尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源綜合分析

袁永才，李術(shù)才，李利平，張乾青，孫柏林，石少帥

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尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源綜合分析

袁永才1，李術(shù)才1，李利平1，張乾青1，孫柏林2，石少帥1

(1. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061；2. 湖北省保宜高速公路建設(shè)指揮部，湖北宜昌，444200)

通過(guò)采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)相結(jié)合的方式，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源的規(guī)模與空間位置，結(jié)合超前鉆探建立綜合超前預(yù)報(bào)體系。針對(duì)發(fā)生的3次突水突泥災(zāi)害，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和水文地質(zhì)分析，查明突水突泥伴生災(zāi)害源的來(lái)源，揭示尚家灣隧道突涌災(zāi)害源的賦存特征、致災(zāi)模式及其致災(zāi)機(jī)理，提出突涌災(zāi)害是由壓力水、泥砂相結(jié)合的伴生災(zāi)害源和突涌通道2部分組成，伴生災(zāi)害源是內(nèi)在源動(dòng)力，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑。同時(shí)，建立集內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)部揭露圍巖與地表環(huán)境)、綜合預(yù)報(bào)、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評(píng)價(jià)”、動(dòng)態(tài)補(bǔ)探、綜合治理相結(jié)合的伴生災(zāi)害源探測(cè)及防治技術(shù)，提出相應(yīng)的治理原則、治理方案及后續(xù)施工的預(yù)防 措施。

巖溶隧道；突水突泥；災(zāi)害源；綜合預(yù)報(bào)

隨著水利水電工程、交通工程等國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，在巖溶山區(qū)尤其在西部巖溶山區(qū)將產(chǎn)生數(shù)量眾多的深長(zhǎng)巖溶隧道[1]。突水突泥成為巖溶隧道主要災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害之一，隨著隧道和地下工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，突水突泥災(zāi)害日益嚴(yán)重[2?3]。隧道工程中發(fā)生突涌災(zāi)害的基本條件為：充足的水源(部分含有泥砂)，水源與隧道間形成了順暢的運(yùn)移通道。白明洲等[4]基于齊岳山隧道，立足于研究巖溶形成控制性因素，分析了巖溶突水發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為后期隧道施工提供了指導(dǎo)；李曉昭等[5]研究了導(dǎo)致突水事故發(fā)生的斷層變形活化機(jī)制，得到突水與斷層活化之間的時(shí)空效應(yīng)特征；楊兵[6]基于馬鹿箐隧道發(fā)生的突水災(zāi)害，通過(guò)采用水文地質(zhì)分析方式查明了發(fā)生突水災(zāi)害時(shí)水的來(lái)源。近年來(lái)，研究者針對(duì)巖溶隧道突水突泥機(jī)制進(jìn)行了大量研究，李圍[7]通過(guò)識(shí)別突水通道的形成特點(diǎn)，研究了突水通道的形成過(guò)程和隧道突水發(fā)生模式；GISBERT等[8]通過(guò)研究隧址區(qū)水文地質(zhì)特征及降雨對(duì)突水災(zāi)害的影響，得到優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑的判識(shí)方法；COLI等[9]研究了巖體的滲透性、表征單元和非連續(xù)性，總結(jié)了隧道涌水量估算方法。近幾年人們關(guān)于巖溶隧道突水突泥災(zāi)害的研究主要集中在對(duì)巖溶隧道突涌災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10?12]、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[13?15]、隧道突涌災(zāi)害治理[16?18]等方面，而針對(duì)發(fā)生突涌災(zāi)害時(shí)伴生災(zāi)害源方面研究甚少，在綜合考慮外部環(huán)境與隧址區(qū)巖溶地質(zhì)方面未進(jìn)行細(xì)致研究，缺少一種集內(nèi)外結(jié)合(內(nèi)部隧道施工揭露地質(zhì)與外部隧址區(qū)環(huán)境)、綜合預(yù)報(bào)、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評(píng)價(jià)”、動(dòng)態(tài)補(bǔ)探、綜合治理相結(jié)合的突水突泥伴生災(zāi)害源探測(cè)及防治技術(shù)。為此，本文作者通過(guò)對(duì)保宜(?？怠瞬?高速公路尚家灣隧道工程地質(zhì)資料進(jìn)行分析，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了伴生災(zāi)害源空間位置，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，查明突涌水的來(lái)源及匯集方式；同時(shí)，闡述災(zāi)害源的賦存特征與突涌模式，分析突涌水發(fā)生機(jī)理；針對(duì)尚家灣隧道突水突泥災(zāi)害，建立集內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)部施工揭露圍巖與地表環(huán)境)、綜合預(yù)報(bào)、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評(píng)價(jià)”、動(dòng)態(tài)補(bǔ)探、綜合治理相結(jié)合的突水突泥伴生災(zāi)害源探測(cè)及防治技術(shù)，提出合理的治理建議和預(yù)防措施，以便為今后類似工程災(zāi)害提供借鑒。

