山区隧道突泥涌水预防与处治技术研究.pdf

第 卷第 期粉 煤 灰 综 合 利 用 年 月 岩土力学山区隧道突泥涌水预防与处治技术研究 韩志刚（云南云通监理咨询有限公司，云南 昆明 ）摘 要：针对隧道突泥涌水危害大的问题，结合激发极化法、地质雷达、跨孔 等方法，对九顶山隧道 突泥涌水段进行探测，并根据探测结果分析出现突泥涌水的原因。结果表明，通过地质雷达、跨孔、激发极化法，得出在 号钻孔中 处都存在破碎岩体，且富含水体；岩性分析发现突泥涌水段围岩等级为 级，多为易碎的全风化灰岩，稳定性差，易出现塌方；九顶山隧道突泥涌水段每隔约 间歇性涌水；暴雨天气涌水量明显增加，且存在地表水补给的现象。造成隧道突泥涌水的成因，是隧道开挖对岩土上方的全风化花岗岩结构产生破坏，造成使灰岩层中的裂隙水与花岗岩破坏结构连通，进而让花岗岩岩体软化，最终使得初期支护失效，从而引发隧道塌方。针对以上成因，提出“探”、“截”、“泄”、“帷”的处治措施。通过工程实践表明，以上处治方案有效。关键词：岩溶隧道；突泥涌水；灾变机理；处治技术中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：（，）：，；，；，：；作者简介：韩志刚（），男，本科，高级工程师，研究方向：隧道突泥涌水预防与处治收稿日期：粉煤灰综合利用 卷岩土力学 引言突泥涌水是隧道施工中常见的一种地质灾害，它不仅给施工造成极大影响，还给施工安全带来威胁。因此，加强突泥涌水的预防和处治，成为隧道施工亟待解决的重点。针对突泥涌水等地质问题，人们从地质超前预报角度，提出采用掌子面法、超前钻探等方法结合地震波（、）、电磁波（地质雷达）、电阻率法（瞬变电磁、激发极化）以及红外探测等物探方法，从而对地质结构的断层进行分析，为地质预报提供信息；在处治措施方面，曹玉有以兰新客专大梁隧道的突水涌泥段为依托，提出将帷幕注浆加固技术应用到隧道施工中。结果表明，通过帷幕注浆加固技术，能有效处治突泥涌水问题；吴大勇针对大兴乡隧道突泥涌水，制定了超前支护交叉中隔壁法（，）开挖的处理措施，且证明这种处治方案有效。考虑到工程施工面临的因素众多，处治方案也各有不同，本试验结合九顶山隧道工程地质和超前探测获取的信息，就工程出现的突泥涌水问题展开研究，并结合探测数据提出可行性的处治方案，从而为隧道突泥涌水提供工程借鉴案例。隧道地质综合探测分析 综合探测方案本试验以云南楚大线高速公路建设项目中的九顶山隧道工程为例。资料显示，该工程隧道的左洞桩号 段存在突泥涌水段，且存在塌方，塌方腔体沿环向的总长度超过。为找到突泥涌水的原因，工程人员采用地质雷达、跨孔、激发极化法等多种超前预报手段对突泥涌水段地质进行钻孔勘探，钻孔深度 。整体探测方案如图 所示，采用由点及面的手段对钻孔周围的不良地质体和含水分布进行。其中，号和 号钻孔采用地质雷达和激发极化法进行探测；号和 号钻孔采用地质雷达和跨孔 进行探测。图 探测孔布置方案 部分现场测试如图 和图 所示。图 地质雷达现场测试 图 跨孔 测试 探测结果 地质雷达探测结果图 图 分别为 号孔地质雷达成果图，表 为 号探测孔的深度和有效探测半径。其中，若存在两种全强风化岩体接触或高含水率岩体，在图中都表现为较强的弧形反射；若岩体破碎，则无明显的反射信号。由图 可知，号孔在孔深 处表现出弧形反射，推测为两全强 期韩志刚：山区隧道突泥涌水预防与处治技术研究 岩土力学风化岩体的接触界面，或者为高含水率岩体，孔深为 则无明显的反射信号，推测为较破碎岩体；由图 可知，号孔在 处就开始存在弧形反射，反射信号消失，孔深 又有弧形反射，孔深 段反射信号消失，在 处信号明显增强，推测可能是高含水率岩体造成的；由图 可知，号孔在 段 出 现 弧 形 反 射，在 孔 深 段反射信号消失；由图 可知，号孔在孔深 段出现较强的反射信号。