含填充型溶洞高速公路隧道突泥灾害机制及加固技术研究

摘要：我国西南地区隧道建设施工环境复杂多变，针对含软弱围岩及填充型溶洞的高速公路隧道易发生突泥突水灾害现象，文章以广西桂林至柳城高速公路某隧道工程为背景，研究掌子面突泥突水的发生机制及帷幕注浆加固参数调整，得到如下结论：（1）含软弱围岩及填充型溶洞的隧道易发生突泥和突水灾害，且灾害突发性强、发生速度快、影响范围大及次生灾害多;（2）总结出突泥和突水灾害发生机制，即灾害受汇水峡谷地形、地下水丰富、导水通道发育、勘探工作不到位及注浆效果不足等因素的影响，主要影响因素是隧道含软弱围岩及充填型溶洞;（3）通过对比调整帷幕注浆施工参数前后检查孔渗流量情况，发现调整参数前的注浆效果达不到规范要求，而调整后的加固参数能达到良好的注浆效果，防止突泥突水灾害的发生，保证工程安全。

关键词：填充型溶洞;隧道;突泥突水;发生机制;注浆加固

文献标识码：U457+.2-A-26-085-4

0 引言

随着我国经济和技术水平的快速发展，以及人民对便利出行的需求日益增长，我国的高速公路发展越来越快[1-2]。但是在我国西南地区，高山峡谷分布广泛，给高速公路建设带去严峻挑战，隧道逐渐成为高速公路的主要构筑物之一，因此也促进了隧道建设技术的提升[3-4]。

然而，隧道建设时刻面临着复杂的施工环境，如靠近或穿越大型溶洞时面临的突泥和突水等问题[5-6]，溶洞严重影响着隧道的施工和后期高速公路隧道的安全运营，因此，对于隧道靠近或穿越大型溶洞时的施工技术研究显得十分重要。闫立来以太原至佳县的某段高速公路为研究背景，研究了隧道穿越溶洞时的涌水处理技术[7];代宣印全面探讨了隧道穿越大型溶洞时的施工技术要求，为施工安全和隧道长期稳定提供了技术指导[8]。

目前，针对含溶洞的隧道施工技术已经取得一定的成果，但是以经验施工较多，且存在成本相对较高和施工工序较为繁琐等不足，而且对于溶洞导致的突泥突水等灾害的发生机制研究还很少见。因此，本文以广西桂林至柳城高速公路某隧道工程为背景，研究隧道左线掌子面突泥突水的发生机制，并通过现场实际情况对原有帷幕注浆加固施工技术进行参数调整，达到经济有效地防治突泥突水及加固效果。

1 工程概况

1.1 工程概况

本文选取的广西桂林至柳城高速公路某隧道为小间距的长隧道，该隧道是该高速公路的重要工程之一，工程所处地区为亚热带季风气候。隧道全长3 200 m，最大埋深500 m。该隧道左线明暗交界处桩号为ZK90+908，隧道施工至桩号ZK91+087时，掌子面左侧遭遇填充型溶洞，溶洞高约4 m，宽约2 m，侵入隧道初支约为1 m。

1.2 突泥突水灾害概况

隧道掌子面开挖至ZK91+093处时，溶洞呈斜向掌子面上方发育趋势并伴随有石块和泥土脱落的现象，随后掌子面拱顶发生小规模突泥现象，洞顶溶洞塌腔呈7 m直径大小圆形，突泥主要为泥夹石堆积体，无泌水现象。几小时过后，掌子面再次发生突泥，突泥充填段长度约30 m，桩号为ZK91+093～ZK91+063，突泥量约为2 000 m3，还伴随着突水现象，突水量大约为2.4×104 m3。

2 灾害机制分析

2.1 災害环境因素分析

通过现场勘察和试验及理论数据分析，总结出导致该隧道发生突泥和突水等灾害的环境因素，分为以下几个方面：

（1）谷地汇水地貌。地形地貌对于地下水和地表水的汇集具有重要的影响，盆地和沟谷等就具有较强的聚水能力，该隧道上方为谷地，聚水能力强，地下水丰富。

（2）水资源丰富。该隧道所处区域为亚热带季风气候，降雨充沛，一年内每月的平均降雨量如图1所示。从图中可以看出，该区域分为明显的丰水期和枯水期，年平均降雨量约为1 500 mm左右，溶洞中也能储存大量的水。

（3）围岩稳定性较差。隧道开挖时周围岩体主要是风化的混合花岗岩，由于较长时间的风化作用，围岩岩体破碎，裂隙较大，导致浸水后易崩解。通过现场试验，得知不同掘进深度围岩土样的崩解率，如图2所示。从图中可以看出，该隧道不同掘进深度的围岩在浸水35 min后崩解率均达到了95%以上，说明其稳定性较差。

