复杂地质条件下预防隧道涌水突泥关键技术分析

黄和江HUANG He-jiang；刘文敏LIU Wen-min

（①云南云岭公路工程注册安全工程师事务所有限公司，昆明650000；②云南云岭公大公路工程有限公司，昆明650000）

0 引言

近几年来，随着我国基础设施建设的不断发展，我国正在由交通大国向交通强国迈进。目前为止，我国已经攻克了复杂长大隧道、海底隧道等一系列超级工程建设技术难题，中国交通基础设施建设技术也已跻身世界先进行列。

但是，地处西南边陲的云南地区，交通基础设施的建设仍然是全国比较落后的几个省份之一。云南地处云贵高原，高山峡谷相间，地形波状起伏，不仅山多，河流湖泊也多，构成了山岭纵横、水系交织、湖泊棋布的环境格局，致使云南高速公路的建设难度倍增。云南也素有地质博物馆之称。特殊的地理位置，复杂的地质环境，对高速公路隧道工程的修建增加了更多的困难和挑战。纵观最近几年云南高速公路建设过程中，隧道工程的建设施工风险是最高的，隧道坍塌冒顶、涌水突泥是隧道建设过程中发生频率最高的事故类型。尤其是涌水突泥，一旦发生，将防不胜防，很容易导致群死群伤事故，威胁作业人员生命财产安全。目前为止，隧道工程施工尚未形成成熟的、有效的涌水突泥预防技术，更多的还是以事后处治为主。本文以云南临沧地区某高速公路隧道为例，针对隧道发生的涌水突泥事故，研究分析隧道发生涌水突泥的机理。结合该隧道涌水突泥事故发生前后，国家、地方政府相关监管部门和项目参建单位所做出的努力和采取的一系列处治措施，分析复杂地质条件下预防隧道涌水突泥关键技术，以期为隧道施工过程中有效预防涌水突泥提供借鉴和指导。

1 事故案例

1.1 隧道工程概况 某隧道为临沧市某高速公路的控制性工程。隧道左洞起止桩号ZK38+255~ZK43+605，洞身全长5350 米；右洞起止桩号YK38+330~YK43+595，洞身全长5265 米，隧道左、右洞平面设计线间距为24.7~27.9米，隧道最大埋深449.81 米。隧道属低中山地貌，地形起伏较大。山体自然坡度14~31°，总体地势较缓，植被较发育，以乔木、灌木丛、茶树地为主，进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。隧道隧址区地层岩性主要有第四系残坡积的粉质黏土、砂质黏土与燕山早期花岗岩及前奥陶系大田丫口组和松山组的石英片岩、绢云母片岩等，差异风化明显。隧址区在区域构造上位于前奥陶系变质岩岩体与燕山早期花岗岩岩体接触区带内，隧道轴线上无区域性断裂、褶皱分布。石英片岩、绢云母片岩、花岗岩中节理、裂隙面为岩体结构面。绢云母片岩夹层为岩体软弱夹层，呈层状或透镜状分布；石英片岩、花岗岩中节理裂隙数量多、产状紊乱，方向性、延伸长度、间隔距离、张开闭合与充填情况复杂。节理裂隙结构面与绢云母片岩夹层共同将岩体分割成不规则多面体。地下水主要为松散层孔隙水和基岩构造裂隙水两种类型。隧道区气候属中亚热带季风气候，年平均降水量1200mm，最大年降水量1600mm。

1.2 事故简介 隧道出口端右洞距掌子面桩号为K42+951.6, 距离掌子面5 米左右隧道右上方突发涌水突泥。经测算，现场涌水量每小时800 立方米，突泥约1.5 万立方米，涌水突泥速度约13m/s。涌水突泥十分猛烈，造成仰拱施工部位一辆挖掘机被掀翻推移48 米后掩埋，重约110 吨的二衬台车被推出148 米，形成的泥沙堆积层最薄处约2.5 米，最厚处约5.5 米。

2 事故原因分析

2.1 直接原因 在灾害点上方存在一囊状形态的含水隐伏破碎带。含水破碎带为风化囊状形态，体积约1.53 万立方米，其底部距隧道顶板围岩约3 米左右，在工程未开挖扰动前，处于相对平衡状态。（图1）