图 号孔地质雷达成果图 图 号孔地质雷达成果图 图 号孔地质雷达成果图 图 号孔地质雷达成果图 表 号孔的深度和有效探测半径 孔号深度 有效探测半径 号孔 号孔 号孔 号孔 激发极化法和跨孔 探测结果图 为 号孔视极化率与视电导率变化曲线。由图 可知，在孔深 间，视电导率与视极化率均缓慢增加。其中，视极化率平均增长超过，因此考虑是由高含水率岩体造成的。图 号孔含水率探测结果 跨孔 的探测结果如图 所示。图 跨孔 探测的地震波形图 粉煤灰综合利用 卷岩土力学 探测结果分析通过对 段隧道的多种探测可以得出结论：通过激发极化法发现，在 的岩层深度，视电导率与视极化率整体表现为增加的趋势，且视极化率平均超过，由此判断在 的深度存在高含水率的岩体；在孔深度 内，围岩主要以全强风化花岗斑岩为主，且岩体较为破碎，均质度差；通过跨孔 测试分析，在高程为 的区间，为地震波的低速分布区，且在该区域向左延伸的 处存在充水的腔体。综上，通过以上探测数据，可得到以下几个结果：一是 号孔中都存在破碎岩体，以此可以推断可能存在岩性差异风化，且含水体都较大；二是根据图 的 探测，可以推断为隧洞溃口段的直接隧道顶板。工程突泥涌水的特点 突泥涌水段的岩性分析地质调查显示，九华山隧道突泥涌水段的岩性主要为灰岩、白云质灰岩、强风化花岗斑岩和中风化花岗斑岩。同时为更好的评价岩层硬度，以岩石质量（，）对不同地质层的岩石进行评价。灰岩主要位于泥盆系下统青山组岩层。该层的灰岩主要为隐晶材质，呈现为灰色或灰白色，其中夹杂着少量白云灰岩。在岩体的构造方面，主要呈现为钙状中厚层。通过钻机取芯发现，整体岩质较为坚硬，无出现任何反水现象。岩芯呈现为短柱状，且易破碎。，锤击清脆，整体岩层的承载力为 。白云质灰岩位于泥盆系下统康廊组岩层。该层的白云质灰岩主要为清灰或灰白的隐形晶体，为中厚层地质构造，同时内部有溶孔和部分铁质浸染。通过机械钻进发现，岩芯完整，并夹杂少量短柱和碎石。钻进过程中有回弹，击碎较为困难，且岩质内部存解石填充，。强风化花岗斑岩和中风化花岗斑岩主要位于燕山期岩层。其中，强风化花岗斑岩的成分主要以石英、长石和云母为主，呈现为灰白色的岩体。岩芯形态呈现为短柱，承载力的最大值为；中风化花岗斑石的化学成分与强风化花岗斑岩相同，但在颜色方面表现为灰绿色，为细粒状岩体。岩体的内部裂缝较为发育，处于隧道浅层电弧围岩破碎，下部较为完整。机械钻进发现，岩质较硬，承载力最大值为。各岩层的单轴饱和极限抗压强度见表。表 各岩层单轴饱和极限抗压强度 岩土层统计个数范围值 抗压强度平均值中风化白云质灰岩 强风化花岗斑岩 中风化花岗斑岩 通过表 的数据可知，突泥涌水段围岩等级属于 级。岩层主要为灰岩侵入岩和碎石状侵蚀多风化灰岩，且在岩层中伴有全风化花岗岩。该区域围岩的稳定性差，且施工过程中伴有坍塌。因此，综合评估认为该区域在雨季的施工风险大。隧道突泥涌水规律分析雨季统计显示，九顶山隧道突泥涌水属较为规律的周期性间歇涌水。涌水时间间隔在 左右，涌水量随次数逐步递增，特别是在暴雨天气下，水流量明显增加。具体涌水变化趋势如图 所示。图 涌水量变化趋势 由图 可知，在暴雨天气下，存在地表水补给。实地观察发现，每次涌水后，隧道沉积物皆为花岗岩、石英石、角闪石和石英等质地的细沙 期韩志刚：山区隧道突泥涌水预防与处治技术研究 岩土力学或椭圆状 胶体与岭土的混合物。每次涌水时间大约为 ，偶尔持续 左右。九顶山隧道灾变机理与防治研究 隧道突泥涌水机理分析采用小型地质钻孔机对涌水点的地质进行勘察。钻孔位置布置在左幅 隧道中轴线和该中轴线的左侧 ，钻孔的孔径为 ，钻孔深度设定超过 。在钻孔过程中，当钻孔的深度达到 时，开始出现地下水；当钻孔深度达 时，此时钻杆降到 。继续下钻则非常困难。退出钻杆，往钻孔中灌入水泥，发现在泉眼处有少许水泥浆冒出。停止钻孔 后，发现孔内静水位达 ，标高与泉眼的标高在同一水位线内。