（4）导水通道发育。经过现场勘察，发现隧道围岩土层不均匀，渗透系数相差较大，经过现场实测和室内试验，得到不同土体的渗透系数如表1所示。从表中可以看出，现场所测值比室内试验所测值大出2个数量级，说明现场围岩具有较为发育的导水通道。为了进一步探测溶洞及稳定性较差的围岩内导水通道较为发育的地层，通过Flash RES64对溶洞附近隧道地层进行检测，检测结果如图3所示，岩层稳定性区域和导水通道较为发育的区域均能从图中直观地看到。

2.2 灾害机制分析

如图4所示的灾害机制图可知，该隧道地表水和地下水丰富，导水通道较为发育，加上周边充填型溶洞影响，为突泥突水等灾害的发生提供了自然基础，且在隧道施工过程中，缺少一定的探测及预防措施，且注浆技术不到位，最终引发了突泥和突水灾害，还会导致一系列的次生灾害。

3 注浆加固技术分析

3.1 帷幕注浆加固技术

隧道地层最大静水压力为1.28 MPa，加之溶洞的存在降低了围岩稳定性，开挖过程中给支护结构提出了更高的要求，因此必须采取超前注浆措施，但是突泥突水灾害的发生说明之前的注浆措施并不到位，因此必须重新调整注浆加固施工参数，避免灾害的再次发生。

为了对溶洞及风化岩体进行有效的注浆加固，需要对注浆液体进行调整，根据涌水量大小可采用普通水泥浆和水泥-钠水玻璃浆液，通过掺杂超细粉煤灰或矿渣调整凝结时间和结石体强度。根据裂隙发育程度及安全系数，将注浆压力调整为2.5～3.3 MPa。注浆范围须覆盖围岩松动圈和溶洞边缘，此次注浆帷幕厚度为6 m，注浆扩散半径平均为1.4 m，具体注浆参数调整如表2所示，其注浆纵面示意图如下页图5所示。

3.2 注浆加固效果评价

通过检查孔法对隧道某注浆加固治理段治理前后进行抽样检查评价分析，规范要求涌水量为单孔涌水量≤3 L/min，且单孔单位涌水量≤0.2 L/（m·min）。治理后的抽样检查结果如下页表3所示，治理前后相应位置的单孔涌水量对比图如下页图6所示。由表3和图6所示可知，调整加固参数前后均抽取10个检查孔，成孔率均>94%，无塌孔发生，且未调整加固参数前渗流量均>3 L/min，不满足设计规范，因此导致突水现象发生，而调整加固参数后的渗流量均远<3 L/min，满足设计要求，说明调整参数过后的注浆加固技术取得明显的围岩加固和堵水效果。通过现场观测，调整加固参数后的掌子面变得相对干燥，注浆扩散效果良好。

4 结语

针对含软弱围岩及充填型溶洞的高速公路隧道易发生突泥突水灾害现象，本文以广西桂林至柳城高速公路某隧道工程为背景，研究掌子面突泥突水的发生机制及帷幕注浆加固参数调整效果，得到如下结论：

（1）含软弱围岩及充填型溶洞的隧道易发生突泥和突水灾害，且灾害突发性强、发生速度快、影响范围大及次生灾害多。

（2）总结出突泥和突水灾害发生机制，即灾害受汇水峡谷地形、地下水丰富、导水通道发育、勘探工作不到位及注浆效果不足等因素的影响，主要影响因素是隧道含软弱围岩及充填型溶洞。

（3）通过对比调整帷幕注浆施工参数前后检查孔渗流量情况，发现新的加固参数能达到良好的注浆效果，可防止突泥突水灾害的发生，保证工程安全。

参考文献

[1]黄 鹂.新时期高速公路生态恢复及绿化养护策略探析[J].工程建设与设计，2020（20）：88-89.

[2]Zhou Leisheng，Zhu Ying.Analysis of Stratum Settlement Laws Caused by the Construction of Shallow-Buried Expressway Tunnels with Large Span and Small Spacing[J].Geotechnical and Geological Engineering，2021（39）：1 485-1 495.

[3]Xuejian Zhu，Nian Zhang，Xiaohui Hao，et al.Study on the design of water treatment scheme for Expressway tunnel in a mountainous area[J].International Core Journal of Engineering，2019，5（9）：234-239.

[4]韓 磊，白阳阳.上下并行隧道先后下穿高速公路相互影响机理研究[J].现代城市轨道交通，2020（11）：61-65.

[5]吴雷雷.岩溶地质环境下影响高速公路隧道溶洞稳定性的数值模拟[J].公路工程，2017，42（3）：245-248，265.

[6]陈伟康.高速公路隧道穿越溶洞段处治技术的应用研究[J].安徽建筑，2020，27（10）：159，198.

[7]闫立来.太原至佳县高速公路隧道溶洞及涌水处治技术浅析[J].山西交通科技，2013（5）：41-42.

[8]代宣印.山区高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技术[J].交通世界，2016（32）：64-65.

收稿日期：2021-03-08

作者简介：郑英俊（1981—），工程师，研究方向：高速公路施工管理。