1、1结合三维地质模型对某公路隧道突泥灾害的原因分析和处置对策【摘要】公路隧道穿越区域变质作用下形成的混合岩（岩性接近花岗岩）区域，且当隧址接近构造带及其影响带时，因周边岩体风化程度较高、风化区域较深以及大气降水的影响，出现涌水突泥地质灾害的概率较高。本文基于广西壮族自治区的岑溪市境内某公路隧道的涌水突泥灾害现场资料的收集和调查，结合专业软件生成的三维地质模型，分析导致涌水突泥产生的原因，提出针对性的处置对策，最后对灾害成因的多方面原因思考进行总结并提出一些建设性的意见。 【关键词】公路隧道；混合岩；涌水突泥；三维地质模型；地质预报 【 abstract 】 highway tunnel thro
2、ugh regional metamorphism mixture formed under rocks (lithology close to granite) area, and when the tunnel structure belt and its influence to the address with, because of the surrounding rock weathering degree is higher, weathering area was deep and precipitation, the influence of water gushing ap
3、peared at a higher probability of geological disaster in mud. This paper based on the guangxi zhuang autonomous region within the territory of the CenXi city expressway tunnel construction of water gushing tu mud disaster 2site investigation and collection of data, combined with the professional sof
4、tware of the generation of 3 d geological model and analyzes cause water gushing axon the causes of mud, and puts forward the countermeasure pertinence disposal, and finally to the cause of the disaster various reason thinking summarized and puts forward some constructive Suggestions. 【 key words 】
5、highway tunnel; Mixed rock; Water gushing tu mud; 3 d geological model; Geological forecast 中图分类号： U45 文献标识码：A 文章编号 1 引言 1.1 隧道概况 该隧道位于广西岑溪市境内，为避免占用耕地和房屋，路线沿重丘山区的狭长走廊带边缘分布，至隧址区需穿越相对高差 200m 的山体，大致呈北（进口）南（出口）走向；隧道洞身从山体垭口的二级公路右侧约 60m 下方穿过，长度为 790m，最大埋深约 136m，两洞车道中心线（路线设计线）间距为 30m，两洞净距为 16m，为小净距中隧道。隧道断面
6、采用单心圆曲墙式断面，半径为 5.85 米。隧道建筑限界净宽为 10.75 米，净高为 5 米。 1.2 隧道涌水突泥灾害简要过程 2011 年 10 月 19 日灾害发生时隧道正在从隧道出口向隧道进口方向3单向掘进，隧道右洞掌子面已推进至 EK18+215 桩号处。下午 18 时许当隧道右洞 EK18+215 掌子面（所处位置埋深 127 米，距二级路 215 米）上台阶进行周边眼爆破时，起爆后随即出现异常巨响，18 时零 9 分，泥水冲出隧道洞口，泥浆沿着出口路基左侧边坡下的临时边沟流进线外的小溪，整个出口的工作场地覆盖泥浆，厚度在 0.51.5 米左右。19 时 30分，再次突涌大量泥水
7、，时间长达 17 分钟,两次突泥浆量共计数万立方米。洞内作业的台车等机械设备被泥水从掌子面附近冲到隧道出口附近，移动距离约 300m。 2 隧道地质灾害原因分析 2.1 隧址区区域地质影响因素 隧址区基岩为区域变质作用下形成的混合岩组成，岩性接近花岗岩，局部存在侵入岩脉；矿物成分主要为石英、长石及云母，矿物颗粒呈中粗粒状，变质结晶后呈片麻状定向排列明显；岩石主要为变余花岗结构、鳞片变晶结构，块状、片麻状构造。 区域变质和构造运动造成隧址区及其附近区域岩体破碎，经过漫长的地质年代，风化区域沿地质运动形成的构造层面逐渐侵入到岩体内部较深范围。同时大气降水沿着岩体裂隙和构造面渗入构造带并蓄积起来，形
