突水突泥隧道段落围岩压力及整治措施

余大龙，舒东利，王磊

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

突水突泥隧道段落围岩压力及整治措施

余大龙，舒东利，王磊

（中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

深埋隧道在施工过程中经常会遇到突水突泥段落，具有突发性、软弱性等特点，围岩压力对采取的加固措施、衬砌参数、预留清淤长度等有较大影响，但对其荷载大小的研究较少。通过资料调研分析确定了突水突泥段落围岩参数范围，并按跨度对我国不同时速单双线断面大小进行划分；通过普氏理论、太沙基理论以及谢家烋理论对突水突泥段落围岩压力进行计算，确定了不同跨度隧道对应的围岩压力，为隧道突水突泥整治提供参考，具有一定的指导意义。

隧道；突水突泥；围岩压力；清淤长度；跨度；整治措施

0 引言

近年来，我国铁路隧道在修建过程中出现不少突水突泥灾害（简称突水突泥），特别是在岩溶发育山区，突泥长度甚至达几百米。对于突水突泥荷载目前没有相关规范规定，清淤长度、处理措施也仅仅依靠经验。突水突泥段落围岩压力以及预留清淤长度的确定成为目前亟需解决的难题，对我国隧道的安全施工有较大意义。

目前也有相关学者对突水突泥整治措施展开了相关研究。周军伟[1]研究得出对白云隧道采取迂回导坑及注浆加固方法，通过突水突泥段效果良好；白明洲等[2]对长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术进行了研究；张晓东[3]依托赣韶铁路黄金隧道，根据工程类比、数值模拟及经济比选后，确定塌方冒顶段处理措施；杨昌宇[4]以厦深铁路梁山隧道涌水突泥段为研究对象，采用数值模拟手段分析了塌方机制及治理措施；张民庆等[5]对兰新二线大梁隧道突水突泥原因进行分析，并采取有效处理方案；张通国[6]通过现场测试、数值模拟等方法对岭脚隧道突水突泥原因进行分析，并提出了处理措施；张民庆等[7]通过对专业化管理、安全清淤与封堵、机械化配套、突水突泥治理方案设计与实施等方面进行研究，形成不良地质突水突泥安全、快速治理技术。

目前，有较多学者对突水突泥原因及处理措施进行了分析[8-11]，大多是基于数值模拟与工程经验，并未对不同跨度、不同断面的隧道突水突泥围岩压力进行系统的理论研究[12]。研究成果对隧道结构安全和突水突泥处理具有借鉴意义。

1 理论基础

通过对5个突水突泥隧道段落资料调研分析，得出围岩重度γ为18 kN/m3左右，粘聚力c为10～70 kPa，内摩擦角φ为13°～20°。

1.1 普氏理论

普氏理论拱顶垂直压力的计算公式为：

式中：q为垂直压力，kPa；γ为围岩重度，kN/m3；φ为围岩内摩擦角，（°）；f为坚固系数，松散体及黏土f=tanφ；H为隧道开挖高度，m；B为隧道开挖跨度，m。

1.2 太沙基理论

太沙基理论垂直围岩压力计算公式为：式中：λ为侧压力系数，取值为1.0～1.5；h为隧道埋深，m；b为洞顶松动宽度的一半，m；其他参数意义与式（1）相同。

1.3 谢家烋理论

TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》深埋隧道围岩压力计算公式如下：式中：ha为计算高度，m；ω为宽度影响系数；S为围岩级别；i当B＜5 m时，取0.2，当B＞5 m时，取0.1；其他参数意义与式（1）相同。

2 突水突泥段落围岩压力

2.1 隧道断面按跨度分类

根据跨度将隧道划分为小跨度、中跨度、大跨度、特大跨度隧道（见表1）。

表1 隧道跨度分级标准 m

根据我国标准参考图的有关跨度，将不同时速单双线有砟隧道按跨度进行划分（见表2）。

表2 有砟隧道标准图按跨度分类

2.2 垂直荷载

突水突泥段落参数最弱时（γ=18 kN/m3，c=10 kPa，φ=13°）荷载最大，参数最强时（γ=18 kN/m3，c=70 kPa，φ=20°）荷载最小，分析3种荷载计算理论与隧道跨度的关系。

2.2.1 普氏理论

按普氏理论计算不同跨度下突水突泥垂直荷载，其值随跨度的增加大致呈线性增长（见图1）。

图1 普氏理论有砟隧道跨度与垂直荷载关系

由图1可知，小跨度围岩压力为0.48～0.94 MPa；中跨度围岩压力为0.60～1.04 MPa；大跨度围岩压力为0.73～1.30 MPa；特大跨度围岩压力为0.79～1.34 MPa。

