岩溶区隧道突水灾害防治原则及治理对策

郭佳奇，李宏飞，徐子龙

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

岩溶普遍存在于俄、美、德、法、中、印、南非、巴尔干半岛等国家或地区，资料显示［1-2］，地球上约有15%的地形是喀斯特岩溶地貌。我国幅员辽阔，是世界上岩溶分布最广泛的国家，按可溶地层分布计算，分布面积可达3.443×106km2，约占我国陆地面积的1/3。随着我国西部大开发战略的持续快速推进，西部地区交通、水利等基础建设迅猛发展，已建和在建长大岩溶隧道越来越多。据统计因岩溶问题引起的隧道施工地质灾害造成的停工时间约占施工总工期的30%［3］，其中突水已经成为我国岩溶地区隧道修建中最严重、且最常见的岩溶灾害，我国80%的岩溶隧道施工中遭遇过水害问题，渝怀线圆梁山隧道施工中，先后遇到了五个深埋充填型溶洞，受高压、富水、岩溶等诱导因素的影响，突发了多次大规模的涌水、涌泥等工程地质灾害，给工程的安全顺利施工造成了极其严重的影响［4］。因此，为保证隧道施工安全，顺利通过高压富水岩溶地层，加强对岩溶地区隧道突水防治原则和治理对策研究具有重要的工程应用价值。本文在前人研究的基础上［5-7］，结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水灾害治理的工程实践，总结、概括了我国近一个时期岩溶隧道施工中突水防治的基本原则和治理对策，以期对提高我国岩溶隧道突水防治技术水平具有一定的参考价值。

1 岩溶隧道突水防治原则

1.1 超前地质预报原则

宜万线工程地质及水文地质条件极其复杂，特别是长大隧道，可溶岩约占隧道长度的70%［8］，虽然在工程勘察阶段，投入了大量的人力、物力和财力，在充分收集、分析和研究以往既有资料的基础上，以遥感判译先行，以补充、深入、扩大地质测绘和岩溶水文地质调查为基础，基本上查明了全线重要隧道的地层岩性、地质构造及存在的主要重大地质问题和可能发生重大地质灾害的原因、位置、规模、危害程度［9］。但由于沿线地质条件复杂，仅通过地表勘察很难查明深部岩溶的细节，且受勘探精度控制，一些高压富水岩溶构造体的位置、重要地层界面和断层位置较难准确定位，故有必要在施工阶段选择经济、合理、可靠的预报方法进行超前地质预测预报，这样可相对准确的提供隧道周边及掌子面前方一定范围内详细的岩溶等地质情况，将有助于制定和实施具有实际意义的防治突水的措施，从而降低岩溶隧道突水等事故的发生概率。

宜万铁路建设初期，通过对各种超前地质预测预报方法进行综合分析评价，制定了地质素描、TSP203、地质雷达、红外线探水、超前深孔钻探和风钻加深5m浅孔钻探共五种必测方法。经过长期的实践检验证明:地质素描为确定前方宏观地质条件起到了很大的作用;TSP203对岩溶探测准确率约为50%;地质雷达和红外线探水对岩溶及岩溶水难以起到应有的超前预测预报作用;超前深孔钻探和风钻加深5m浅孔钻探预报准确率几乎达到100%［10］。因此，在后期超前预测预报方案中，为有效规避岩溶突水风险，同时降低工程投资不再进行地质雷达、红外线探水探测，调整后的模式采取以地质素描和TSP203先行，以钻孔为主的超前预测预报模式(图1)。

图1 宜万铁路超前预测预报模式图Fig.1 Mode of advanced forecast on Yiwan railway

在宜万线齐岳山隧道出口段左洞ZK329+618附近按照图1所示的超前地质预测预报模式，综合地质分析、TSP探测、地质雷达、瞬变电磁探查及超前深孔钻探验证等多种手段结果确定了隧道底板岩溶管道发育情况，得到了底板以下岩溶分布示意图(图2)，后经开挖验证预测情况与实际情况较一致。在该段隧道施工过程中，因准确掌握了所遇含水岩溶构造的区域和边界，同时采取了合理的处治方案成功通过了富水岩溶地层，避免了突水、涌泥等事故造成的损失。