1 工程概況

尚家灣隧道為保宜高速公路襄陽(yáng)段中的一座分離式隧道，左線長(zhǎng)3 865 m，右線長(zhǎng)3 859 m。隧道硐身地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質(zhì)礫巖，地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過(guò)落水洞、漏斗灌入地下，并通過(guò)地下河流向深切河谷，為典型強(qiáng)巖溶隧道，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，存在主體構(gòu)造規(guī)模巨大的通城河斷裂帶。該斷裂帶始于后坪，經(jīng)馬良、通城河向南延伸，基本與通城河相伴平行展布，系由一組寬為1~2 km的斷裂帶組成。地貌上沿?cái)嗔褞毡橐?jiàn)由遠(yuǎn)安地塹所形成的負(fù)地形，斷裂沿線斷層陡崖和斷層三角面發(fā)育，斷層顯示上盤下降的正斷層，斷層傾向東或北東。

隧址區(qū)還發(fā)育北東向曾家溝斷裂、尚家灣斷裂，北西向的任家溝斷裂。其中，主要影響隧道的斷裂為尚家灣斷裂，如圖1所示。

2 綜合超前預(yù)報(bào)

傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)單一，難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掌子面前方災(zāi)害源，同時(shí)未形成長(zhǎng)期與短期相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)體系。對(duì)此，尚家灣隧道在施工過(guò)程中采用長(zhǎng)期超前預(yù)報(bào)(tunnel seismic prediction，TSP)與短期超前預(yù)報(bào)(地質(zhì)雷達(dá))相結(jié)合的方法，同時(shí)施作超前鉆探真實(shí)有效的揭露危險(xiǎn)災(zāi)害源，避免突涌災(zāi)害發(fā)生。

圖1 尚家灣隧道地質(zhì)剖面圖

2.1 TSP探測(cè)

TSP是基于TSP win軟件，通過(guò)對(duì)傳感器接收的人造地震波信號(hào)進(jìn)行處理，記錄隧道前方不同巖體級(jí)別的P波和S波。TSP203 plus確定掌子面前方圍巖波速的理論和數(shù)據(jù)處理過(guò)程，以及波場(chǎng)分離、側(cè)向回波濾處，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[19?21]。同時(shí)計(jì)算預(yù)報(bào)范圍內(nèi)巖石的力學(xué)參數(shù)、波速、泊松比、彈性模量、抗壓強(qiáng)度等[19?21]。

設(shè)為地震波在巖層波阻抗面上的反射系數(shù)，r和f分別為入射波和反射波的振幅，和分別為介質(zhì)的密度，1和2為地震波在介質(zhì)中的傳播速度，則反射系數(shù)可表示為

反射波振幅表示為

(2)

地震波以P波和S波的形式進(jìn)行反射，其在均勻介質(zhì)中的傳播速度可表示為

式中：P為P波波速；S為S波波速；為傳播介質(zhì)的壓縮模量；為傳播介質(zhì)的剪切模量。

據(jù)此，反射波振幅越大，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大，巖性差異也越大；若P波波速下降，則裂隙密度或空隙度增加。

2013?05?18，地質(zhì)預(yù)報(bào)單位采用最新型號(hào)的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP203 plus)對(duì)保宜高速公路尚家灣隧道進(jìn)口段左線進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)里程樁號(hào)為ZK64+855~ZK64+980。在成果解譯中，以反射層提取圖以及巖石物性參數(shù)等一系列成果進(jìn)行解譯，結(jié)合式(1)~(3)的分析結(jié)果，并遵循以下準(zhǔn)則：

