巖溶隧道突水突泥防突評判方法及其工程應(yīng)用

黃鑫，林鵬，許振浩, , 3，李術(shù)才，潘東東，高斌，李召峰

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巖溶隧道突水突泥防突評判方法及其工程應(yīng)用

黃鑫1，林鵬1，許振浩1, 2, 3，李術(shù)才1，潘東東1，高斌2，李召峰1

(1. 山東大學 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南，250061； 2. 山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南，250061； 3. 中國地質(zhì)科學院，北京，100037)

為實現(xiàn)對巖溶隧道安全性的快速評價，采用統(tǒng)計與理論分析相結(jié)合的方法，針對巖溶隧道突水突泥災害的災害源和防突結(jié)構(gòu)，選取水動力條件、不良地質(zhì)、防突厚度及圍巖特征這4個方面因素，建立一種適用于工程現(xiàn)場的突水突泥快速判識方法即巖溶隧道突水突泥防突評判方法(PSAM法)，構(gòu)建突水突泥防突評判影響因素指標體系，即以防突厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)、巖體質(zhì)量和完整性為主要影響因素，圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補給條件、水力連通性、巖石強度為次要影響因素，巖層走向與傾角、地應(yīng)力、巖體透水性特征為修正因素，提出各影響因素的分類方法和等級劃分體系，形成適用于工程現(xiàn)場快速查詢與評判的影響因素分級與評分表，闡述防突評判實施流程。將該評判方法應(yīng)用于宜萬(湖北宜昌—重慶萬縣)鐵路野三關(guān)隧道“602溶腔”大型突水突泥災害工程。研究結(jié)果表明：該評判方法克服了現(xiàn)有突水突泥風險評價不能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征及厚度影響作用的不足以及傳統(tǒng)最小安全厚度計算方法針對孕險環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面的欠缺；工程應(yīng)用結(jié)果驗證了該評判方法的科學性和實用性。

巖溶隧道；突水突泥；防突結(jié)構(gòu)；防突厚度；防突評判方法

深長隧道(洞)是交通、水利水電等國家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的關(guān)鍵控制性工程，涉及公路、鐵路、水電、跨流域調(diào)水以及礦山資源等諸多工程領(lǐng)域。然而，在隧道施工過程中，“高水壓、大體量、強突發(fā)”類型突水突泥災害頻發(fā)，造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟損失，誘發(fā)隧址區(qū)地表塌陷以及水資源枯竭等一系列重大次生災害，造成嚴重的環(huán)境破壞和惡劣的社會影響[1?7]，如衡廣復線大瑤山隧道、廣鄰高速華鎣山隧道、渝懷鐵路圓梁山隧道[8]、武隆隧道[9]、城黔公路通渝隧 道[10]、宜萬鐵路野三關(guān)隧道[11]、大支坪隧道、云霧山隧道、馬鹿箐隧道[12]、齊岳山隧道、滬蓉西高速龍?zhí)端淼繹13]、齊岳山隧道[14]等隧道在施工過程中，均發(fā)生多次突水突泥事故，損失慘重：因此，開展隧道突水突泥重大災害防治理論研究具有重要的理論意義與工程實用價值。突水突泥判識和風險評價與控制成為巖溶隧道安全施工的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。針對巖溶隧道突水突泥地質(zhì)災害風險評價難題，國內(nèi)外學者通過分析隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征、地下水動力系統(tǒng)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌以及地下水位等突水突泥的孕險環(huán)境，基于隧道突水、突泥危險性分級體系[15]、隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)[16?17]、巖溶突涌水地質(zhì)災害系統(tǒng)[18]，應(yīng)用模糊綜合評價法[19]、層次分析法[20?21]、屬性數(shù)學法[22]等理論與方法，建立了巖溶隧道突水突泥風險評價理論與方法，進而判斷隧道施工期突水突泥的可能性，預測地質(zhì)災害風險等級及其覆蓋區(qū)域[23?26]。針對突水突泥災害判識難題，國內(nèi)外學者提出最小安全厚度的概念，并引入彈性力學、斷裂力學、損傷力學、能量法以及突變論等理論開展研究[27?30]，取得了大量研究成果。但最小安全厚度計算方法對突水突泥災害孕險環(huán)境和隧道圍巖特征等重要影響因素考慮不全面，且涉及較多難以直接獲取或推演的力學參數(shù)。隨著隧道建設(shè)重心逐漸向地形地質(zhì)極端復雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，隧道修建面臨大埋深、高水壓、強巖溶等挑戰(zhàn)，防突結(jié)構(gòu)最小安全厚度計算方法不能很好地應(yīng)用于復雜巖溶隧道突水突泥地質(zhì)災害評判中?；谏鲜龇治觯谕凰荒嗯凶R和風險防控方面，地質(zhì)災害風險評價方法主要針對孕險環(huán)境，是區(qū)域性災害預測方法，不能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征及厚度對突水突泥的影響作用；最小安全厚度計算方法是描述防突厚度與水壓力特征等影響下的突水突泥判識方法，但針對孕險環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面，且涉及較多難以直接獲取或推演的力學參數(shù)。為此，本文作者借鑒巖體質(zhì)量評價與分類方法，分析突水突泥災害的災害源和防突結(jié)構(gòu)，針對水動力條件、不良地質(zhì)、防突厚度、圍巖特征這4個方面，選取水壓力特征、水源補給條件、水力連通性、不良地質(zhì)、巖層走向與傾角、防突厚度、巖體質(zhì)量和完整性、節(jié)理狀態(tài)、巖石強度、地應(yīng)力、巖體透水性特征共11個主要影響因素作為評判指標，提出隧道突水突泥防突評判方法(PSAM法)，建立各影響因素等級劃分與評分體系，闡述防突評判實施流程。最后，通過在宜萬鐵路野三關(guān)隧道典型突水突泥災害工程案例中進行應(yīng)用，驗證該防突評判方法的科學性和實用性。