1.2 分类管理原则

根据一定的标准将岩溶隧道分成不同类别，然后依据不同的类别分别制定详细的突水等岩溶灾害预防策略及治理预案，从而实现针对性防治。宜万线施工中根据每座隧道的工程地质、水文地质条件，发生突涌水突泥的几率、规模、危害程度等，对岩溶隧道进行了风险分类。对野三关、马鹿箐等8座长大隧道岩溶发育、暗河众多、地下水丰富，个别工区为反坡施工，施工中极有可能发生大规模突水突泥的地质灾害，风险等级定为一级;对堰湾一号、堰湾二号、景阳坪等26座岩溶隧道施工中可能出现局部突水、突泥或大型溶腔，风险等级为二级;沿线其余岩溶隧道为一般风险隧道［10］。同时制定突发性事件的防范应急预案、应对复杂地质、工程难题的设计和施工预案、重难点工程监控等八项机制从而实现对不同类别的岩溶隧道及早管理、区别管理，使沿线所有岩溶隧道的施工均处于合理的受控状态之下，降低隧道施工中重、特大事故发生的几率。

图2 齐岳山隧道出口段底板以下岩溶分布图Fig.2 Karst distribution map under the bottom of Qiyueshan tunnel exit

1.3 二衬紧跟原则

2004年5月29日，突降暴雨，降雨量165.4mm，5月30日凌晨5:07，宜万线别岩槽隧道DK406+675～+715段右侧边墙出现涌水，将该段初支压裂，涌水量达2100m3/h，造成初期支护最大变形380mm，随后，立即对该段进行横支撑加强，并施作排水孔泄水;2006年7月5日，齐岳山地区降特大暴雨，2:17～8:00降雨量 120mm、8:00～8:45降雨量43.4mm，累计163.4mm，为该地区百年不遇的大降雨，致使在7点时，齐岳山隧道正洞DK363+101～+103段初期支护受高压水挤压爆裂突发涌水，涌水量13000m3/h，致使平导被淹1045m、正洞1019m;2008年4月18日20:00～19日20:00，榔坪地区降雨量62.5mm红瓦屋隧道ⅡDK93+430～+435段(ⅡDK93+370～+460段为充填粘土型溶洞，初期支护为I18钢架，间距 1榀/0.5m，网喷 C25混凝土25cm。)左边墙发生突水突泥，突泥量880m3，突水突泥造成初期支护I18钢架被剪断，边墙出现直径为2m的洞穴。根据上面的例子和宜万线岩溶隧道突水、突泥统计情况可知，宜万线岩溶隧道大部分突水、突泥事故发生隧道断面开挖后和超前探孔阶段，但初期支护施作后仍有相当一部分岩溶隧道发生了突水事故，据宜万线建设指挥部的统计结果显示初期支护施作后的隧道突水事故占到总突水灾害的13%，因此在岩溶隧道施工过程中一定要重视支护这一环节，并且要做到“二衬紧跟”原则。

1.4 信息化施工原则

随着科学技术的不断发展，一些先进的、轻便的检测仪器不断得到更新，这些仪器的运用能及时准确地把开挖后隧道的变形、隧道突水量、水压等信息反馈给施工和设计部门，以便及时做好防治措施，确保施工的安全［10-11］。另外宜万线岩溶隧道施工时为应对突水性岩溶地质灾害，除了上述监测变形、水压等参数的信息化设备，还设置了声光报警系统、应急通信及电视远距离监控等手段及早发现突发性事故、及时采取对策、保证人员和设备安全。

1.5 其他原则

由文献［12］的研究知，隧道与周边隐伏高压富水溶腔之间以及隧道掌子面与前方岩溶储水构造间存在一定的防突岩层(岩墙)，在施工中首先综合应用1.1节所述的各种超前地质预测预报手段，查明隧道与溶腔间岩层及掌子面前方岩墙岩体情况，溶腔发育规模和方位，以及内部充填水压的大小，根据岩溶隧道突水机理计算计算最小防突厚度［12］，然后在最小防突厚度外，实施超前预注浆等加固措施;近距离穿越含水岩溶构造时，应分步开挖，同时进行弱爆破施工减小对防突岩层的扰动、破坏，确保防突岩层的稳定，以规避施工时突水灾害发生。

隧道施工过程中容易在可溶岩与非可溶岩界面、断裂构造带、陡倾褶皱构造核部等部位发生突水、突泥危险。在施工中应该加强对这些危险地段的超前地质预报和超前管棚支护、超前径向预注浆等工程措施，起堵水加固作用，降低隧道突水、突泥事故发生。

通过对岩溶突水特征的分析，对连通型溶腔，应避开雨季施工，对未连通型溶腔则不受季节限制。

2 岩溶隧道突水治理对策

2.1 引排方案

针对规模不大的过水型岩溶，原则上以引排水为主，以维持岩溶既有水流通道，不得随意对岩溶管道堵塞，避免造成水害。野三关隧道DK119+512岩溶处理:2005年8月11日，野三关隧道开挖揭示DK119+512隧底发育过水型岩溶，右侧为岩溶大厅。岩溶为两头窄的芒果状，最宽处约18.3m，岩溶水流自左向右流入大厅消水洞，旱季水流量为43m3/h。针对该岩溶水，采取如下处理措施:对岩溶大厅堆积物清理，对岩溶大厅岩壁进行锚网喷防护，维持其原有排水通道。隧道基底采用板跨方案，隧道结构采用K0.5MPa抗水压结构。