2.2.2 太沙基理论

图2 太沙基理论有砟隧道跨度与垂直荷载关系

由图2可知，小跨度围岩压力为0.28～0.78 MPa；中跨度围岩压力为0.41～0.99 MPa；大跨度围岩压力为0.53～1.20 MPa；特大跨度围岩压力为0.60～1.23 MPa。

2.2.3 谢家烋理论

按谢家烋理论计算不同跨度下突水突泥垂直荷载，其值随跨度的增加大致呈线性增长（见图3）。

图3 谢家烋理论有砟隧道跨度与垂直荷载关系

由图3可知，小跨度围岩压力为0.15～0.30 MPa；中跨度围岩压力为0.18～0.37 MPa；大跨度围岩压力为0.24～0.46 MPa；特大跨度围岩压力为0.24～0.50 MPa。

将3种理论垂直荷载按跨度整理分类，可得出不同跨度下突水突泥段落围岩压力的取值范围（见图4）。

由图4可知，普氏理论与太沙基理论计算的最大突水突泥塌方荷载比较接近，普氏理论计算的最小突水突泥塌方荷载比太沙基理论计算值稍大，按铁路规范谢家烋理论计算突水突泥塌方荷载值偏小。因此按较不利条件设计考虑，推荐采用普氏理论计算突水突泥段落围岩压力。不同跨度、不同时速下突水突泥段落围岩压力取值范围见表3。

图4 垂直荷载与跨度关系

表3 有砟隧道不同跨度突水突泥塌方垂直荷载取值范围

3 预留清淤长度

如支护不及时或支护参数较弱，隧道发生突水突泥后不进行清淤，则难以恢复施工。但清淤又是一项风险极高的工作，稍有不慎，极易发生规模更大的突水突泥灾害，甚至会出现人员伤亡。因此，隧道发生突水突泥后，不应贸然清淤，必须对清淤风险进行评估，计算合理的清淤长度，预留可靠的清淤安全距离。

The Establishment and Evolution of Post System in Yili Region in the late Qing Dynasty

清淤封堵及荷载示意见图5。

图5 清淤封堵及荷载示意图

计算时可不考虑隧道侧压力系数，忽略涌泥的黏结力，只计算隧道对泥土的摩擦阻力。淤泥安全距离可参考以下计算公式。式中：F摩为隧道对淤泥的摩擦阻力，kN；F滑为淤泥的下滑力，kN；µ为隧道与淤泥之间的摩阻系数，取0.6～0.7；γ为淤泥重度，kN/m3；A隧为隧道断面积，m2；L为预留清淤段长度，m；q为淤泥的垂直压力，kPa；A溃为溃口断面面积，m2。

现场实施清淤时，原则上采取台阶法，以尽量减小清淤断面面积。清淤前应制定安全清淤施工组织，过程中随时观察，及时进行封堵。

由式（9）可知，清淤长度与溃口面积大小以及上方的淤泥荷载有很大关系，因此基于3大荷载计算理论分析有砟隧道合理的清淤长度。

一般突水突泥溃口面积较难确定，在此假设溃口面积为10 m2、20 m2、30 m2、40 m2、50 m2，分别计算各工况下预留清淤长度。

有砟隧道溃口面积50 m2计算清淤长度见图6，有砟隧道不同溃口面积预留清淤长度见表4。

整理分析图表数据可得最小预留清淤长度与溃口面积的关系（见图7）。预留清淤长度与溃口面积呈线性关系，溃口面积越大，最小预留清淤长度越长。

基于围岩压力计算结果推荐采用普氏理论计算最小预留清淤长度，溃口面积与预留清淤长度呈线性关系，溃口面积可线性差值计算。

图6 溃口面积50 m2计算清淤长度

4 整治措施

4.1 清淤封堵

根据计算预留清淤长度，对塌方碴体进行清除，清除至预留长度之后，采用大块混凝土构件、洞内碎石等做止浆墙。止浆墙做成台阶状，下台阶用沙袋堆砌，上台阶施作混凝土止浆墙，上下台阶预留1个工作平台。

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4.2 注浆加固、排水减压

地下水是造成不良地质突水突泥的根本原因之一。针对突水突泥不良地质，应采取“注浆加固、排水减压”的处理原则，即首先采取注浆措施对软弱围岩进行加固，然后在注浆加固范围外实施钻孔排水减压，以达到低水压条件下安全开挖。

4.3 超前支护

隧道超前支护及加固方式有很多，如超前管棚注浆加固、超前帷幕注浆加固、掌子面水平旋喷加固等，其中超前管棚注浆支护、超前帷幕注浆加固较为常用。3种常见的突水突泥超前支护措施对比见表5。