1 防突評判方法

突水突泥實質(zhì)上是不良地質(zhì)構(gòu)造在隧道及地下工程開挖作用的影響下，地下水、黏性土、砂石等涌入隧道的現(xiàn)象，其影響因素眾多且復雜，因此，開展精確的突水突泥防突評判十分困難。本文通過分析突水突泥災害的災害源s和防突結(jié)構(gòu)s，從水動力條件w、不良地質(zhì)g、防突厚度t和圍巖特征r這4個方面著手研究隧道突水突泥防突結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評價方法。其中水動力條件包括水壓力特征p、水源補給條件r和水力連通性c；圍巖特征包括巖體質(zhì)量和完整性i、節(jié)理狀態(tài)s、巖石強度c，并受地應(yīng)力、巖體透水性特征和巖層走向與傾角影響，如圖1所示。圍巖特征各影響因素的分類方法綜合借鑒了巖體質(zhì)量評價與分類的相關(guān)方法，如RQD分類法[31]、BQ分類法[32]、RMR分類法[33]和NGI(Q系統(tǒng))分類 法[34?35]，同時緊密結(jié)合隧道突水突泥災害的工程特征，確保圍巖特征影響因素的分類方法具有較強的科學性和適用性。

基于大量工程案例統(tǒng)計與分析[2, 4, 10, 19, 22, 26, 36]及層次分析方法，防突評判針對防突厚度t、水壓力特征p、不良地質(zhì)g、巖體質(zhì)量和完整性i、節(jié)理狀態(tài)s、水源補給條件r、水力連通性c、巖石強度c、地應(yīng)力、巖體透水性特征和巖層走向與傾角共11個影響因素，進行綜合評分，最高分值為500。根據(jù)各因素對防突評判影響作用不同，對各因素分值進行分配，分配分值見表1。

括號中數(shù)據(jù)為分值；地應(yīng)力G、巖體透水性特征K、巖層走向與傾角Ψ為修正因素，按正值評分，總分按式(1)~(5)計算。

表1 防突評判影響因素分值分配表

從表1可知：防突厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)、巖體質(zhì)量和完整性對防突評判影響最大，分數(shù)比例占76%，為主要影響因素；其次為圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補給條件、水力連通性和巖石強度，分數(shù)比例占24%，為次要影響因素；最后為巖層走向與傾角、地應(yīng)力和巖體透水性特征，為修正影響因素。