图1 破碎带示意图

掌子面掘进超过水囊5 米左右，水囊位置拱顶沉降变形加剧，地下径流场的动（静）水压力增大，含水单元间渗流通道扩展、水力联系增强、渗透系数变大，使得隧道拱顶上方围岩进一步软化，强度降低，隧道顶板围岩强度达到极限临界状态，突发第一次涌水突泥。第一次涌水突泥后，大量物源迅速淤积在局部堵塞点，涌水突泥暂时终止，随着补给水的不断涌入汇聚，其势能急剧增高，压力增大，造成第二次涌水突泥。（图2、图3）

图2 第一次涌水突泥局部示意图

图3 第二次涌水突泥局部示意图

2.2 间接原因 设计单位违法分包；施工单位涌水突泥转向应急预案缺乏针对性和可操作性，未开展涌水突泥专项应急演练；第三方检测单位监控量测、超前预报工作不到位。

3 涌水突泥预防技术

隧道施工发生涌水突泥，常常酿成重大事故。一方面威胁作业人员生命财产安全，一方面致使工期延误、工程费用成本增加等。为有效预防隧道涌水突泥事故的发生，必须要事先做好风险预判，根据预判结果制定相应的施工安全技术方案。实施过程中，本着“岩变我变”的思想和动态设计的原则，根据实际开挖揭露围岩情况，改变施工方法、增加辅助施工措施等，从而提高隧道施工涌水突泥的预防水平和处治能力。下面，从以下几个方面探索隧道施工涌水突泥预防的关键技术和环节。

3.1 提高勘察设计质量 工程勘察设计是工程建设的基础。古人云“基础不牢，地动山摇”，这一思想在工程建设领域可以说是体现的淋漓尽致。隧道工程是属于地下工程、隐蔽工程，某种程度也算是有限空间作业，施工风险极高。特别是云南地区，地形地貌地质环境复杂，围岩突变频繁，多种因素和风险叠加，更是增加了隧道施工的风险。因此，隧道工程的建设，特别是针对云南地区隧道工程，要有效降低施工风险，特别是预防坍塌和涌水突泥的发生，必须要从勘察设计入手。

勘察设计阶段，勘察设计单位资质必须满足要求。严格按照勘察设计规范组织开展勘察设计。针对地质条件复杂、地质围岩差的段落，必须进行详勘。除了利用传统的踏勘、调查、测绘、物探、钻探、试验等手段，再加上现代化的遥感影像解译、地理信息系统、三维地质模型等先进的信息化手段，探明隧址区地形地貌特征、地质条件、地质构造（围岩类别、岩层分布、风化程度、不良地质现象、工程地质状况等），地表水的分布特征、地下水的水质、水量和分布形式等，地震烈度及地震活动情况，当地气候条件等影响隧道施工安全的相关因素。设计图中尽可能准确的表达出地形地貌、围岩地层岩性、风化程度、富水情况、视电阻值等关键指标，同时合理设计出不同地质围岩环境条件下的施工开挖方法和支护参数，为施工阶段提供可靠的技术参考。

3.2 严格开展隧道施工安全风险评估 施工阶段是隧道施工的关键性阶段，也是最容易发生群死群伤事故的重要阶段。隧道施工安全防控重点就在施工阶段。因此，单座隧道工程开工前，必须严格按照交通运输部下发的《关于开展公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估试行工作的通知要求》（交质监发[2011]217 号）组织开展隧道工程施工安全风险评估。隧道工程施工阶段安全风险评估分为总体风险评估和专项风险评估两个部分。总体风险评估是根据围岩的地质条件（围岩等级、瓦斯含量、富水情况）、开挖断面、隧道长度、洞口形式和洞口特征五项指标静态评估隧道的总体风险等级。隧道总体风险评估等级达到Ⅲ级（高度风险）及以上时，对隧道工程开展施工安全专项风险评估。隧道工程施工安全专项风险评估是将隧道洞身按照不同级别的围岩等级进行划分，划分完成后进行风险源普查，列出每段围岩可能存在的事故类型，采用LEC 法进行估测，评估出每一段围岩施工过程中可能发生的事故类型的风险大小，针对其中的重大风险源进行量化估测，确定隧道洞身重大风险源段落以及相应段落可能发生的事故类型和风险等级，并提出相应的风险控制措施。专项风险评估作为施工单位编制专项施工方案的重要依据，为隧道施工安全技术控制和管理提供可靠参考。由此可见，隧道施工前进行风险评估尤为重要。

