻孔注浆，加固左右线间土体［10］。

1号斜井与2号斜井之间的岩溶溃口核心部位31 m(YDK24+174～YDK24+143)留待最后贯通，为了提高溃口注浆效果，采取两端夹击注浆:2号斜井注浆段为YDK24+174～YDK24+149，纵向长度25 m，1号斜井超前注浆段为YDK24+143～YDK24+160，纵向长17 m，中间搭接区域长11 m(YDK24+149～YDK24+160)(图6)。最后，由2号斜井方向施工，完成右线溃口段的施工。

图6 溃口处封堵、注浆加固纵剖面

5.4 隧道结构加强

(1)1号斜井与2号斜井间未开挖地段，围岩级别由原设计的Ⅲ、Ⅳ级变更为Ⅴ级，采用8 m超前帷幕注浆加固。一个循环注浆单元长度20～25 m，一个循环注浆开挖单元长度13～18 m。

(2)拱、墙部位设置φ108 mm管棚(带钢筋笼)+φ42 mm小导管联合超前注浆预支护。隧道基底设置φ89 mm钢管桩注浆加固。衬砌结构受溶洞及岩溶水影响的部位，开挖后设置径向小导管，进行二次补充注浆，加固土体，提高承载力，降低其渗透系数，确保施工及结构安全。

(3)溶腔段初期支护采用30 cm+30 cm双层C25喷钢钎维混凝土，外层设置HW200钢架，内层设置I20a钢架加强，并及早封闭成环。

(4)考虑大规模充填物及水压的影响，二次衬砌采用抗水压衬砌，采用厚度110～130 cm的C35钢筋混凝土，且紧跟开挖面。

6 结语

(1)岩溶发育的深埋隧道，易发生大规模的突水突泥等地质灾害，施工中应按Ⅰ级风险隧道进行建设管理。一方面要采取综合地质勘探手段，结合洞内超前地质预测预报工作，相互验证;对存在的岩溶突水突泥隐患尽早发现、及时处理，防止形成大的地质灾害。另一方面，各反坡排水施工工区应配备足够的抽排水设备，并制定安全应急预案，稳扎稳打，步步为营，确保洞内、外的施工安全。

(2)深埋岩溶隧道发生突水后，必须采取堵、排结合的处理措施。由于隧道开挖引起的突水涌泥，将改变地下水原有的排泄通道，同时由于泥沙的排出，会形成新的地下水排放通道、加剧地表水的下渗，因此应采取综合处理措施:地表河流沟谷进行封堵加固，减少地表河水的下渗;洞内采取适当的封堵措施、控制地下水的排泄量。

(3)深埋岩溶隧道发生突水后，其治理过程将十分复杂、漫长，并且可能有一个反复的过程。关键是要查明其岩溶发育形态、地下水的补给路径，摸索、制定出有针对性的处理措施，使岩溶地下水形成新的动态平衡。

(4)岩溶地下水发育的隧道，应根据预测的涌水量，适当加大隧道侧沟的设计排水能力，保证满足隧道运营期间的长期排水要求。

［1］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路龙岩至厦门铁路象山隧道施工图［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2007.

［2］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建龙岩至厦门铁路象山隧道1号斜井正洞岩溶发育段工程地质条件阶段性成果报告［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2010.

［3］ 王树仁，等.岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术［J］.北京科技大学学报，2006(7):613-618.

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［5］ 陈炳祥.岩溶隧道施工技术研究与应用［J］.铁道标准设计，2004(8):47-49.

［6］ 李术才，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(7):1297-1307.

［7］ 中华人民共和国铁道部.铁建设［2008］105号，铁路隧道超前地质预报技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［8］ 铁道部经济规划研究院.TZ204—2008，铁路隧道工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［9］ 张梅，等.宜万铁路岩溶断层隧道修建技术［M］.北京:科学技术出版社，2010.

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Cause Analysis and Treatment Measures on Water Bursting and Mud Gushing of Karst in Xiangshan Tunnel

YAN Zhi-wei
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

During the construction of Xiangshan Tunnel for Longyan-Xiamen Railway，large-scale water bursting and mud gushing occurred on the tunnel's working face 4 468 m from the entrance of its right tunnel for a long time，it led to occurrence of a wide range of settlement and subsidence on the ground surface，and typical geological disasters caused by karst groundwater bursting occurred.This paper analyzes the cause of karst water bursting and mud gushing in tunnel in combination with the engineering geological and hydro-geological conditions of Xiangshan Tunnel.The analysis results show that this tunnel has the typical stratigraphic characteristics with occurrence of geological disasters of karst water bursting.So，using domestic karst tunnel design and construction experience for reference，and combining with the topographic and geologic conditions of this tunnel，this paper puts forward some comprehensive treatment measures to solve this problem:setting deep holes in the corresponding positions of surface of the tunnel body，feeding material and grouting through these deep holes to seal the tunnel's working face breach，reinforcing filling materials in the dissolved cavity，at the same time，carrying out curtain grouting on the working face in the tunnel and setting branch caverns at high position to drainage water.Thus，the problem of water bursting and mud gushing of karst is solved.

deep tunnel;water bursting of karst;drainage by adverse slope;sealing with deep hole;curtain grouting

U455.49

A

1004-2954(2012)07-0098-05

2012-02-13

颜志伟(1965—)，男，高级工程师，1986年毕业于西南交通大学，工学学士。