富水公路隧道地质灾害探测反演与防治研究

钟明文，喻自祥，汪红武，宗 杰，袁从华

(1.云南交投集团投资有限公司， 云南 昆明 650228；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071)

伴随着我国交通建设的不断进步，越来越多的隧道工程不断的浮现，伴随着地质灾害问题也层出不穷，其中岩溶问题尤为突出，给隧道施工造成严重的损失，也给施工带来极大的风险，并伴随着财产和人身安全的威胁。针对隧道岩溶预防以及治理问题，大量的学者展开了对于岩溶隧道突水突泥的预防治理问题的研究，并提出了大量对于岩溶隧道灾害防治治理的有效措施。

20世纪80年代国外Kuznetsov等[1]在隧道施工中，考虑了岩石压力的增大情况下，地层水在不同方向裂缝间重新分布引起的局部围岩体破坏，推导岩溶隧道围岩破坏准则以及裂纹扩展的特征。国内也有大量的研究，如李术才等[2]运用CT机装置对含水与不含水的试件进行裂纹观测研究，表明不同地下水对于围岩结构的影响差异，研究了岩石破坏机理。王树仁等[3]通过对园梁山隧道突水灾变机理的研究，阐述了影响岩溶隧道突水的相关因素，并针对性制定临界距离、关键部位、上下交叉等防治施工原则。孙谋等[4]结合隧道掌子面突水的特性，采用数值模拟计算研究施工因素与突水现象的关系，并结合系统势能理论分析，提出了注浆加固、确定排水路线、分区确定爆破深度的针对性防治措施。刘超群等[5]、龚斌等[6]、徐浩[7]和周晓靖等[8]结合有限元软件对隧道设计、变形、注浆、监测进行数值模拟研究，从而有效的将理论验算与实际工程相结合，确保安全施工。李浪等[9]通过相似模型实验，三维系统模拟龙门山隧道，针对围岩现状确定突水时围岩最小的隔水围岩厚度。李术才等[10]借用多种超前物探方法，研究岩溶裂隙水超前预报方法，总结各种方法实施的特点与难点，并在齐岳山、云台山等隧道中实验验证，最终对探测仪器对水灵敏度进行改进。王群[11]针对隧道岩溶富水区，实施边钻边探的帷幕注浆方法进行施工设计，实时调整，使得探测与施工紧密结合，提高施工效率与安全。杨平[12]结合工程阐述岩溶隧道水温特性，并针对性的提出相对应的防排水措施，从而确保隧道的施工。管泽英等[13]结合高水压岩溶隧道，分析超前加固措施的优弊，并提出精细化超前注浆技术，降低施工风险。张广泽等[14]结合高铁隧道，通过预报、防治、综合防治、溶洞跨越四个方面总结岩溶隧道致灾机理和防治技术，并验证其真实可靠。何振宁[15]以三十座隧道为例，分析对应的富水隧道的地质问题，针对其分类、突水、涌沙等14类问题提出6条纳入规范的建议，为施工提供规范参考。

本文利用地震波CT成像系统在测试两孔平面间高准确性的工作原理，针对性的在九顶山隧道进口左幅突水段ZK281+940地表开展现场测试，结合相关地质资料，准确的探测出突水段一定深度内的岩溶分布和地质构造，为分析隧道突水机理提供支撑，并制定具有针对性突水、突泥防治措施，确保施工安全。

1 九顶山隧道区域地质概况

1.1 工程背景

九顶山隧道为楚大高速改(扩建)工程的控制性节点工程，九顶山特长隧道左、右幅分别长7 597 m、7 560 m，最大开挖宽度为17.34 m，隧道最大埋深处为730 m，为长、大、深埋隧道，隧道施做范围内无暗河，含水主要以岩溶水和节理裂隙水为主，水源主要为地表水，隧道围岩以泥盆系、奥陶系沉积的灰岩、白云质灰岩和砂页岩为主，经燕山期花岗斑岩和华力西期辉绿、辉长岩侵入，加之侵入岩与原岩的蚀变带、风化带的变化，使隧道岩性变化复杂。侵入岩蚀变带内岩体膨胀性、流变和软化特征显著，岩性复杂、蚀变不利作用及其水理水力特征对隧道施工安全不利。