防突評判總分值計算式為

水動力條件分值計算式為

圍巖特征分值計算式為

式(3)中，s由節(jié)理閉合情況c、節(jié)理粗糙度r和節(jié)理充填物性質(zhì)a決定，

巖溶隧道突水突泥防突評判等級分為I~IV級，如表2所示。I級表示防突結(jié)構(gòu)處于理想安全狀態(tài)，對突水突泥具有足夠強的抵抗能力。II級表示防突結(jié)構(gòu)處于基本安全狀態(tài)，在施工過程中應(yīng)注意控制好開挖步距，及時支護。III級表示防突結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生滯后破壞。在滯后破壞階段，受水壓力、地下水滲流以及施工擾動等影響，防突結(jié)構(gòu)會發(fā)生漸進性破壞，最終誘發(fā)突水突泥災害。當然，若處治及時，如采取注漿加固、泄水降壓以及封堵地下水補給通道等措施，則仍然可以防止突水突泥災害的發(fā)生。IV級表示防突結(jié)構(gòu)將直接破壞，破斷垮塌，發(fā)生突水突泥災害。

表2 防突評判等級與分值

2 防突評判影響因素

2.1 防突厚度Pt

防突結(jié)構(gòu)是阻止突水突泥災害發(fā)生的最后一道屏障，是災害源內(nèi)積聚的能量釋放時作用的對象，是突水通道最終貫通的突破口。防突結(jié)構(gòu)的破裂是災害源水體運移和隧道內(nèi)施工擾動共同誘發(fā)的動力破壞過程。傳統(tǒng)防突結(jié)構(gòu)安全厚度通常由松弛帶厚度1、過渡帶厚度和裂隙帶厚度2這3部分組成[36?38]。松弛帶厚度主要受開挖擾動影響，并與圍巖級別有關(guān)。裂隙帶通常發(fā)育在巖溶構(gòu)造周邊[39]，裂隙帶厚度主要受地層巖性、巖層厚度影響。當松弛帶和裂隙帶相互貫通即防突厚度≤1+2時，防突結(jié)構(gòu)將會發(fā)生滯后破壞或直接破壞，從而誘發(fā)突水突泥災害事故。另外，大量工程案例實踐經(jīng)驗顯示，當防突厚度超過1倍洞徑時，通常不會發(fā)生突水突泥災害，稱為安全厚度3?；谇笆隼碚撗芯亢凸こ探?jīng)驗，將防突厚度分為3個等級，并作為突水突泥防突評判的初步評判準則，如表3所示。松弛帶厚度1和裂隙帶厚度2可由物探和鉆探手段測得，若無物探或鉆探結(jié)果，則可據(jù)表4和表5取值。

表3 防突厚度等級與初步評判準則

表4 松弛帶厚度D1取值查詢表

表5 裂隙帶厚度D2取值查詢表

2.2 水壓力特征Hp

地下水是隧道突水突泥的主要災害源，也是決定性因素之一。地下水位越高，水壓力越大，對防突結(jié)構(gòu)的安全性威脅越大，突水突泥發(fā)生的概率越高，且一旦發(fā)生突水突泥災害，其危害也越大。在傳統(tǒng)隧道突水突泥風險評價中，通常以水頭高度來描述地下水位對突水突泥風險的影響作用[20]。基于此，水壓力特征根據(jù)水頭高度或水壓力同樣分為4個等級，其等級劃分與評分值如表6所示。

表6 水壓力特征Hp等級與評分值

2.3 不良地質(zhì)Ug

在隧道施工過程中遭遇各種不良地質(zhì)，構(gòu)成巖溶類、斷層類和其他成因類突水突泥致災構(gòu)造[40]。這些不良地質(zhì)體的類型、規(guī)模等在很大程度上決定了隧道突水突泥的致災性。按致災性強弱，不良地質(zhì)體可分為4個水平分級，如表7所示。

