摘 要：在隧道施工的过程之中，不良地质的出现是十分常见的，尤其是处在地下河管道、岩溶地区的隧道，其不仅易诱发坍塌，还有可能出现突水、突泥等安全事故的发生，给隧道施工带来非常高的安全风险。笔者结合多年施工经验，探讨岩溶地区特长隧道突水、突泥机理，并针对性的提出防治对策，以期为其它隧道工程提供借鉴与参考。
关键词：岩溶地区；特长隧道；突水、突泥机理；防治对策
前 言
当施工区域的地质为岩溶地质的时候，无论是开展公路铁路建设还是水利矿产工程，突水突泥的现象都会频频发生，有时甚至会出现塌方冒顶的现象，进而造成地下有害气体泄露等危机事件发生。在上述列举的现象之中，对于岩溶地质而言，隧道的突水突泥现象是最为常见的，严重危害着工程的安全。由此，要想顺利高效地建设岩溶地区的隧道，就必须加强对上述灾害的预防与处理工作，针对岩溶区突水突泥现象的预防与解决则更应当成为目前的重中之重。
1 工程概况
永福屯隧道是广西桂林至柳城高速公路项目的一座特长隧道。隧道起讫里程桩号左幅：ZK61+220-K66+860，长5640m；右幅：YK61+192-YK66+839，长5647m，隧道最大埋深约301m，洞轴线进洞走向方位角约 262°，洞身段走向方位角约 289°，出口走向方位角约 282°，单幅隧道净空：11.0m×5.0m，左右幅进口洞门、出口洞门均采用削竹式。永福屯隧道施工过程中，一共发生了4次大规模突水、突泥现象，严重影响隧道的施工进度，同时给项目造成一定的经济损失。
2 突水突泥灾害产生原因
2.1地质原因
在一定时期,如果水资源过于充足,突泥突水灾害也有可能发生。故而，在河流或者盆地这样的具有丰富水资源的地区十分容易出现突泥突水现象。与此同时,地区的地质岩性不同,发生上述现象的概率也不同,碳酸盐丰富的地区较一般地区更容易出现上述现象。此外,地质易产生裂缝与皱褶的地方也是突水突泥现象的高发区,例如喀斯特地区与一些容易出现承压含水层灾害的地区。借助大量的实证分析与探讨，发现水害的隐患主要潜藏在地下断层与局部构造的破碎带之中，引致水害的核心位置主要在喀斯特陷落柱与喀斯特塌洞的隐伏引水构造。在地质学和岩石力学的研究领域之中现在主要有以下几个机理能够解释水害的发生:挖掘扰动、损伤机理、水岩相互作用机理等，突泥突水主要是底板隔水层与地下水环境互相作用的结果。另外，隧道埋深造成的过高压力也会造成突水突泥现象。总而言之，突水突泥现象的主要成因主要有高压强、富水环境、不良的地质。当上述三者随机组合的时候，就十分容易造成突泥突水现象的产生的地质条件。
2.2气候条件
喀斯特发育的严重程度和隧道施工过程之中突水突泥等状况均受气候条件（气温、雨水分布以及降雨程度等条件变化）的影响。低温环境下，运移冲刷以及呈弱酸性的水溶液溶解侵蚀岩石等能力都会下降，喀斯特的情况不严重；在高温环境下，呈弱酸性的水溶液溶解侵蚀岩石的能力会加强，雨水的分布以及降雨强度会影响水力条件，地球表面降雨的汇集会携带大量的二氧化碳，从而致使喀斯特情况愈来愈严重。所以，夏季降雨的强度较大，地球表面雨水流过或者下渗都极易溶解侵蚀可溶性的岩石，从而容易导致隧道发生涌突水，除此之外，暴雨季节不但降雨的强度大，而且还携带了大量的泥沙，地下水的水位上涨的速度极快，从而导致地下水水压增大，进而极易致使隧道内发生突水突泥等危险事故。
2.3施工影响
岩溶之中的水压以及从开挖面到充水溶腔的距离会直接影响到开挖面周围的水力梯度，而这一水力梯度又会直接导致突水突泥等安全事故的发生。在隧道施工前，岩体整个处于一种自然平衡得状态，隧道的挖动扰乱了岩体，形成了一个临空面，且在隧道的周围形成了松动圈，致使原有的裂隙扩大甚至出现了新的裂缝，改变了围岩以及地下水的流动状况，加速了水循环，当围岩的应力状态达到了破坏的临界点以后，就会发生突水突泥的安全事故。但是对于已经确认了的突水突泥安全隐患，处理措施不当，也会出现突水突泥。在喀斯特突水突泥的处理工程措施方面，高压岩溶水是“堵”或者是“排”，一直都是工程界争议的焦点问题之一。
3 岩溶地区特长隧道突水、突泥发生机理
3.1弹性梁模型
（1）若溶洞的位置主要处于隧道的侧向上，溶洞受到的作用力一般来自于溶腔内部的水压力和溶腔内部充填物带来的作用力，当溶洞的大小远远大于岩盘厚度的时候，溶洞和隧道的具体分布情况可以用下图 1来表示，下图2则显示了防突岩盘的简化版受力模型。
式之中，S指的是防突岩盘的厚度，[σ] 等于岩体抗拉的强度，n是范围在0和1之间的修正系数，ρ等于溶洞内部隧道拱顶高程处的水压，h指的是隧道侧墙的高度，q为溶洞内部填充物质的垂直方向作用力，g即为重力加速度。
（2）当溶洞的位置处于隧道顶部的情形
若溶洞主要位于隧道的顶部，隧道、防突岩层、溶腔充填物都会给溶洞带来压力，当溶洞的尺寸大于岩盘厚度的时候，溶洞和隧道的基本分布情况可以简化成图3所示的样子，而防突岩盘的基本受力情况可以简化成下图4所示的模型。
3.2弹性薄板模型
