隧道突水涌泥风险分析

方德森

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

喀斯特地貌约占我国陆地总面积的1/3，主要分布在云南、贵州、广西、四川、湖北和湖南等地区。随着西部地区的快速发展，喀斯特地貌分布地区广泛建设了隧道、水电站或实施跨流域调水。在地下工程施工过程中，可能会遇到地质灾害，特别是突水、岩爆、崩塌、涌泥等［1］，其中最严重的地质灾害是突水。

在重大隧道灾害统计中，大规模突水造成的人员伤亡和财产损失巨大，并且给社会经济发展带来了巨大的安全风险和经济损失。2010年末，全国铁路隧道运营数约9 800条，总长7 000 km；
在建隧道数约4 000条，总长750 km。此外，隧道数量约1 500条，规划总长1 100 km。根据统计数据，突水是岩溶隧道施工和运营过程中的常见危害，岩溶地区近半数在建和运营的隧道在都发生过大规模突水［2］。

突水是岩溶隧道施工中最严重的灾害。随着交通基础设施的建设逐渐增多，岩溶地质灾害越来越多。岩溶隧道突水作为一个世界性的问题，越来越受到人们的关注。突水灾害不仅会造成巨大的经济损失，还会造成严重的人员伤亡［3］。例如，中怀铁路圆梁山隧道发生大面积突水突泥71次，造成9人死亡。为了保证隧道施工的安全，有必要准确预测岩溶隧道的突水情况，并采取有效的防治措施。

云姚隧道进口位于上林县三里镇云姚村板中屯东面约250 m处，省道S209旁。出口位于上林县三里镇云姚村板中屯南面约300 m处。设计隧道穿越溶峰山体，山体由微风化灰岩构成。拟建隧道分左、右线，隧道洞内断面为 13.75 m×5.0 m。左线进洞口里程桩号 ZK126+235，设计路面高程为 108.328 m，出洞口里程桩号 ZK126+730，设计路面高程为104.001 m，隧道左线长度为 495 m，最大埋深为 166 m，属短隧道；
右线进洞口里程桩号YK126+253，设计路面高程为108.244 m，出洞口里程桩号YK126+705，设计路面高程为 104.329 m，隧道右线长度为452 m，最大埋深为170 m，属短隧道。

隧道区属岩溶峰丛洼地地貌，山体侵蚀切割较强烈，地形起伏较大，山峰高程为240～260 m，山坡上陡下缓，山体基岩裸露，坡脚一带溶蚀、沟槽为黏性土充填，坡脚洼地一带为第四系溶蚀残余堆积岩层，山体生长杂草、灌木等。进洞口侧岩溶洼地地面高程为98～100 m，出洞口一带分布有较多水塘、鱼塘，雨季时岩溶洼地易积水，积水高度可达5 m。地表一带主要种植玉米、甘蔗等农作物。隧道区未见滑坡、崩塌等不良地质现象，自然陡坡较稳定。

隧道的水文地质条件极其复杂多变。在勘测和设计阶段，全面了解区域地质条件及岩体的状态和特征，尤其是不良地质结构的确切位置和大小，将是困难和不现实的。泰宁隧道穿越多个富地下水挤压断层带，地应力较高，因此可能发生结构坍塌、地下水流入、大变形和岩爆灾害，施工风险极高。为了避免可能发生的灾害，必须提前采取适当的措施。因此，隧道开挖前的综合地质检测是隧道设计和施工的关键。

岩溶地区隧道建设不可避免地打破了原生态的平衡。废水和隧道废渣的排放对周边环境造成一定的影响。隧道开挖爆破会造成隧道周围的供水污染，改变地下水流向［4］。山体隧道建设会造成环境污染，如扬尘排放、燃油车辆及设备尾气排放、噪声及固体污染、水土流失等。

2.1 对地表水环境的影响

与桥梁工程和港口工程相比，隧道工程对自然环境的破坏较小，但也改变了环境的原有状态，而且污染总是难以恢复。隧道施工过程中，可能会遇到岩爆、突水、塌方等地质灾害。其中，突水是最常见、最严重的灾害。隧道突水常伴有泥沙。这将严重影响施工进度，造成财产损失甚至人员伤亡。隧道工程的水污染主要有两种类型：一是隧道施工产生的各种污水，如隧道灌浆、冲洗设备废水，它使水的pH值和金属元素（Fe、Cu、Pb、Zn）含量升高，并将有害的化学成分排入河流中。二是水携带大量喷锚支撑残留物流入水库，金属硫化物氧化水解成Cu2C、Fe3C和Fe2C，钢拱和织物被腐蚀。隧道涌水不仅严重影响工程质量和进度，还会破坏生态环境，如破坏生物栖息环境、水环境、土壤环境等［5］。