表7 不良地質(zhì)體等級Ug等級與評分值

2.4 巖體質(zhì)量和完整性Ri

巖體質(zhì)量和完整性是影響巖溶隧道防突評判的一個重要因素。若圍巖完整性好、強度高、無不利結(jié)構(gòu)面，則抗變形能力強，施工擾動變形量小，抵抗突水突泥災害能力強；若圍巖完整性差、強度低、不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，則抗變形能力弱，施工擾動變形量大，特別是斷層破碎帶、充填型溶腔等軟弱帶(體)在地下水作用下，常產(chǎn)生滲透失穩(wěn)或整體擠出破壞，若施工稍有不當，則可導致突水突泥災害發(fā)生。表8為巖石質(zhì)量指標QD與評分值，表9所示為巖體完整性指標n與折減系數(shù)。巖體質(zhì)量和完整性評分值根據(jù)式(4)、表8和表9確定。

表8 巖石質(zhì)量指標RQD與評分值

表9 巖體完整性指標Jn與折減系數(shù)

2.5 節(jié)理狀態(tài)Js

若圍巖節(jié)理的張開程度越大、節(jié)理越平直且無充填物，則巖石風化越嚴重，圍巖越破碎，對圍巖穩(wěn)定性越不利，地下水在節(jié)理中運移越通暢，發(fā)生突水突泥時地下水補給源越豐富，災害越嚴重。表10所示為節(jié)理閉合情況與評分值，表11所示為節(jié)理粗糙度與評分值，表12為充填物性質(zhì)與折減系數(shù)。節(jié)理狀態(tài)評分值根據(jù)式(5)和表10~12確定。

表10 圍巖節(jié)理閉合情況Jc與評分值

表11 圍巖節(jié)理粗糙度Jr與評分值

注：當c為節(jié)理面不接觸時，r取6。

表12 圍巖節(jié)理充填物性質(zhì)Ja與折減系數(shù)

2.6 水源補給條件Wr

水源補給條件和地下水連通性在很大程度上會改變地下水的水壓力特征，從而影響防突評判。洼地、漏斗、落水洞、槽谷等負地形都是地下水系統(tǒng)的重要輸入點，輸入水量與各輸入點的地表匯水面積有關(guān)。大型地下水輸入點如洼地、地下河入口的地下延伸一般是地下河支流的河道。根據(jù)地表負地形、匯水能力或地下水補給情況不同，將水源補給條件分為4個水平并進行評分，如表13所示。

2.7 地下水連通性Hc

地下水的連通性主要體現(xiàn)在：隧址區(qū)溶蝕裂隙的發(fā)育狀況；與巖溶洼地、落水洞的連通性；巖層的傾角及層面裂隙發(fā)育狀況；巖層的豎向貫通性；斷層是否連通隧道；地表、構(gòu)造裂隙發(fā)育情況等。地下水的連通性越好，對突水突泥防突結(jié)構(gòu)的安全性越不利。根據(jù)地下水連通情況不同，將地下水連通性分為強導水性、中等導水性、弱導水性、微導水性共4個等級，并進行評分，如表14所示。

2.8 巖石強度Rc

完整巖石強度的評分值通過測量點荷載強度或單軸抗壓強度并根據(jù)表15進行確定。

2.9 巖層走向和傾角Ψ

巖層走向和傾角評分值通過分析巖層走向與隧道軸線和掘進方向的關(guān)系確定，如表16所示。

2.10 地應(yīng)力影響G

隧道開挖會改變初始應(yīng)力場的分布，應(yīng)力場的初始狀態(tài)在一定程度上決定了應(yīng)力場的二次分布。當應(yīng)力與滲流耦合時，初始地應(yīng)力則通過隧道施工應(yīng)力二次分布影響著滲流場的變化，進而影響突水突泥過程。將初始地應(yīng)力狀態(tài)分為極高應(yīng)力、高應(yīng)力、中等應(yīng)力和低應(yīng)力共4個等級，并進行評分，如表17所示。