1.2 危害概况

隧道穿越两条断裂带，并通过灰岩和花岗斑岩两类岩石的岩性接触带，以致该段隧道围岩稳定性差。区段内的白云质灰岩及白云岩，使隧道围岩含水丰富，岩溶发育。于2017年7月27日，九顶山隧道进口左洞ZK281+940—ZK281+947段拱顶发生大变形，继而形成塌方，塌方腔体沿环向长度约6 m，随后发生突水、突泥；截至2017年8月10号相继发生8次突水、突泥，每次间隔约12 h，每次突水时间约10 min，估计水量约34 000 m3，突泥量约8 000 m3。突水后隧道k281+895 、k281+893两处情形如图1，并在隧道施工过程中伴随土体的坍塌、涌水、突泥等灾害的发生，危及施工人员安全，给施工带来极大的干扰，因此在结合地质调查的基础上，运用地震波CT进行专项探测，以避免隧道施工安全事故的发生，确保工程顺利进行。

2 隧道左洞突水段探测分析

2.1 CT探测原理

现场拟采用地震波探测系统含硬件与软件两部分。系统硬件包括ZDF-3型电火花震源、集成高灵敏度检波器、24位机及8个独立通道便携计算机等。软件包括CT层析成像和地质专家两部分。地震波CT通过地震波数据反演物质，并分层分析以绘制地层地质分布图像，从而确定探测平面内的结构构造。首先通过 HSP探测获取地震波在测孔之间地质体中的传播时间文件，读取地震波初至走时数据ti，然后求解矩阵方程从而形成地震波在两孔之间地质体中的波速分布图像，根据图像可清晰的观测到在测孔间的波速分布情形。

图1 突水后隧道内部情形

在两测孔间共发射n条测试线，根据探测要求把平面分为m个小的单元体，结合射线理论求解如下波速矩阵方程：

(1)

lij为第i条测线分布在第j个单元格内的长度，m；sj=1/Vj为第j个单元的慢度，s/m；ti为第i条射线的初至走时，s。

式(1)中lij、ti为已知，需求解sj，进而求得Vj，即波速分布。平面内每个单元视为均质体，进行首波走时的等量分配。

2.2 CT探测结果分析

在左洞地表垂直钻孔内(桩号ZK281+940)采用跨孔地震CT，钻孔布置见图2，探查左洞突水、涌泥地段上方不良地质体(空腔、软弱带)和含水体分布情况。跨孔CT置于两个测孔中。一个孔内放置高频声源(电火花震源)。另一个孔内固定住一串检波器(水听器)。震源从井底向上移动并固定间隔深度位置释放地震波。地震波通过另一侧孔中水听器链记录下来，且波的旅行时被确定。基于所有旅行时，一幅高分辨率的声速图被计算出来。测线图见图3，水平坐标为两测孔间距，纵坐标为测点距离孔口的深度，测试范围为梯形区域，左侧埋深15 m，右侧埋深39 m，测孔间距宽20 m。

图2 CT钻孔布置图

图3 垂直面CT单元及测线图

由图4可知，地震波速等值线大致呈水平向条带分布，在高程2 307 m～2 320 m区段内存在低速分布区，该区范围向左侧延伸至约13 m处，推测为左洞突水突泥后隧洞上方形成的充水腔体；在高程2 320 m～2 331 m区段内地震波速中等，并延伸至左侧高程2 324 m～2 339 m范围内，岩体软弱，结合前期地质勘察报告，推测该区域为中风化混合岩；图中上方波速高值区域推测为灰岩；在腔体以下，高程2 299 m～2 307 m区域为全强风化花岗岩，可能夹杂有上方跨落下来的中风化混合岩块，推断为目前隧洞溃口段的直接顶板。

图4 地震波速分布云图

2.3 隧道左洞灾害机理分析

根据钻孔内的跨孔CT资料，孔内上方空腔左孔中心约为10 m，向左侧延伸约13 m，被水完全充填。根据库岸再造等相关资料类比分析，砂土在水下的稳定坡角大部分在28°～32°间，跨孔 CT判断的空间形态基本符合砂土加块石的水下稳定坡角。

根据探测数据，推测本次突水、涌泥形成过程为：隧洞开挖，上方全风化花岗岩受开挖扰动，松动破裂，与上方灰岩裂隙水连通，在水的软化作用下，岩体崩解破坏，造成初期支护受力过大失效，隧道塌方，随后灰岩裂隙水补给，塌方体周围岩体在水的浸泡下继续软化崩解，塌方范围进一步扩大，当塌方范围发展到上方混合岩层时，由于混合岩层较为完整坚硬，不再继续发展，同时下方溃口被塌方体堵塞，使得隧道突水、涌泥被阻止。其形成机理如图5所示。围岩主要为全强风化花岗斑岩，含全风化辉绿岩夹层，岩体极破碎，成孔质量很差，遇水则崩解、泥化，强度极低。所以风险性较高，应及时采取处理措施进行灾害防治。