1) 在硬巖地層中呈現(xiàn)正反射振幅，在軟巖地層中呈現(xiàn)負(fù)反射振幅；

2) 飽水巖層中，S波的反射強(qiáng)度比P波的反射強(qiáng)度強(qiáng)；

3) 在賦存流體區(qū)域內(nèi)，P/S和泊松比會(huì)突然增大；

4) 某一區(qū)域內(nèi)巖體裂隙增多，巖體呈破碎狀，則p降低。

利用TSP win軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得反射層提取圖以及巖石物性參數(shù)等一系列成果，如圖2和圖3所示。

圖2 反射層提取圖

(a) 速度；(b) vp/vs；(c) 泊松比；(d) 密度；(e) 動(dòng)態(tài)彈性模量；(f) 靜態(tài)彈性模量

通過(guò)對(duì)成果解譯可知：ZK64+910~916范圍內(nèi)圍巖泊松比增大，反射層提取圖中負(fù)反射強(qiáng)烈，同時(shí)P波波速下降，且S波的反射強(qiáng)度比P波的反射強(qiáng)度強(qiáng)，由此表明該范圍內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體間賦存裂隙水，充填物豐富。ZK64+916~946范圍內(nèi)地震波在圍巖中傳播時(shí)的波速顯著下降，反射層提取圖中負(fù)反射強(qiáng)烈。特別是在ZK64+916~926范圍內(nèi)密度也出現(xiàn)顯著降低，P降低，表明該范圍內(nèi)圍巖風(fēng)化程度較高，含水量較高，且蝕變軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

2.2 超前鉆探

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工揭露圍巖巖體裂隙水逐漸增多現(xiàn)象，結(jié)合前期TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，為防止大型突水事故的發(fā)生，2013?05?31對(duì)尚家灣隧道進(jìn)口左線ZK64+916掌子面開展了一次短距離超前鉆探工作?，F(xiàn)場(chǎng)布設(shè)3個(gè)鉆孔，鉆孔位置布設(shè)于掌子面中部及兩側(cè)，如圖4所示，距離地面約1.2 m處，每根鉆桿長(zhǎng)度為1 m。

圖4 鉆孔布設(shè)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆桿鉆進(jìn)記錄情況可得：鉆至ZK64+ 918~920時(shí)，鉆探聲音較小，鉆進(jìn)速度較快，且鉆桿存在突進(jìn)現(xiàn)象，掌子面有水流出，推測(cè)此段圍巖較破碎，可能存在含水溶腔；鉆至ZK64+920~922時(shí)，鉆探聲音小，鉆探速度快，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿出現(xiàn)多次明顯突進(jìn)，鉆孔流水繼續(xù)增大，推測(cè)此段圍巖可能存在含水夾泥溶腔，巖體破碎。

各鉆孔內(nèi)鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間記錄如圖5所示。其中在ZK64+919~920段，流出水量最大，存在突水現(xiàn)象，如圖6所示。

1—P1；2—P2；3—P3。

圖6 鉆孔突水

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

2013?05?31 T01:00，尚家灣隧道施工至ZK64+ 918時(shí)，掌子面施作炮孔鉆探過(guò)程中，左側(cè)拱肩處炮孔發(fā)生涌水，水質(zhì)渾濁，水壓達(dá)2 MPa，涌水量約為200 m3/h。為準(zhǔn)確探清掌子面前方是否存在大型巖溶含水構(gòu)造，對(duì)ZK64+918掌子面開展了一次短距離地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)。

1) 雷達(dá)測(cè)線布置。地質(zhì)雷達(dá)天線頻率為100 MHz，采集樣本點(diǎn)為512。測(cè)線布置如圖7所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線

2) 探測(cè)分析。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)范圍為ZK64+918~ 938。根據(jù)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果如圖8所示：1) 左邊墻后方3~6 m范圍內(nèi)，雷達(dá)信號(hào)反應(yīng)強(qiáng)烈，且下方信號(hào)突然減弱，主頻降低，同相軸出現(xiàn)異常，據(jù)此推測(cè)該處含水量較高，可能存在導(dǎo)水裂隙；2) 掌子面前方ZK64+ 922~ZK64+936段雷達(dá)反射信號(hào)反應(yīng)強(qiáng)烈，下方信號(hào)逐漸減弱，同相軸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，波形出現(xiàn)反向位特征，據(jù)此表明該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，含水量較高，根據(jù)隧道掌子面涌水情況，分析該處裂隙含水，且?jiàn)A泥量較多。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