3.3 针对性的编制隧道专项施工方案 根据风险评估结论，编制隧道专项施工方案。专项施工方案严格按照相关规范及文件要求编制。以隧道两阶段施工图设计为基础，参考隧道工程施工安全专项风险评估结论，根据不同围岩环境条件选取不同的施工开挖方法和支护手段。针对专项风险评估中的重大风险源段落，在专项施工方案中必须制定切实可行的开挖、支护措施，明确安全控制要点。施工方案经专家论证后现场严格按照专项施工方案施工。严禁出现施工、方案“两张皮”的现象。特别针对地质复杂隧道富水性较强的段落，必须提前根据设计涌水量大小，制定合理的防排水措施。往往这些段落，围岩条件较差，发生坍塌的风险大，安全防护和控制不当还可能发生涌水突泥。必须严格控制每循环施工开挖进尺和施工步距，加强支护，适时跟进二次衬砌。当地下水量较大时，可采取修建止浆岩墙和超前帷幕注浆的方式，待地下水量明显减小和前方围岩固结后再进行掌子面掘进施工。

表1 隧道施工安全步距控制

3.4 超前地质预报 超前地质预报是地质勘察工作在施工阶段的延续，是在复杂地质情况工程安全事故多发条件下，为满足施工安全，采取一定的技术手段，获取隧道洞身岩体的相关资料，运用地质理论方法进行研究、分析，综合考虑灾害发生规律，预报隧道掌子面的围岩和富水情况，从而研判前方掌子面施工过程中可能存在的灾害类型。

针对复杂地质条件隧道，必须建立严格的超前地质预报制度并严格执行。隧道超前地质预报工作应严格按相关规范要求和隧道超前地质预报实施细则执行，采用详勘成果与超前预报相结合、辅助导坑与主洞探测相结合、先行洞与后行洞相结合、超前预报与掌子面素描（地质描绘）相结合的方法、地质方法与物探方法相结合、洞内探测与洞外地质勘探相结合、长距离与中短距离预报相结合，并对不同的方法预报的结果进行综合分析、对比，相互验证，提高预报的实用性和准确性。隧道超前水文、地质预报应符合相关规定的要求，采用正确的预报方法，各预报方法的搭接长度应符合相关规范要求，中长距离预报方法搭接长度不得小于10 米，短距离预报方法搭接长度不得小于5米，严禁漏报。采用用两种或两种以上物探方法进行预报。特别是在富水岩溶发育区、富水断层破碎带、瓦斯突出区、低阻异常区、重大物探异常区、高地应力区、高地热区等地质条件复杂地段必须采用超前水平钻探和斜向钻探，斜向钻孔数量不得少于4 个，应覆盖隧道未开挖区域的顶部、底部、左侧和右侧，斜向钻深度和角度应以满足安全施工和溶洞处理所需资料为原则。（图4、图5）

图4 地质雷达短距离超前地质预报示意图

图5 超前钻孔布设示意图

3.5 应急救援演练 编制应急预案，这是应急救援的基础。但应急预案要真正的发挥作用，必须进行应急救援演练。通过应急救援演练发现预案中存在的不足，提高应急预案的针对性和适用性。同时也提高施工作业人员的风险防范意识和自救互就能力，提高协调配合能力，提高作业人员在紧急情况下的应急处置能力。做到一旦出现预警现象或险情时，现场人员能够高效、快速撤离现场，有序组织开展现场营救，避免出现盲目施救。

4 结语

在高速公路建设过程中，隧道工程的建设是风险较大的一个环节。特别是云南地区复杂地质条件下隧道工程的建设过程中，隧道坍塌、涌水突泥常有发生。大规模的涌水突泥灾害一旦出现，基本是束手无策。归根结底，必须要不断的提高隧道施工技术水平和安全管控措施，提高隧道涌水突泥灾害的预判和预防能力，最终达到降低复杂地质条件下隧道施工安全风险的目的。于此，主要分析了复杂地质条件下预防隧道涌水突泥关键技术，设计阶段从地勘工作入手，确保地勘资料的准确性，施工阶段以地勘资料为基础，开展施工前的风险评估，对隧道施工重大风险部位、事故类型和风险大小做出准确预判，通过编制专项施工方案，做好超前地质预报和应急措施，为有效预防隧道涌水突泥做好充分的事前预防工作，有效降低隧道施工风险。希望能够对云南地区复杂地质条件下的隧道工程建设提供参考。