钻孔达 时，出现细粒状砂砾沉积物，且芯样多为烁砂状。隧道突泥涌水成因分析为进一步确定该隧道突泥涌水的原因，首先对左洞进行现场观察，发现涌水段正处在全强风化花岗岩与灰岩的交界地方。从涌水段地质构造看，灰岩属岩溶发育中比较好的一种岩石，但全强风化花岗岩则是一种可溶岩，由此造成这两种岩石的交界处多为地下河，或者是溶洞或溶腔发育。换句话说，在这两种岩性的交叉地带，形成了一个断裂带，以此给地下水的汇集提供了可能；其次，地下水的不断渗透对地下水流动有促进作用，对溶洞发育起积极作用。在隧道施工过程中，由于为溶洞结构，在溶蚀裂隙的共同作用下，出现突泥涌水现象；第三，地表降水丰富也是九顶山隧道内出现突泥涌水的主要原因。据统计，九顶山年降水约为 ，雨量主要集中在雨季，地表在强降雨作用下入渗地下水，溶洞内水压变大，突泥涌水风险增加。综上分析，可以得出造成隧道出现突泥涌水的原为以下几点：一是因为隧道施工，导致全风化花岗岩松动和破裂，进而连通了灰岩，由此形成了裂隙水。裂隙水对风化的花岗岩具有软化的作用，进一步使风化花岗岩遭到破坏。加上初期的隧道支护方案没有考虑突泥涌水带来的影响，导致支护失效，最后造成塌方；二是在塌方后，裂隙水继续软化周围岩体，进一步进一部使塌方体扩大，最后发展成为混合岩层。这种混合岩层较为坚硬，对溃口形成了一定的堵塞作用，进而在一定程度阻止了突泥涌水的继续。突泥涌水防治措施与效果 防治措施为解决九顶山隧道突泥涌水问题，提出“探”、“截”、“泄”、“帷”的防治措施，即通过探测、截断、泄水，从而形成截水帷幕。（）探：运用跨孔、地质雷达等各种预报手段结合，深入分析岩溶形成的内在机理。（）截：通过回填地面沉降造成的陷穴和深坑，封堵裂缝，减少地表水的涌入。（）泄：在截的同时，要考虑对涌水区域的水进行排泄。对此，在突泥涌水的周围区域设置泄水孔，具体方案是首先在右幅的 右侧的拱腰位置，采用向上倾角 处进行钻孔，钻孔的深度在 左右。然后将排水管深入到钻孔中对积累的水进行排泄，并将水位控制在 的标高出。在对右幅进行泄水时，对泉眼和左幅洞内流水量进行 的监控。（）帷：针对现有的突泥涌水区域，提前对 段进行支护。具体方案是在开挖时采用管棚支护，并在 段利用泄水孔的方式来控制水位的高度，用以减轻左幅处治风险。在右幅 段进行全断面帷幕注浆处理，增加围岩自稳和抗水能力。重点监测道拱顶沉降和初期支护周边位移，有异常情况出现时，马上停止隧道挖掘，并立即用钢筋网和混凝土对变形和裂缝进行处理。防治效果在上述方案实施 年后，利用瞬变电磁仪对原突泥涌水区域进行探测测试，得到的测试结果见图。由图 可知，在原来的突泥涌水区域，地层中的高电阻区比低值区电阻要集中，且集中区域缩小说明通过处治方案，使得突水段溶洞体积变得稳定，且有所变小，验证了本研究构建的 粉煤灰综合利用 卷岩土力学处治方案的可行和有效性。结论通过对九顶山隧道突泥涌水的探测与处治，可以归纳出以下几点结论：（）九顶山隧道内突泥涌水具有一定的规律性。突泥涌水时间间隔一般为 ，每次涌水在 左右，部分可持续 。突泥涌水过程中，沉积物主要为花岗岩、石英石、角闪石和石英材质的细沙或椭圆状 胶体和高岭土混合物。N N图 突泥涌水段拱顶地层相对电阻率图像 （）九顶山隧道突泥涌水的成因是工程开挖造成隧道上方区域的全风化花岗岩破裂，并连通了灰岩中的裂隙水，进而造成风化花岗岩结构破坏，最终导致初期支护失效引发塌方。另外由于塌方周围土体软化，使得塌方的面积进一步扩大，并延续到混合的岩层中，使得溃口被塌方的土体掩盖，最终让突泥涌水出现停止。（）通过提出的“探、截、泄、帷”方案，一方面使得水体能排泄出去，另一方面也使得隧道拱顶突水段溶洞体积稳定，没有再次形成开裂。参 考 文 献张成良，李鹏，王亚宁，等 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