同時(shí)，建議施工單位密切觀察涌水情況：水質(zhì)是否變清；水量是否逐漸減??；若出現(xiàn)強(qiáng)降雨，涌水量是否有增大趨勢(shì)等信息。此外，施工單位應(yīng)結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，進(jìn)行超前水平鉆探工作，查明左邊墻及掌子面前方含水情況、涌水通道情況。探清該段地質(zhì)情況后，再進(jìn)行施工。

2.4 開挖揭露

尚家灣隧道ZK64+920掌子面左側(cè)溶洞高1.6~3.5 m，寬1.5~4.0 m，縱深達(dá)10 m，淤泥較厚，無(wú)明顯出水口，內(nèi)壁光滑；掌子面右側(cè)溶洞高1.6~3.5 m，寬1.5~4.0 m，縱深達(dá)30 m以上，水流一直向前延伸，但由于掉落石塊堵塞通道，人員無(wú)法繼續(xù)向前通行，洞內(nèi)淤泥較多，內(nèi)壁光滑，為常流水通道，ZK64+920處溶洞發(fā)育情況如圖9所示。

同時(shí)揭露了尚家灣隧道右線YK64+957掌子面溶洞從左側(cè)拱腰部位一直延伸至左線溶洞處。左右線溶洞揭露情況表明，此處為一大型巖溶管道。

(a) 隧道橫斷面圖；(b) 平面圖

3 突水突泥伴生災(zāi)害源

3.1 突涌災(zāi)害簡(jiǎn)況

1) 第1次突水突泥。2013?06?04T09:30放炮結(jié)束，對(duì)掌子面檢查，溶洞暴露，與之前估計(jì)位置基本相符，沒(méi)有增加新的涌水點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行出渣；13:05掌子面右下部出渣中有泥水流出，為新增涌水點(diǎn)，隨即停止出渣，迅速通知洞內(nèi)作業(yè)人員全部撤離，隨即涌泥量增加，流速增大；13:12人員全部撤離出洞，涌泥同時(shí)迅速涌至洞口，涌泥漲落高度為30~60 cm，同時(shí)部分流入隧道兩側(cè)水溝中，通過(guò)之前在洞口埋設(shè)的直徑為60 cm鋼管排出；瞬間突水、突泥量達(dá)到7 700 m3，50 cm深的泥水頃刻間涌出洞口。

2013?06?07，洞內(nèi)清淤后，對(duì)掌子面溶洞進(jìn)行勘察，左線右側(cè)溶洞內(nèi)仍有大量的淤泥，水、泥夾雜砂粒往外流出。

2) 初步處置方案。結(jié)合溶洞情況，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位聯(lián)合研究決定，對(duì)左線洞身兩側(cè)溶洞進(jìn)行混凝土回填封堵，預(yù)留直徑為10 cm鋼管排水，引入隧道邊溝，對(duì)ZK64+919~ZK64+923段拱底溶腔通道，采用C10混凝土進(jìn)行回填封閉，溶洞段ZK64+919~ZK64+931原設(shè)計(jì)ST3復(fù)合襯砌，調(diào)整二襯厚度為50 cm，增設(shè)二襯鋼筋。

3) 第2次突水突泥。2014?04?20T03:00尚家灣隧道進(jìn)口左線ZK64+920處溶洞再次發(fā)生突水突泥，泥水從漿砌擋墻中間的預(yù)留排水管中噴出，水壓較大，噴射距離達(dá)5 m，涌水較為渾濁，攜帶大量細(xì)質(zhì)泥沙；2014?04?21水量有所增大，從溶洞頂側(cè)壁邊噴出；2014?04?22水量有所減??；2014?04?23T21:00，大量泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚度達(dá)1 m左右；2014?04?24泥水從溶洞底部預(yù)留排水管中排出，水量較小。