2.2 泄水洞方案

当地下暗河位于隧道上方时，为确保隧道施工和运营安全，原则上应设置泄水导洞对暗河水进行排放。泄水导洞根据泄水点标高，并结合洞外地形条件设置，原则上泄水洞设置为上坡，标高以低于泄水点2m以上为宜，坡度一般为1% ～3%，以满足安全排水要求［11］。泄水洞断面原则上应满足无压排水要求，泄水洞最大排水量按水文地质条件进行估算，其最小断面面积按文献［11］中式(2)计算确定。泄水导洞断面尺寸除满足泄水要求外，为确保泄水洞尽快投入使用，应按现场机械配置和施工通风要求确定开挖断面形状及尺寸，宜万线根据现场施工情况，对于泄水导洞内净空断面，采取无轨运输时宜为4.5m×4.6m(宽×高)，采取有轨运输时宜为3.5m×4.2m(宽 ×高)。

马鹿箐隧道出口遭遇“978高压富水充填溶腔”突水突泥灾害后，鉴于溶腔规模宏大，岩溶异常发育、富水含泥并伴有高水压和巨大储水量，动态补给量大，且该区不具备大面积地表塌陷的地质条件，长期排水不会对周边水环境产生大的影响，同时为保证隧道运营安全，因此，在平导进口左侧20m处设泄水洞，泄出“978高压富水充填溶腔”的岩溶水，以确保隧道施工安全，以及隧道投入运营后的使用安全。

2.3 堆积体加固堵水方案

当隧道处于岩溶暗河堆积体中时，可通过控制注浆技术对堆积体进行堵水加固，维持原暗河排水系统，之后进行隧道施工。五爪观隧道DK49+274～DK49+345段穿越暗河堆积体，岩溶大厅横向宽120m，堆积体上部为巨块状崩塌块石，下部为卵石土、块石土及粉质黏土夹砾砂，饱和、密实，卵石直径2～9cm(图3(a))。根据该岩溶暗河堆积体特点，采取堆积体加固堵水方案，(图3(b))。

图3 五爪观隧道暗河段堆积体加固示意图Fig.3 Sketch map of stack body reinforcement of underground river segment in Wuzhuaguan tunnel

2.4 绕避方案

绕避方案是根据岩溶突水突泥溶腔及暗河形成的水文地质条件不同所表现出的岩发育的多样性、复杂性、各异性的原理，并利用综合超前地报预测预报精确探测技，在充分探明高压富水溶腔或暗河等岩溶发育规律后进行主动躲避、迂回、绕行的安全、快速、高效、经济的一项岩溶处治的关键技术。该技术是岩溶隧道安全快速施工的一项成功的创新技术，首次在宜万铁路岩溶隧道施工中应用就取得了良好的效果［13］。2006年9月29日7时45分，大支坪隧道平导掌子面开挖至PDK132+990处，掌子面左侧拱顶有水流出，水量约1000m3/d，后有淤泥挤出;根据设计资料显示，此大型异常区横跨Ⅰ、Ⅱ线及迂回导坑，影响区域280m，长约440m，异常区域核心体积达1.5×104m3以上，多为岩溶发育充填流塑性泥砂及高水压。为早日实现安全突破、充分挖掘地质潜力，依靠技术手段，对地质进行精确探测，采取了“就地封堵+迂回绕行”的方案，在平导右侧30m处设迂回导坑，见缝插针，利用岩溶发育软弱地带迂回通过，取得了成功。

2.5 注浆堵水方案

在目前所有岩溶隧道突水防治对策中，注浆堵水是运用最广泛的方案［10，14］。在岩溶水发育地段，如果溶洞规模较大，溶洞内部充填了大量的溶蚀物，且含有丰富的地下水，一旦揭穿，可能发生大规模的突水、突泥，严重影响施工安全，同时地下水大量排放可能影响当地生态环境时，则应采用“以堵为主，限量排放”的原则，采取全断面注浆加固的方法。通过注浆加固围岩，限制排水量，保证隧道洞室稳定，确保施工及运营安全，实现有控制排放，减少(防止)水资源流失。

洞内注浆方案的选择可根据隧道岩溶发育地段的不同工程地质、水文地质情况进行初步选定，施工中再结合超前地质预测预报等措施综合分析的成果，参考表1确定合理的注浆方案。如隧道埋深不大，并且通过地表钻孔、水化学分析、连通试验、地面沉降和地下水位变化观测等手段，确定了溶管或溶洞的位置和发育方向。岩溶发育情况比较简单，可通过地面局部注浆、帷幕注浆等方法阻断岩溶水下渗的通道并对地层进行加固，保证隧道开挖不受岩溶的影响。地表注浆的注浆压力应随着钻孔深度而变化，一般不超过上覆土压和水压之和的0.5倍。