3 防治措施

3.1 防治思路与原则

岩溶硐室可分别采用封堵和减排等方式，九顶山隧道泄水降压，监测控制，确保施工过程中出现突水事件。总的原则是：综合采用“探、截、泄、帷”的措施，即按照综合探测现行，截断手段跟随，泄水措施辅助，最终形成截水帷幕的总体处理原则。

图5 左洞突水突泥机理图

3.2 施工方案

结合地质以及探测手段的综合资料，设计相应施工方案：右幅泄水与左幅加固相结合。

(1) “探”—通过跨孔CT结合地质勘察资料，有效的分析结构岩溶形成机理，结合分析结果针对性的提出防治措施。

(2) “截”—对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞,截断地表水补给，避免岩溶水的进一步加大。

(3) 右幅泄水孔布置在K281+929—K281+935段。使用PRD-180CBR型多功能钻机，在右幅K281+940右侧拱腰位置，按向上倾角35°，钻入深度为45 m，管径108 mm的泄水管伸入到左幅拱部的溶腔里，通过排水使水位控制在2 310 m标高。溶腔水位监测采用BXS孔内水位计进行监测。BXS孔内水位计主要有报警水位计、200 m标尺测线、电阻探头三部分组成。当探头碰到水时，水位计警报响起，记录好测线上的初始刻度，当测线放到孔底记录好最终刻度，从而可以得到孔内的水位高度及水位标高。当右幅泄水管开始泄水时，按每天24 h对孔内的水位、泉眼、左幅洞内流水量进行监测，并根据监测数据分析孔内的补给规律。

(4) K281+922—K282+002段使用管棚进行超前支护、并对已开挖段及时进行支护处理，K281+929—K281+935段预留3个打通左幅拱顶溶腔的泄水孔，控制水位的标高，从而减小溶腔内水压力，降低左幅处治的风险，K281+930—K281+940段使用多功能钻机对右幅K281+930—K281+940段进行全断面帷幕注浆，加强围岩的抗水能力和围岩的自稳能力。加密初期支护周边位移收敛及拱顶沉降的监测，根据监测数据的分析，如出现异常应立即采取：① 暂停掌子面的开挖并用钢筋网喷射混凝土进行封闭，并对变形裂缝进行处理；② 调整纵坡消化拱顶沉降；③ 增加锁脚注浆锚管等措施进行处理，规避风险。

3.3 处理结果验证

通过相应措施处理，一年后进行现场检测(见图6)，通过拱顶衬砌检测以及瞬变电磁仪对隧道拱顶进行探测，获得隧道突水段拱顶地层相对电阻率图像(见图7)，由图7可以看出，地层中的电阻相对低值区比较集中，区域不大，即表明隧道拱顶突水段溶洞体积相对稳定且未进一步对周围的土体进一步的侵扰，且隧道拱顶衬砌无开裂渗水的现象，即表明岩溶区域在通过治理后，处于相对稳定状态，即表明处理措施有效。

图6 现场检测示意图

图7 突水段拱顶相对电阻率图

4 结 论

(1) 由于地下构造的不确定性和复杂性，所以在岩溶隧道的实际施工过程前，很难在设计这一阶段充分考虑，且岩溶隧道事故发生存在突发性，所以在施工过程中应不断总结建立以地质调查前提，以跨孔CT等精确物探手段为主，并周期性复测相结合的防治机制，从而确保以充分结合施工过程中物探手段十分重要。

(2) 通过对隧道现场进行地震波跨孔层析，通过最小二乘法进行反演，在计算中可做显示表示，即能用公式表示出来，但最小二乘法在计算开始前就默认数据线性关系，在进一步研究中不断完善。

(3) 根据现场测试的结果，判断隧道与岩溶的空间位置关系，结合现场地质资料对岩溶隧道突水、突泥机理进行分析，总结九顶山隧道岩溶填充特征，并对填充富水型岩溶填充物的危险进行风险评估。

(4) 结合施工过程中揭示的岩溶情况及涌水情况，制定“探、截、泄、帷”的防治对策。在排水的基础上，提出一体化注浆工艺—前进、后退式分段注浆，从而有效的避免注浆工程中浆液难以到达钻孔孔底以及钻进时孔内注浆存在扫孔的这两大弊端。