此外，隧道排水也会使农业灌溉用水受到污染，从而将有害物质转移到农作物上。当这些农作物被食用时，会对人们的健康造成危害。因此，需要监测水质指标，根据污染源的种类和特点，选择相应的参考标准进行监测评价。

2.2 对地下水环境的影响

在喀斯特地貌分布地区，有许多蓄水结构。隧道开挖对溶洞和地下河道的扰动将是不可避免的。近年来，突涌水对地下水环境的负面影响逐渐引起人们的关注。为防止高水压下衬砌，隧道施工中常有一些排水措施，但如果排水过多，就会造成地下水侵蚀。对于山地隧道，在处理水源问题时，一直按照“排水与截流相结合”的原则。隧道排水可以有效降低结构的水压，但会破坏地下水环境，造成地下水资源流失。

隧道建设和地下水保护会相互影响。一方面，发生突水突泥的风险很高。在富水地层开挖隧道将威胁隧道施工的安全。另一方面，在含水地层修建隧道会破坏地下水平衡，使地下水位下降，造成生态和人居环境恶化。隧道建设和地下水保护有时是矛盾的，会影响隧道施工安全、经济投资、社会效益、环境效益等。

（1）在山区隧道施工中，开挖后形成的自由面会导致地应力重新分布，形成岩体松弛区。开挖扰动和爆破振动会影响岩体的完整性，它通常使天然隔水断层转变为透水性断层，使岩体渗透系数增加。改变天然渗流场后，隧道会出现渗水或突水现象。大量地下水渗流可能对隧道施工进度和安全造成不利影响。

（2）突水发生后，会导致地下水位和土壤水分下降，甚至影响植被生存。当隧道开挖引起地下水渗漏时，地下水位会下降。植被总覆盖度与地下水深度具有一定的相关性。一般情况下，地下水位埋深较小的地区植被覆盖度较高。不同植物对水位的要求是不同的，土壤水分是决定植物生长和分布的限制因素，土壤水分也会影响植物的生长和物种。每种植物都有适合其生长的地下水位，例如与杨树相比，芦苇的生长需要更多的水。植物覆盖率低会增加水土流失；
如果地下水侵蚀过度，也会影响农作物的生长。

2.3 诱发地面地质灾害

在隧道施工过程中，由于岩体地表与深部岩溶区具有一定的连通性，深部扰动往往会波及地面。部分工程抽地下水，如抽地下水不合理，隧道和深基坑的地下水位迅速降低，会诱发地质灾害，如形成地面空旷、斜坡滑坡，造成上部土壤沉降和地面塌陷。受自然因素或人为因素的影响，岩溶地区的溶洞可能会导致岩土层塌陷和沉降。隧道坍塌原因分析和信息化管理可为避免隧道坍塌提供有益参考。地表塌陷和沉降是岩溶隧道突水造成的最直接的地质环境影响。20世纪90年代，与隧道突水有关的铁路隧道面坍塌约占27%。隧道出口在雨季时常引起突水，潜在的突水通道为强降雨下渗地表水提供了条件，严重威胁隧道建成后隧道施工和运营的安全。突水引起的地质灾害具有突发性、持续性强、破坏力强的特点，因此隧道突水会在短时间内引起上覆土和松散土体的有效应力突变和动水压力波动。

隧道区未见区域性断裂构造存在，近代无中强地震记录，区域地质稳定性较好。隧道进、出洞口工程地质评价如下。

进洞口段（柳州端）山体斜坡上陡下缓，坡脚地段自然坡角25°～40°山体形成陡崖，大部分基岩裸露，属岩质边坡，自然斜坡稳定。岩层产状为120°～213°，发育节理3组。根据边坡与各结构面组合关系分析，岩层产状倾向与进口坡面（仰坡）倾向大角度相交，对隧洞仰坡及掌子面稳定有利；
节理走向与隧道轴线以大角度相交，倾向对隧洞仲坡及掌子面稳定不利；
节理走向与隧道轴线小角度相交，对隧洞洞身右侧边墙稳定不利走向与隧道轴线以小角度相交，倾向W（西），对隧洞洞身左侧边墙稳定不利。