表1 岩溶隧道注浆堵水方案选择Table 1 Chose of grouting scheme on Yiwan line

另外注浆压力、注浆扩散半径、注浆孔间距、注浆段长及止浆岩盘、混凝土止浆墙厚度等应根据工程水文地质条件以及围岩类型、岩溶发育情况、涌水量及岩溶水压确定，设计出适用于岩溶处理的注浆参数。注浆钻孔的布置，需根据注浆范围、注浆段长、单个注浆钻孔的作用范围、岩溶(岩层裂隙)发育情况、含水层分布情况、毛洞断面大小和钻孔作业要求而定，超前预注浆注浆钻孔宜长短结合并呈伞形辐射状布置;全断面径向注浆注浆钻孔按梅花型布置。

2.6 释能降压方案

宜万铁路多次遭遇的突水突泥灾害夺走了多名作业人员的生命，造成了巨大的经济损失，也对宜万铁路的正常施工造成影响。从多次突水突泥灾害情况来看，目前针对高压富水充填溶腔所采取的方法和技术措施难以从根本上解决施工安全问题，因此，如何防治高压富水充填溶腔突水突泥灾害，规避风险，研究更为安全可靠、经济适用的高压富水充填溶腔施工技术十分必要，铁道部宜万铁路建设指挥部以张梅为组长的课题组认真吸收专家意见，总结马鹿箐隧道泄水洞揭穿过程中的经验与教训，补充完善专项安全设计，形成了水文监测、洞外排水线路、洞外警戒、洞内排水线路、洞内相邻洞室分隔、洞内外预警监控、进洞条件、进洞观察安全撤离线路共八项专项安全设计，创造性的提出了处理高压富水充填溶腔的新技术——释能降压法法［10］。该技术有效解决了岩溶隧道运营正线水沟排泄岩溶涌水能力的不足、运营水害永久安全隐患、高压富水充填溶腔突水突泥、由较强抗水压支护结构抵抗外荷载费用高、施工难度大等技术难题。有效避免了重大突水突泥地质灾害的发生。释能降压法正式形成以后，先后于2008年12月9日，对野三关隧道“602高压富水充填溶腔”泄水支洞实施释能降压又获得成功;2008年12月16日，成功对大支坪隧道“990高压富水充填溶腔”实施释能降压，溶腔得以安全顺利施工。在处理埋藏型或深埋型岩溶区的特大体量高压富水隐伏填充、半填充溶腔时释能降压法与传统的注浆堵水、冻结法堵水相比具有一定的优势［10］(表2)。

表2 释能降压法与传统方法的比较Table 2 Comparison between energies-release and depressurization and traditional method

3 结论

岩溶隧道因其线路周边及掌子面前方发育大量高水压充填型岩溶构造，由水压劈裂及其他原因诱发的突水突泥灾害已成为岩溶隧道施工中的重大安全隐患，本文在已有研究成果的基础上，结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水、突泥等岩溶灾害治理的工程实践，分析、总结了岩溶区隧道突水防治的基本原则与治理对策，主要结论如下:

(1)提出了岩溶隧道突水防治中的五大基本原则，即:超前地质预报原则、分类管理原则、二衬紧跟原则、信息化施工原则及其他原则。其中，加强超前地质预报是岩溶隧道突水防治最重要的基本原则，隧道前方含水岩溶构造的准确预报，可以大大降低隧道施工突水风险。宜万铁路高风险岩溶隧道施工中提出的以地质素描和TSP203先行，以钻孔为主的超前预测预报模式避免了多种物探手段造成的多解性困境，增加了预测预报的直观性，且有效的降低了超前预测预报的工程造价，是一个值得大力的推广的超前地质预报模式;

(2)提出了引排、泄水洞、堆积体加固、绕避、注浆以及释能降压六种岩溶隧道突水灾害治理对策。注浆堵水是目前岩溶隧道突水防治对策中应用最广泛的方案，本文总结给出了岩溶隧道注浆堵水的方案选择表，增强了该方案在岩溶隧道突水防治中的可操作性;

(3)释能降压法处理高压富水充填溶腔是富水岩溶处治技术的一次思想创新。临界界面锁定阶段是释能降压专项爆破设计的主要依据。掌子面前方岩墙预留厚度是此阶段需要合理确定的一项重要技术参数，目前还没有能较精确计算含裂隙缺陷的掌子面岩墙预留厚度的力学模型。

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