表13 水源補給條件Wr分級與評分值

表14 地下水連通性Hc分級與評分值

表15 完整巖石強度Rc分級與評分值

表16 巖層走向和傾角Ψ分級與評分值

表17 地應(yīng)力G分級與評分值

2.11 圍巖透水性K

圍巖透水性是地下水流動與運移的重要影響因素之一。圍巖透水性越強，在適宜的補給條件下，地下水流動和運移速度越快，對圍巖體不利結(jié)構(gòu)面的弱化作用越強，越不利于防突結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)隧道開挖后的出水狀態(tài)及涌水量，可將圍巖透水性分為5個等級并進行評分，如表18所示。

表18 圍巖透水性K分級與評分值

3 防突評判實施流程

巖溶隧道突水突泥防突評判實施流程如圖2所示。

1) 確定松弛帶厚度1、裂隙帶厚度2和安全厚度3；松弛帶厚度和裂隙帶厚度可由物探和鉆探測得或查詢表4和表5獲得。

2) 初步評判。根據(jù)防突厚度進行初步評判：若≤12，則防突結(jié)構(gòu)將發(fā)生滯后破壞或直接破壞；若＞123，則防突結(jié)構(gòu)處于安全或基本安全狀態(tài)；若12＜≤123，則需要對防突結(jié)構(gòu)進行分值評判。

圖2 防突評判流程

3) 分值評判。對防突厚度、水動力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征等所有影響因素進行分級評分，根據(jù)式(1)和表1進行防突評判，評判結(jié)果分為安全、基本安全、滯后破壞或直接破壞共4種。

4 案例分析

4.1 工程概況

宜萬鐵路野三關(guān)隧道位于恩施州巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)碗口河和支井河之間，從DK116+205~ DK130+038，全長13 833 m，最大埋深684 m，為宜萬鐵路全線最長的隧道[41]。由于隧道洞身通過廣泛分布的可溶巖地層，巖溶發(fā)育強烈，水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造復雜，是宜萬鐵路的重要控制工程。隧道穿越三疊系大冶組、嘉陵江組、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層。在該隧道中，碎屑巖地層占37%，灰?guī)r地層占隧道63%，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育巖溶管道流6條，其中3號暗河對隧道影響最大。3號暗河呈帶狀分布，在隧道上方斜穿，排泄基準面標高為1 050 m，高于隧道220 m，暗河通過巖溶裂隙、斷層等通道與隧道的水力聯(lián)系較強；區(qū)內(nèi)共發(fā)育12條斷層，其中F18斷層切割、連通3號暗河，存在重大突水突泥風險，隧道多次通過碎屑巖與灰?guī)r接觸帶，施工風險高[41?42]。宜萬鐵路野三關(guān)隧道部分地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

4.2 突水突泥情況

2007?08?05，在宜萬鐵路野三關(guān)隧道I線出口端開挖至DK124+602時，突然發(fā)生大型崩塌、突泥、突石的重大透水災害。在高水壓作用下，地下水沿隱蔽破碎巖體傳遞壓力，壓裂隧道臨空面完整圍巖，導致隧道洞室大規(guī)模崩塌，并貫通隧道上方的巖溶管道，襲奪3號地下暗河。瞬間涌水量達到15萬m3/h，涌出泥砂及塊石5.4萬m3，堆滿隧道400 m左右，造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡[43]。

圖3 宜萬鐵路野三關(guān)隧道部分地質(zhì)剖面圖

4.3 影響因素分析

4.3.1 防突厚度t

在對泄水支洞前方的溶腔進行超前鉆孔鎖定邊界時，發(fā)現(xiàn)泄水支洞前方巖墻臨溶腔側(cè)存在1.2~1.9 m厚度不等的破碎灰?guī)r區(qū)，因此，可以取裂隙帶厚度2為2.00 m；圍巖等級為II級，因此，松弛帶厚度1取1.00 m；隧道正洞斷面為馬蹄型，寬7.16 m，高9.46 m，取安全厚度3為7.50 m。

經(jīng)初步評判可得：當≤3.0 m時，防突結(jié)構(gòu)將發(fā)生直接破壞或滯后破壞；當＞10.5 m時，防突結(jié)構(gòu)安全或基本安全；當3.0＜≤10.5 m時，繼續(xù)進行分值評判。