4) 第3次突水突泥。2014?08?24—2014?09?02，隧址區(qū)連續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致尚家灣隧道ZK64+920處溶洞再次發(fā)生突水突泥事故。泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚度為1.0~1.2 m，泥水迅猛涌出，水壓較高、流速較快，在隧道內(nèi)形成小型水浪，迅速涌至隧道洞口，預(yù)先埋設(shè)的直徑為60 cm排水管處于滿管排水狀態(tài)。

3.2 伴生災(zāi)害源的賦存特征

通過(guò)對(duì)近50年100余例隧道突涌案例的統(tǒng)計(jì)分析，將突水突泥伴生災(zāi)害源劃分為裂隙蓄水型、斷層蓄水型、溶洞蓄水型、巖溶管道蓄水型和地下暗河蓄水型[2?3, 17, 22?28]。

尚家灣隧道地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過(guò)落水洞、漏斗灌入地下，并通過(guò)地下河流向深切河谷，受北東向尚家灣斷裂帶影響，地下形成暗河與巖溶通道。隧道地貌區(qū)出露地層為白堊紀(jì)系紫褐紅色厚層砂巖、砂礫巖、礫巖、泥巖、鈣質(zhì)泥灰?guī)r。由于礫巖多為泥質(zhì)膠結(jié)的石灰質(zhì)礫巖，氣候溫和多雨有利于巖溶、垂直與水平管道發(fā)育，漏斗、溶洞、落水洞、地下河常連成一體。結(jié)合尚家灣隧道施工現(xiàn)場(chǎng)揭露情況可判定，此突涌災(zāi)害源為巖溶管道與地下暗河復(fù)合蓄水型。

隧址區(qū)發(fā)育的溶洞、巖溶管道及地下暗河，受施工開挖影響改變了其原有泥水流動(dòng)方式，產(chǎn)生伴生突涌災(zāi)害。

3.3 突涌災(zāi)害模式

突涌災(zāi)害是由伴生災(zāi)害源、突涌通道兩部分組成。伴生災(zāi)害源主要為水與泥砂相伴而成，有壓水裹挾泥砂噴涌而出，是內(nèi)在源動(dòng)力；隧道開挖擾動(dòng)引起圍巖應(yīng)力重分布，改變了圍巖應(yīng)力狀態(tài)和地下水的流動(dòng)狀態(tài)，打破了原有地表水下滲和地下水徑流的通道，加速了水循環(huán)，揭露的巖溶管道成為最有利于水源運(yùn)移的通道和路徑，因此，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑。

突涌災(zāi)害發(fā)生過(guò)程是含水介質(zhì)系統(tǒng)、水動(dòng)力系統(tǒng)以及圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因隧道開挖而發(fā)生急劇變化，存貯在地下的水體能量瞬間釋放，以流體的形式攜帶泥砂、巖屑等高速地向開挖臨空面內(nèi)運(yùn)移的一種動(dòng)力破壞模式。其中，瞬間釋放的水體裹挾泥砂、巖屑形成復(fù)雜介質(zhì)的伴生災(zāi)害源，由伴生災(zāi)害源引發(fā)的災(zāi)害為伴生災(zāi)害。

3.4 突涌災(zāi)害機(jī)理

2013?05?31發(fā)生突涌災(zāi)害前2 d內(nèi)曾出現(xiàn)強(qiáng)降雨，涌出泥砂中含有松子，推測(cè)該處突水涌泥水源的一部分來(lái)源于地表。2014?04?10—2014?04?19和2014?08?24—2014?09?02，尚家灣隧道隧址區(qū)均出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨現(xiàn)象。3次突涌災(zāi)害都是發(fā)生在強(qiáng)降雨后，同時(shí)隨著降雨結(jié)束，突涌水量減小，進(jìn)一步說(shuō)明突涌災(zāi)害源的一部分來(lái)源于地表。

從水文地質(zhì)特征看：尚家灣隧道地下巖溶水系統(tǒng)主要以巖溶管道為儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道，接受大氣降水補(bǔ)給，其補(bǔ)給方式為：大氣降雨—巖溶洼地匯集—巖層間裂隙灌入—地下巖溶水體，且徑流排泄暢通，流量季節(jié)性變化明顯。同時(shí)，位于尚家灣斷裂帶地表處，存在一特大型洼地，降雨時(shí)，周圍各處水流都匯聚于此，通過(guò)洼地補(bǔ)給地下徑流，導(dǎo)致地下水流量大幅度增加。