8、成稳定的地下水源蓄积区。 2.2 结合三维地质模型对灾害产生原因及现象的分析 2.2.1 三维地质模型的建立 结合区域地质图和灾害后现场调勘发现隧址区附近发育两条区域性4断层：大隆至水汶南北向正断层（简称南北断层）和西垌至岭脚东西向正断层（简称东西断层） 。 南北向断层起于大隆镇附近，在山坳与二级公路重合一段，向水汶镇方向延伸，走向南北，倾向西，倾角约 48； 东西向断层起于西垌镇附近，沿南水二级公路南侧黄华河，向隧道方向延伸，推测在二级路坡顶附近与南北向断层交汇，其走向东西，倾向南，倾角约 55。 根据断层构造的参数、通过路线数据文件以及 1:2000 地形图和googleearth 卫星照
9、片中提取的地形数据，利用专业软件生成了隧道区域的三维地质模型，见图： 2.2.2 隧道突泥原因分析 地质灾害发生时，隧道右洞掌子面 EK18+215（即隔水岩层和断层的交界面附近）附近岩体节理裂隙较少，岩体完整性较好，采用上下台阶法开挖； EK18+215 向隧道进口方向约 80m 区域（其中核心区为 50m，影响带30m 左右）处于两条断层的交汇处附近，受两条断层地质运动的共同影响，岩体挤压摩擦变得极破碎；并经过久远地质年代的自然作用，部分破碎岩体风化程度很高，其风化后产生的矿物细粒与断层中蓄积的大气降水混合为泥浆。 根据隧址地形，突泥的出口端地表较进口端标高低了约为 20m，而自EK18+
10、215 掌子面向隧道出口方向这段中风化混合岩岩体节理裂隙分布较少，完整性较好，形成了较厚的隔水层，使破碎岩体内的地下水在相对5封闭的腔体内向地势较低的隧道出口方向一侧蓄集，水位逐步上升在达到补给与排泄平衡后，保持了一个相对稳定的高地下水位；由于隧道从出口端开挖，EK18+215 掌子面处标高位于地下水位以下，因此掌子面处所承受的压力水头较高，当爆破后可靠隔水层的厚度被削弱，致使隔水层在爆破震动及地下水高压力的共同作用下被压裂，地下水携带被风化岩体形成的细粒粘土矿物冲出，形成涌水突泥。 经现场观察，数日后洞内涌水明显减小且稳定后，施工人员行进至已浇筑二衬段边缘，采用大功率探照灯远距离照射掌子面发
11、现，掌子面附近约 80m 范围内，隧道截面下半部为泥夹石堆积填塞，突泥处仅为掌子面上台阶右侧 1/3 区域。 2.2.3 地表塌陷及二级路边沟裂缝等次生地质灾害的原因分析 因南北向断层向西倾约 48（即向隧道侧山体内部倾斜） ，东西向断层倾向南（即掌子面）约 55，据此推测，掌子面恰好位于两断层交汇区域的下方边缘。断层交汇带受两条断层共同影响，为风化最为剧烈、结构最为破碎的区域，故为泥水相对集中的区域，涌水突泥发生后，掌子面上部形成一定范围空腔，在自重和负压的影响下，交汇带内破碎岩体和松散土体崩落填充掌子面上部的空腔，最终联通地表，形成塌陷漏斗。 因此塌陷漏斗出现在掌子面 EK18+215 前
12、方约 30m，右侧约 51m 位置。掌子面至地表塌陷的漏斗形成后，上部岩土体原有平衡体系被打破，甚至失稳，产生补充空腔趋势的位移；同时漏斗形成以后，靠山体一侧形成了较大的临空面，山坡上的岩土体向临空面一侧产生应力释放及位6移；此外，由于涌水突泥后，山体地下水位大幅度降低，破碎岩体及松散土体原有应力平衡被打破，导致地面下沉且相应滞后。因此在上述因素的共同作用下，塌陷区周围山体上出现错台裂缝，且后缘裂缝均为张拉式裂缝，裂缝范围内山坡有失稳的可能性。 地下水位降低使土体重新固结，表现为地表下沉，同时也导致二级公路边沟局部开裂。从现场踏勘情况看，位于东西向断层南端的路段，由于路基下部岩体完整性较好（岩
13、石隔水层上方）的路段，地下水位下降对其影响很小，因此，对应段落二级公路下部路基沉降微小，二级公路边沟裂缝极少；而东西向断层区域岩土性质较差的，地下水位下降影响较大，对应段落边沟裂缝较多。 3 隧道灾害后处置对策 3.1 地表塌陷处理： 隧道出现突泥灾害后，考虑到大气降水顺地表塌陷下渗可能对被扰动的破碎岩体和松散土体产生不良影响，加剧突泥带来的次生地质灾害，因此在整个处置过程中，首先应对地表塌陷漏斗进行回填和防排水处理。考虑塌陷区域在空间上呈现为向隧道右线掌子面倾斜分布的趋势，靠近二级公路侧为较紧密土体，因此决定采用挖掘机开通便道至塌陷位置，将漏斗靠山坡坡面低端的边缘挖开，并用粘土填充漏斗形成平
14、台，平台表面高于漏斗较低处边缘，形成一定排水坡度，使地表水排泄顺畅；同时漏斗周边设截水沟，防止周边地表水流入漏斗内，避免地表水在漏斗内蓄积；然后在平台表面以型钢与钢筋网为骨架，浇注混凝土板封盖；7混凝土板达到强度后其表面敷设防水板并覆盖部分漏斗坑壁，随后继续回填粘土压实。 3.2 既有公路设施的安全保证措施： 3.2.1 既有公路路基的安全保证措施 对二级公路产生不利影响的首要因素是公路路基的稳定 公路路基若位于突泥造成的地表变形影响范围内，则会出现路基沉降、开裂断板等不可逆转的损坏；因此评估公路路基的稳定程度是保证二级公路安全的首要工作； 于是通过对二级公路裂缝及沉降的监测，并对部分路段路基