4.3.2 不良地質(zhì)g

溶腔發(fā)育范圍為DK124+583~DK124+610，沿隧道縱向長27.0 m。溶腔橫穿隧道，主溶腔位于I線DK124+580~DK124+640左側(cè)40 m、左上方100~250 m附近，向上與地表連通，向右側(cè)逐漸尖滅，發(fā)育成寬張裂隙。充填物為灰?guī)r塊石、砂卵石、淤泥及水，“602溶腔”突水突泥潰口在DK124+602~DK124+605左側(cè)邊墻，總涌水量達2 600萬m3。

4.3.3 水壓力特征p

突水前，DK124+602處溶洞內(nèi)實測水壓力為 1.0 MPa，突水后，溶洞水壓力一般在0.1 MPa左右，周邊巖體裂隙水壓為0.3~0.9 MPa[41]。

4.3.4 水源補給情況r

隧道處于灰?guī)r與泥巖接觸帶區(qū)的灰?guī)r段，屬于灰?guī)r含水層向泥巖非含水層過渡帶。灰?guī)r段巖溶裂隙水發(fā)育，富含地下水，其地下水與野三關(guān)隧道3號暗河處于同一水文地質(zhì)單元。示蹤試驗結(jié)果表明：隧道突水點與水洞坪巖溶洼地地表水以及3號地下暗河之間存在明顯的水力聯(lián)系，表明水洞坪巖溶洼地地表水、3號地下暗河和二疊系棲霞—茅口組巖溶含水層是突水的主要水源[44]。

4.3.5 水力連通性c

該區(qū)段垂向巖溶如落水洞、巖溶漏斗、洼地等極為發(fā)育。地下水補給條件及徑流條件好，通過斷層破碎帶易將巖溶水導入隧道。

4.3.6 圍巖完整性i

該段隧道穿越二疊系下統(tǒng)棲霞組和茅口組的灰?guī)r以及含燧石結(jié)核灰?guī)r夾瀝青質(zhì)地層，厚層狀，巖心較完整，QD=70%，隧道圍巖分級為II級，n=1.2。

4.3.7節(jié)理狀態(tài)s

巖溶裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育方向與隧道近垂直或大角度相交，橫穿I線、II線，基本上沿巖層走向發(fā)育，主要節(jié)理閉合或發(fā)生剪切錯動，為粗糙或波狀節(jié)理，偶有裂隙夾泥或夾雜炭質(zhì)灰?guī)r顆粒。

4.3.8 巖塊強度c

隧道DK124+550~+650段穿越圍巖情況如前4.3.6節(jié)所述，巖體完整，為Ⅱ級圍巖。隧道圍巖崩塌堆積體為棲霞組深灰色灰?guī)r塊體，巖塊的單軸抗壓強度為90~110 MPa。

4.3.9 修正因素

1) 圍巖透水性影響：地質(zhì)資料顯示，DK124+ 550~+650段洞身處于地下水深部循環(huán)帶，巖溶發(fā)育程度較弱，以裂隙滲水、滴水為主，水量動態(tài)較穩(wěn)定。實際施工揭露情況為靠近掌子面里程出現(xiàn)多個涌水 點[42]，且涌水量較大。

2) 地應(yīng)力影響：DK124+602溶洞處隧道埋深為520 m，＞7，屬于低應(yīng)力。

3) 巖層走向和傾角：該段位于石馬壩背斜的西翼，隧道反傾向掘進，巖層傾角為10°~45°。

4.4 防突評判結(jié)果

根據(jù)上述針對野三關(guān)隧道各影響因素分析得到相應(yīng)因素評分值，如表19所示。

表19 野三關(guān)隧道防突評判影響因素評分值

下面針對水動力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征這3個主要大類影響因素在防突評判中的影響程度進行分析，主要從其貢獻的評分值和評分值占各類總分值的百分比2個方面考慮。評分值越高，說明此因素在防突作用方面越強；百分比越低，說明此因素在防突方面是“短板”因素，是施工補強措施中首要考慮的因素。野三關(guān)隧道防突評判中主要大類影響因素評分值和百分比見圖4。

從圖4可知：圍巖特征r評分值最高，說明該段圍巖條件在防突結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中起重要作用；水動力條件w的百分比僅為25%，是明顯的“短板”因素，要加強防突結(jié)構(gòu)的安全性，首先考慮水動力條件，泄水降壓，封堵補給通道，主動防控。