外因則為尚家灣隧道的開挖擾動(dòng)，隧道爆破開挖導(dǎo)致隔水阻泥層強(qiáng)度與整體性降低，打破了該處巖溶管道原有的流動(dòng)模式，積蓄已久的泥水伴生災(zāi)害源發(fā)生能量釋放，向隧道內(nèi)運(yùn)移造成突涌災(zāi)害。

4 治理與預(yù)防措施

4.1 治理

隧道工程中突遇巖溶管道時(shí)，常常采用引排水法、堵填法、跨越法、繞避法等對(duì)巖溶管道進(jìn)行治理。治理過(guò)程遵循以下原則：1) 管道型突涌水治理與伴生裂隙涌水治理相結(jié)合；2) 治理過(guò)程中應(yīng)特別注意生態(tài)環(huán)境保護(hù)，避免對(duì)地下水生態(tài)環(huán)境造成污染和危害； 3) 限量排放與跟蹤監(jiān)控相結(jié)合。

尚家灣隧道左線ZK64+920處巖溶管道水流主要來(lái)源于大氣降水的匯集，持續(xù)強(qiáng)降雨水是導(dǎo)致隧道巖溶管道突水突泥的主要原因，屬于季節(jié)性強(qiáng)補(bǔ)給型巖溶管道。

針對(duì)季節(jié)性強(qiáng)補(bǔ)給大型巖溶管道發(fā)生突水涌泥災(zāi)害時(shí)壓力高，流量大，突水過(guò)程中夾雜大量泥砂、塊石，容易形成成分復(fù)雜的伴生災(zāi)害源，且其水量補(bǔ)給廣，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，采取引排為主，攔排結(jié)合的治理方案。

首先，保持利用好原巖溶管道的排泄管道，不能隨意封堵。隧道采用跨越法穿過(guò)巖溶管道區(qū)，并在與巖溶管道相交的隧道底板處設(shè)置大孔徑排泄管道，以維持原有巖溶地下水的流動(dòng)方式。

其次，在隧道巖溶管道內(nèi)設(shè)置緩沖層，攔截大粒徑塊石，防止引起排泄管道堵塞及地表塌陷，保證山嶺隧道址區(qū)生態(tài)環(huán)境。

再次，巖溶管道與左、右隧洞相交處施作混凝土擋墻，使巖溶水不能通過(guò)下游管道流向左、右線洞內(nèi)，減小巖溶水對(duì)隧洞的危害。

最后，采取巖溶管道防護(hù)層、結(jié)構(gòu)保護(hù)層、初支加強(qiáng)層等綜合措施治理。

對(duì)于地下水與地表水有直接水力聯(lián)系的隧道，由于地下水水量及水壓隨降雨量變化，施工中應(yīng)盡快將圍巖自身承載力、初期支護(hù)和二次襯砌有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，共同抵御水壓，避免各工序間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成單一支護(hù)方式抵抗水壓。此外，當(dāng)二次襯砌不能緊跟時(shí)，應(yīng)考慮提高初期支護(hù)強(qiáng)度。

尚家灣隧道左線ZK64+920處巖溶管道的治理方案，如圖9所示，其中：

1) 采用疏通方案，將溶腔內(nèi)巖溶水引排至路基側(cè)向盲溝內(nèi)排出至洞外。

2) ZK64+917~931段由ST3b復(fù)合式襯砌調(diào)整為ST3a復(fù)合式襯砌。

3) 在ZK64+920路基兩側(cè)增設(shè)盲溝檢查井，檢查井需定期清淤。

4) 直徑為30 cm排水鋼管打孔段布置與襯砌拱腳處，打孔段長(zhǎng)約1 m，孔徑為4 cm，梅花形布置，打孔段鋼管外裹350 g/m2無(wú)紡布。

4.2 預(yù)防措施

1) 內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)圍巖揭露情況與外部隧址區(qū)環(huán)境相結(jié)合)。在隧道施工過(guò)程中，動(dòng)態(tài)分析圍巖變化情況，根據(jù)地質(zhì)勘查資料全面把握掌子面前方圍巖可能存在的災(zāi)害源賦存環(huán)境。