出洞口段（南宁端）山体斜坡自然坡角为20°～35°，大部分基岩裸露，属岩质边坡，自然斜坡稳定。岩层产状为120°～130°，发育节理2组。根据边坡与各结构面组合关系分析，岩层产状倾向与进口坡面（仰坡）倾向大角度相交，对隧洞仰坡及掌子面稳定有利；
节理走向与隧道轴线以大角度相交，倾向SW（西南），对隧洞仲坡及掌子面稳定不利；
走向与隧道轴线小角度相交，倾向NW（西北），对隧洞洞身左侧边墙稳定不利。

隧道洞身围岩主要为微风化灰岩，厚层状构造，岩石较坚硬，裂隙较发育，大部分岩体较完整。洞身段围岩以Ⅲ级为主，IV级围岩主要分布于进、出洞口地段。隧道开挖时顶部及两侧临空面与主要节理面可能形成楔形松动岩块，拱部无支护时可能产生掉块或小塌方，岩体破碎地段及溶洞发育处可能产生坍塌或突泥等不良现象。局部岩溶相对较发育，规模较大，对围岩稳定有不利影响。推测洞身可能存在小规模溶洞，必要时采用钢拱架支护。正常情况下，围岩富水性较弱，洞室涌水量较小，由于隧道位于岩溶区，洞身段可能会存在不确定性的岩溶水通道，可能会出现涌水、突水等情况。隧道最大埋深约175 m，不存在高地应力，发生岩爆的可能性小，因此隧道的主要工程地质问题是围岩稳定性。

根据隧道洞顶地形横向坡度与隧道埋深判断产生偏压条件，拟建隧道偏压不明显。

4.1 不良地质

不良地质是指一些含水构造，可作为潜在的渠道或资源进行进水和涌水。这些含水地质构造含有大量潜在的涌水通道和资源，因此很容易发生突水。不良地质构造的导水性决定了发生突水的可能性。

4.2 地层岩性

地层岩性决定岩石溶解度并控制岩溶发育程度。由于岩溶发育环境的多样性，使不同类型的岩石具有不同的溶解度。岩石可分为可溶岩和不溶岩。石灰岩和白云石是常见的可溶性岩石，它们为地下水的流动和迁移提供了场所。同一隧道不同区域的地层岩性和不良地质可能不同，应以区间表示。

4.3 地下水

高地下水位通常会导致一系列地质灾害，包括进水和涌水。因此，地下水作为物质载体和突水过程的驱动力起着双重作用。地下水位与隧道底板之间的距离越大，发生突水的可能性越大。当隧道高于地下水位时，地下水位往往是不确定的。应考虑降雨强度、补给径流、地下水流量和入渗条件对地下水位的动态影响。根据水文地质数据，地下水位应在近似区间内确定。

4.4 可溶解和不可溶解岩石的接触带

可溶解和不可溶解岩石的接触带可以定义为可溶解岩石和不可溶解岩石之间在空间上的综合关系。不同岩层的组合在促进突水方面起着重要作用。因此，可溶解岩石和不可溶解岩石分别表示为两种不同的介质。具体来说，可溶解岩石是一个包含孔隙、裂缝和管道的三重介质系统，而不可溶解岩石是一个包含孔隙和裂缝的双重介质系统。此外，可溶解岩石的孔隙度比不可溶解岩石大，因此可溶解岩石中的孔隙更有可能储存活跃的地下水。可溶解岩石中的岩溶发育程度比不可溶解岩石中的岩溶发育程度高，如果地下水流入可溶岩和不可溶岩之间的接触带，则会发生可溶岩的混合侵蚀，然后喀斯特迅速发展，导致巨大洞穴系统的形成。

（1）隧道区域稳定性较好，基本地震动峰值加速度值为00.5 g，对应的地震烈度为VI度，基本地震动反应谱特征周期为 0.35 s。

（2）隧道围岩以中～微风化灰岩为主，岩石力学强度高，抗风化能力强，稳定性较好，围岩划分为Ⅲ、IV级（围岩级别中局部地段可能发育有溶蚀裂隙、溶洞，可能存在较低围岩级别）。

（3）围岩富水性较弱，洞室涌水量较小，岩溶水通道可能会出现涌水、突水等情况。环境水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀。

（4）围岩岩溶较发育，主要岩溶形态为溶洞，规模较大，对围岩稳定有不利影响。

（5）隧道进出口处岩体破碎，拱顶围岩厚度小，稳定性差，建议优先采用明洞进洞。

（6）隧道进出洞口边仰坡坡比宜采用1∶0.5或更缓坡比，洞口边仰坡坡顶面及其周围应设置排水沟及截水沟并和路基排水系统综合考虑布设。

（7）隧道进出洞口周边松动的岩体应进行清除，洞口应设置防落石的防护措施。

（8）隧道施工掘进前建议进行超前探测，确保隧道施工安全。