根據(jù)表19中各因素評分值，按照式(1)可得防突評判分值為

當d∈(D1+D2，D1+D2+D3]即3＜d≤10.5 m時，防突評判分值與防突厚度之間的關(guān)系曲線如圖5所示。圖5中防突厚度的評分值與防突厚度按呈線性關(guān)系，即

1—p＜0.1 MPa；2—p=1.0 MPa。

(7)

分析圖5中?關(guān)系曲線2可得：當防突厚度＞10.0 m時，防突評判等級為II級，基本安全；當防突厚度3.0＜≤10.0 m時，防突評判等級為III級，發(fā)生滯后破壞；當防突結(jié)構(gòu)厚度≤3 m時，防突評判等級為III級或IV級，發(fā)生滯后破壞或直接破壞。

野三關(guān)隧道實際工程施工中發(fā)生“602溶腔”突水突泥時厚度為7.5 m，小于計算所得的臨界防突厚度10.0 m，并且本次災害是在高水壓和開挖擾動雙重作用下，防突結(jié)構(gòu)裂隙擴展至貫通，發(fā)生漸進性破壞誘發(fā)突水突泥，為滯后型突水突泥。

4.5 討論

若在災害發(fā)生前對602溶腔進行泄水降壓，將溶腔水壓力降至低于0.1 MPa(見圖5中曲線1)，則當防突厚度≥6.5 m時，防突評判等級為II級，基本安全。此時，當掌子面開挖至防突厚度為7.5 m時，便不會發(fā)生突水突泥災害。若進一步采取封堵地下水補給通道、注漿加固圍巖、改善不良地質(zhì)體等主動防控措施，則防突結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的臨界防突厚度會逐漸減小，如圖6所示。采取泄水降壓、封堵地下水補給通道主動防控措施后，水動力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征的評分值之和為210，防突結(jié)構(gòu)臨界防突厚度為5.5 m，小于實際突水厚度。當進一步改善不良地質(zhì)條件時，防突結(jié)構(gòu)臨界防突厚度會進一步減小。

野三關(guān)隧道突水突泥災害處理過程中“實施高位泄水支洞降低水壓力，采取注漿堵水固結(jié)潰口塊石堆積體以及超前管棚預支護措施”等技術(shù)[43]與上述“泄水降壓、封堵地下水補給通道等主動防控措施”相一致，避免了后期處治過程中突水突泥災害的再次發(fā)生。在類似存在突水突泥災害的巖溶隧道施工過程中，也可采用上述措施進行控制，從而降低防突評判等級，避免突水突泥災害發(fā)生，保證隧道施工安全。

A表示無措施；B表示泄水降壓；C表示封堵補給通道；D表示改善不良地質(zhì)；“10，130”表示在A工況下的臨界防突厚度為10 m，水動力條件、不良地質(zhì)、圍巖特征的評分值之和為130，其他情況類推

5 結(jié)論

1) 針對突水突泥災害的災害源和防突結(jié)構(gòu)，考慮水動力條件、不良地質(zhì)、防突厚度和圍巖特征這4個方面，建立了隧道突水突泥防突評判方法，形成了一種適用于工程現(xiàn)場的突水突泥快速判識方法，克服了現(xiàn)有突水突泥風險評價未能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征和厚度影響作用的不足以及傳統(tǒng)最小安全厚度計算方法針對孕險環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面的欠缺。

2) 構(gòu)建了突水突泥防突評判影響因素指標體系：防突結(jié)構(gòu)厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)與巖體質(zhì)量和完整性為主要影響因素；圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補給條件、水力連通性和巖石強度為次要影響因素；巖層走向與傾角、地應(yīng)力和巖體透水性特征為修正因素。提出了各影響因素等級劃分方法與評分體系，形成了分級與評分查詢表，保證了防突評判方法的科學性和實用性，并實現(xiàn)了工程現(xiàn)場快速查詢與評判。

3) 在宜萬鐵路野三關(guān)隧道“602溶腔”突水突泥防突評判中，水動力條件是確保防突結(jié)構(gòu)安全的“短板”因素；災害發(fā)生時的厚度小于計算所得的臨界防突厚度，為滯后型突水突泥。工程案例分析證明了防突評判方法的科學性和實用性。

[1] 錢七虎.地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對策[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(10): 1945?1956. QIAN Qihu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1945?1956.