4.4 施工工法

围岩的塑性变形与开挖断面的形状有关，在同等地层及地应力的条件下，断面开挖越接近圆形受力越有利。在解决实际隧道突水突泥塌方问题中，应根据塌方情况、隧道断面大小选取相应的施工工法，涌水突泥段常用的施工工法有：三台阶法、三台阶临时仰拱法、预留核心土环形开挖法等。

图7 最小预留清淤长度与溃口面积的关系

表5 突水突泥超前支护措施对比

4.5 加强支护

初期支护采用混凝土、锚杆、钢架组合支护系统，较原设计提高了厚度。二衬厚度也相应提高，保证施工和运营通过突水突泥段落的安全。

5 结论

结合资料调研、理论分析等手段，对突水突泥段落的围岩压力、预留清淤长度及整治措施进行分析，得出以下结论：

（1）通过对不同隧道突水突泥参数的调研，得出淤泥重度γ=18 kN/m3左右，粘聚力c=10～70 kPa，摩擦角φ=13°～20°。

（2）基于突水突泥围岩参数，并结合普氏理论、太沙基理论以及谢家烋理论，对突水突泥段落围岩压力进行计算，得出不同时速、不同跨度下有砟隧道突水突泥围岩压力的取值范围。

（3）基于突水突泥段落围岩压力的研究，根据隧道断面的大小，给出了不同溃口面积下预留清淤长度建议值。

（4）基于突水突泥段落围岩压力的研究，从清淤封堵、注浆加固、超前支护、施工工法、加强支护等方面对突水突泥整治措施进行了分析。

[1] 周军伟. 白云隧道突水、突泥段施工技术[J]. 隧道建设，2011(4)：504-509.

[2] 白明洲，许兆义，王勐，等. 长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研究[J]. 公路交通科技，2005(S1)：123-126.

[3] 张晓东. 黄金隧道塌方冒顶结构计算及特殊设计[J].铁道标准设计，2013(4)：77-80，86.

[4] 杨昌宇. 隧道在地质软弱带的失稳机制及超前支护效果分析[J]. 高速铁路技术，2011(2)：18-21.

[5] 张民庆，何志军，黄鸿健，等. 兰新二线大梁隧道突水突泥原因分析与治理[J]. 铁道工程学报，2015(3):77-80.

[6] 张通国. 岭脚隧道涌水突泥段结构受力与变形特性分析[D]. 西安：长安大学，2014.

[7] 张民庆，彭峰，邹明波，等. 铁路隧道不良地质突水突泥治理技术与工程应用[J]. 铁道工程学报，2013(9)：65-71.

[8] 张民庆，高扬. 隧道深埋富水滑动型软弱带突水突泥处理技术[J]. 铁道工程学报，2015(11)：102-106.

[9] 舒森. 岩溶隧道突水突泥预报综合评估[J]. 铁道标准设计，2015(4)：72-79.

[10] 商崇伦. 宜万铁路齐岳山隧道高压富水断层施工关键技术[J]. 隧道建设，2010(3)：285-291.

[11] 周书明，潘国栋，罗小平. 海底隧道过断层破碎带施工风险分析与应对措施[J]. 隧道建设，2010(S1): 360-364.

[12] 张玉贵. 浅埋偏压地段增设抗滑桩对隧道施工的安全性分析[J]. 中国铁路，2015(6)：82-85.

责任编辑 李葳

Pressure on Surrounding Rocks of Water Bursting and Mud Gushing Tunnels and Countermeasures

YU Dalong，SHU Dongli，WANG Lei
（China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd，Chengdu Sichuan 610031，China）

During construction of deeply buried tunnels, water bursting and mud gushing section is a common issue, which happens abruptly and remains the weak link of the construction. It is clear that the pressures on surrounding rocks have major infuence on the reinforcement measures, lining parameters and reserved dredging length, etc., while research on the pressure itself is comparatively rare. Based on investigation and research, the paper determines the parameter range of surrounding rocks of water bursting and mud gushing sections and classifes the tunnels with diferent cross sections of single/double track with diferent operation speeds according to diferent spans; then, the paper calculates the pressure of surrounding rocks of water bursting and mud gushing sections with Protodyakonov's mountain rock pressure theory, Terzaghi consolidation theory and Xie Jiaxiao theory and determines pressures on surrounding rocks of tunnels with corresponding spans, providing references for construction of water bursting and mud gushing section.

tunnel；water bursting and mud gushing；pressure on surrounding rocks；dredging length；span；countermeasures

U457

：A

：1001-683X（2017）07-0075-06DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.075

2016-11-06

余大龙（1981—），男，高级工程师，硕士。E-mail：107641625@qq.com