2) 綜合預(yù)報(bào)。在隧道開挖過(guò)程中，采用長(zhǎng)期與短期相結(jié)合的綜合物探技術(shù)進(jìn)行連續(xù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。針對(duì)災(zāi)害源賦存明顯區(qū)域開展超前鉆探，提高災(zāi)害源辨識(shí)度。采用激發(fā)極化法和瞬變電磁法探測(cè)隧道前方含水構(gòu)造的位置和規(guī)模，提高對(duì)含水體水量的辨識(shí)度。

3) 循環(huán)推進(jìn)，交叉評(píng)價(jià)。仔細(xì)研究施工前方地質(zhì)勘查資料，結(jié)合最新的超前物探資料，采用循環(huán)推進(jìn)、交叉評(píng)價(jià)的層位及構(gòu)造探控方式，進(jìn)一步查明施工前方的地質(zhì)構(gòu)造情況，重點(diǎn)評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)、物探解釋的災(zāi)害源賦存區(qū)，保證施工安全。

4) 動(dòng)態(tài)補(bǔ)探。在發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源賦存后，及時(shí)采取補(bǔ)探，以明確災(zāi)害源走勢(shì)與規(guī)模。準(zhǔn)確判定災(zāi)害源的三維空間位置，便于提前采取預(yù)防措施。

5) 綜合治理。建立一套完整的災(zāi)害防治技術(shù)，針對(duì)發(fā)生的突涌災(zāi)害進(jìn)行綜合治理。

5 結(jié)論

1) 尚家灣隧道突涌災(zāi)害源主要來(lái)自地表降水匯集，隧道施工開挖擾動(dòng)和持續(xù)強(qiáng)降雨水是導(dǎo)致隧道巖溶管道發(fā)生突涌災(zāi)害的主要原因，屬于季節(jié)性強(qiáng)補(bǔ)給型巖溶管道突涌災(zāi)害。

2) 揭示了尚家灣隧道突涌災(zāi)害源的賦存特征，同時(shí)提出了突涌災(zāi)害是由伴生災(zāi)害源、突涌通道兩部分組成。伴生災(zāi)害源是內(nèi)在源動(dòng)力，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑。

3) 施工采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段是可靠有效的，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了災(zāi)害源的位置與走勢(shì)。

4) 針對(duì)突涌災(zāi)害事故，提出了相應(yīng)的治理原則、治理建議、治理方案及后續(xù)施工的預(yù)防措施。

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(編輯 楊幼平)

Comprehensive analysis on disaster associated by water inrush and mud gushing in Shangjiawan karst tunnel

YUAN Yongcai1, LI Shucai1, LI Liping1, ZHANG Qianqing1, SUN Bolin2, SHI Shaoshuai1

(1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Baoyi Expressway Construction Headquarters of Hubei Province, Yichang 444200, China)

By combining the application of long-term prediction and short-term prediction in the Shangjiawan Tunnel, the spatial scale and location of associated disaster sources were accurately predicted. A comprehensive prediction system based on advanced drilling results was established. For the three occurring water inrush disasters, detailed hydrogeology analysis and site survey were carried out to identify the source of inrush water, and the distribution and occurrence characteristics of inrush disaster sources and their inrush mode were successfully revealed. The water inrush disaster was composed of associated disaster sources and inrush channel. Associated disaster sources were the source of power and inrush channel was the dominant migration path of disaster source. Furthermore, a set of associated disaster sources detection and prevention technology were established including the internal and external integration (combined the exposing situation of tunnel surrounding rock and the external environment of tunnel site), comprehensive prediction, cycle forward, cross-evaluation, dynamic detection and comprehensive treatment. The corresponding treatment principles, treatment scheme and preventive measures of the subsequent construction aiming at inrush disasters were presented.

karst tunnel; water inrush and mud gushing; disaster sources; comprehensive prediction;

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.028

U452

A

1672?7207(2017)01?0203?09

2016?01?24；

2016?03?18

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036000)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51139004)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51479106)(Project(2013CB036000) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51139004) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China; Project(51479106) supported by the General Program of the National Natural Science Foundation of China)

袁永才，博士研究生，從事地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)與防治研究；E-mail: yuanyc924@163.com