若隧道的正前方存在承压溶洞的时候，掌子面越往前推进，与承压溶洞之间的距离也就越近，位于二者之间防突岩板的厚度也就会逐渐降低。若防突岩板的厚度相较于溶洞高度与跨度而言无限小的时候，利用弹性薄板理论，我们可以分析得出：具体的约束条件是四边简支，防突岩板之中的各个位置点都只会产生垂直方向上的位移。其中弹性薄板理论的模型详细参见下图 5。根据板壳理论和摩尔-库伦强度理论极限平衡方程，同时结合板面竖直方向上的荷载作用，防突岩板安全厚度的最小值计算式子参照下述：
式中，c为岩体黏聚力，φ为内摩擦角，M、N为根据板壳理论推导的待定系数。
4 突水突泥灾害防治技术
4.1超前地质预报
超前地质预报这一技术最核心的职责就是探究处导致突水突泥灾害发生的原因与诱发条件，该项技术在岩溶地质的隧道施工过程之中应用的十分广泛，现如今针对隧道工程，超前地质预报主要以多种方法与理论为基础，其中包括有钻探法、物探法、地质分析法等等方法，同时结合中长期预报与地质灾害超前预报作为辅助手段，全方位地为隧道工程保驾护航。在永福屯隧道的不良地质段，主要使用的方法有下述三种：1、超前水平探孔；2、周边钻孔；3、地质分析结合超前探测预报的，其中超前水平探孔和周边钻孔相互配合、互相辅助，取得了良好的成效。
4.2岩溶治理技术
在对处于岩溶地区的隧道进行建设与施工的过程之中，应该借助超前地质预测预报技术，对隧道所在地的岩溶地质与水文地质的相关特点进行分析与确定，依据不同的地质情况，来针对性地给出科学、合理、有效的预防解决方案。而在具体的解决问题过程之中，则应该依据岩溶的类别，定制出台一些实质性的解决方案与处理策略，例如充填物对策与水对策等等，从而顺利地推行深化岩溶地区的标准化治理工作。
针对岩溶地质的隧道施工应该以“排渗水、降低压、提前支护、全方位治理”为基本原则进行，宝林隧道的进口处到桩号这一段位置，岩溶地质的发育十分的强烈，经过挖掘开采，我们发现中顶部位、侧边位置、隧道底部都存在各式各样大小不一的溶洞，经过各单位的联合商议决定，针对这项问题使用了下述的解决方法：
（1)使用加密超前探孔对存在溶洞的部位进行探测，依次对顶部、侧边位置、正前方钻出15米至30米的超前探孔从而掌握清楚溶腔内部的情况，同时使用地质雷达来开展辅助工作。对于不良地质段而言，安全监测是十分关键的，应该增加沉降观测与收敛观测的密集度，尤其对于掌子面和拱顶部位，应该着重进行观测，一旦出现变形超过预期值，或者变形现象不收敛，工作人员应该有组织地离开现场。
（2）当有小规模的溶腔出现或者渗水量比较小的时候，应该在隧道的拱部使用直径等于45毫米的超前小导管来注浆，从而实现预先的支撑保护作用。
（3）在溶腔的规模比较大，同时还在局部的位置出现了突水突泥现象的时候，使用超前小导管则相对而言风险较高，在这个时候，如果覆盖层不厚，并且突泥的总量较小，可以考虑使用直径等于108毫米的管棚来超前支撑保护，同时应该迅速地封闭掌子面，这样一来便可以有效的解决问题。
结 论
本文以广西桂林至柳城高速公路永福屯隧道为案例，针对岩溶地区特长隧道突水、突泥机理及防治对策进行深入分析，得出如下主要结论：
（1）隧道之中突水突泥现象的出现主要影响因素有下述三点：地质构造、气候条件、施工影响，岩溶发育的过程剧烈程度越高、夏季温度越高、降水量月多，突水突泥现象出现的几率也就相对而言更高一些，此外，钻爆施工也容易引致突水突泥现象，主要是因为钻爆施工容易使得防突岩盘出现断裂。
（2）当溶洞的高度与跨度超过防突岩盘的厚度的时候，弹性梁模型和弹性薄板模型是最适宜用以计算的模型。以板壳理论与摩尔-库伦强度理论为基础就可以推理导出溶洞处在掌子面上方的防突厚度最小值。在永福屯隧道的项目之中，使用弹性梁模型进行防突岩盘厚度最小值的计算，将其结果与抗剪计算相比，计算结果的数值要比后者小约14.3%。
（3）要想进一步预防治理好岩溶地质突水突泥现象，就应该加强有关灾害现象的预报工作，同时加大安全监测的频率与次数，在溶腔比较大的时候，如果采取注浆小导管搭配强支护的解决措施会大大提升安全风险的系数，这个时候应该采取管棚处理的方式，同时将掌子面封闭。
（4）在不良地质区域内进行施工的时候应该使用超前水平钻和超前地质预报进行多方位的探测，采用短进尺、强支护、弱爆破、分台阶的方法掘进，若渗出的水较为清澈的时候应该进一步将渗水抽出同时进行排放，若渗出水之中掺杂许多泥沙的时候则应该及时对渗漏口进行封堵。
参考文献
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论文作者:黄德敏
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第13期
论文发表时间:2019/9/4
标签：隧道论文; 岩溶论文; 地质论文; 溶洞论文; 超前论文; 喀斯特论文; 现象论文; 《工程管理前沿》2019年第13期论文;