15、进行物探，同时安排专人巡视记录二级公路路基出现的微小状况等手段收集现场资料。 根据所收集资料，辅以三维地质模型分析发现，二级公路位于掌子面至地表塌陷漏斗右侧约 57m，塌陷处地表与二级公路标高高差约为40m；塌陷连通区域向远离公路方向延伸倾斜； 由此可推测二级公路路基下部土体向空腔内补充，进而在路基下部形成空洞造成突然沉陷的可能性较小；后期物探结果也证实了其下部一定范围内无空腔的推测。 考虑塌陷区对二级公路路基下方土体虽无直接影响，但因部分路基位于断层交汇带上，岩体非常破碎，同时此段路基在多次大暴雨后出现路基边沟开裂和小塌陷，因此对断层交汇带路段在后期进行了注浆加固处理。 3.2.2 既有公路
16、边坡稳定问题 8对二级公路产生威胁的另一因素是其边坡坡体的稳定。 考虑大气降水顺错台裂缝下渗会导致土体抗剪强度下降从而产生滑坡等次生地质灾害，因此在处理地表塌陷的同时，在山体错台裂缝位置上方设置截水沟截排地表水，并沿裂缝开挖浅槽，内覆防水板，用粘土填平压实以防止地表水渗漏。 由于地表塌陷，山体内可能存在局部空腔，塌陷区域内的山体已出现张拉变形形成错台裂缝，若边坡局部失稳，因其临近公路，必然对公路安全造成巨大威胁。故布设 3 条边坡测量断面（其中一条穿过漏斗） ，加强对边坡变形的监控量测；后期根据量测数据分析坡体的变形趋势和滑移变形计算结果，对出现裂缝的山体局部进行了削坡减载处理，保证了整个坡体
17、的稳定。 3.3 洞内处理和稳定问题： 经过此次大规模的突水涌泥后，山体内地下水位降低，虽再次出现大规模灾害的几率较低，但考虑后续清理堆积物的过程中可能遭遇破碎带空腔中局部滞留的泥浆夹石块冲出，威胁清理人员和机械的安全，遂采用移动式丁坝挡墙方案保证清理工作安全有序进行；即将洞内堆积物每 20m 区域划定为一个作业区；采用吊装大块预制件（如盖板涵预制盖板）堆砌成形如丁坝的挡墙两道，挡墙高度不超过 4m，长度自隧道轮廓线一侧边缘至隧道中心线略过 1m，前后两道挡墙错开设置，挡墙交替向掌子面移动，保证装载机和运输车分段逐步清理施工时的安全，至掌子面后浇筑挡泥墙。 4 关于隧道涌水突泥灾害的的思考 9
18、面对隧道发生涌水突泥灾害，我们对设计和施工过程中的细节进行了思考和总结： 1.山岭隧道的选线因受山区走廊带区域狭小和建设成本制约会被限制在一个小范围内，在无法避开地质构造复杂的区域时，建议对隧道线路位置和主要及次生构造带的空间关系进行专项分析，必要时可借助建立三维地质模型等技术手段，对隧道的几何位置和设计标高范围进行优选，推测出地质灾害发生几率较高的区段，在做好防治预案的同时，较为准确的提示施工单位采取相应的技术措施。 2.在隧道施工过程中，物探手段多样，但由于受到施工现场测试环境、人员等多种因素影响和制约，造成隧道超前地质预报的结果的准确度有限，因此设计中往往提出应采用水平地质钻孔来验证和提
19、高预报结果的准确性；尤其对于规模较大或地质较复杂的隧道在评估后，特别建议施工单位或超前预报单位更应重视水平地质钻孔的作用，将其作为超前地质预报工作的必须手段。 3.应重视和增加地质勘察中关于水文地质的勘察内容; 对于隧道结构以及围岩而言，地下水的富集增加了隧道结构的荷载，降低了围岩的强度，从而影响结构的安全；尤其对于地质构造比较复杂的地段，构造的复杂性、地质运动的破坏性、以及岩体的的风化结合丰富地下水的影响使得隧道地质灾害发生的概率大大提升。 5 结束语 随着高速公路建设向重丘山岭地区的逐步延伸，途经地质运动活跃、地质构造复杂地区的隧道工程也越来越多；我们应该深入思考，总结经10验，把这些经验
20、运用到今后的设计施工当中，尽早发现地质灾害的诱因，提前采取措施介入不良地质的治理，防患于未然，提高我们隧道工程的勘察设计质量，避免施工风险，减少业主和施工单位的损失，提高国家投资的利用率，建设高效、优质、安全、与环境相和谐的隧道工程。 作者简介：杨鉴生（1964-)，男，广西桂平市人，广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院副总工程师，高级工程师，主要从事桥梁、隧道工程专业工作。 1 公路隧道设计规范. JTG D70-2004。 2 公路隧道设计细则. JTG/T D70-2010。 3 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院；岑溪至水汶高速公路两阶段施工图设计 隧道土建设计分册； 2011.2。 4 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院； 岑溪至水汶高速公路两阶段施工图设计工程地质勘察报告； 2011.2。