[2] LI Shucai, ZHOU Zongqing, LI Liping, et al. Risk assessment of water inrush in karst tunnels based on attribute synthetic evaluation system[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 38: 50?58.

[3] LI Xueping, LI Yunan. Research on risk assessment system for water inrush in the karst tunnel construction based on GIS: case study on the diversion tunnel groups of the Jinping II Hydropower Station[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40: 182?191.

[4] 李術(shù)才, 周宗青, 李利平, 等. 巖溶隧道突水風險評價理論與方法及工程應(yīng)用[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(9): 1858?1867. LI Shucai, ZHOU Zongqing, LI Liping, et al. Karst tunnel water inrush risk evaluation theory and methods and engineering application[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(9): 1858?1867.

[5] GATTINONI P, SCESI L. An empirical equation for tunnel inflow assessment: application to sedimentary rock masses[J]. Hydrogeology Journal, 2010, 18(8): 1797?1810.

[6] ZHAO Yong, LI Pengfei, TIAN Siming. Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013, 5(6): 468?477.

[7] WANG Xiaozhen, XU Jialin, ZHU Weibing, et al. Roof pre-blasting to prevent support crushing and water inrush accidents[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(3): 379?384.

[8] 劉招偉, 何滿潮, 王樹仁. 圓梁山隧道巖溶突水機制及防治對策研究[J]. 巖土力學, 2006, 27(2): 228?232. LIU Zhaowei, HE Manchao, WANG Shuren. Study of karst waterburst mechanism and prevention countermeasures in Yuanliangshan tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(2): 228?232.

[9] 張小華, 劉清文. 武隆隧道暗河突水特點與整治技術(shù)分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2005, 42(3): 59?64.

ZHANG Xiaohua, LIU Qingwen. Analysis of the features of water outbursts from underground rivers and the counterm easures in Wulong tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2005, 42(3): 59?64.

[10] 顧義磊, 李曉紅, 趙瑜, 等. 通渝隧道涌突泥成因分析[J]. 巖土力學, 2005, 26(6): 920?923. GU Yilei, LI Xiaohong, ZHAO Yu, et al. Analysis of forming reason of mud breakout in Tong—Yu tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(6): 920?923.

[11] JIANG Haiming, LI Lang, RONG Xiaoli, et al. Model test to investigate waterproof-resistant slab minimum safety thickness for water inrush geohazards[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2017, 62: 35?42.

[12] 金新鋒, 夏日元, 梁彬. 宜萬鐵路馬鹿箐隧道巖溶突水來源分析[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2007, 34(2): 71?74, 80. JIN Xinfeng, XIA Riyuan, LIANG Bin. Analysis of bursting water source of Maluqing tunnel, Yichang—Wanzhou railway[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2007, 34(2): 71?74, 80.

[13] 劉欽, 李術(shù)才, 李煜航, 等.龍?zhí)端淼?F2斷層處涌水突泥機理及治理研究[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(6): 1419?1426. LIU Qin, LI Shucai, LI Yuhang, et al. Study on mechanism and treatment of gushing water and burst mud at F2 fault in Longtan tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1419?1426.

[14] 林傳年. 齊岳山隧道巖溶裂隙水超前預報與治理研究[J]. 地下空間與工程學報, 2008, 4(4): 789?792. LIN Chuannian. Study on prediction and treatment technology of karst fissure water of Qiyue Mountain tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2008, 4(4): 789?792.

[15] 毛邦燕, 許模, 蔣良文. 隧道巖溶突水、突泥危險性評價初探[J]. 中國巖溶, 2010, 29(2): 183?189. MAO Bangyan, XU Mo, JIANG Liangwen. Preliminary study on risk assessment of water and mud inrush in karst tunnel[J]. Carsologica Sinica, 2010, 29(2): 183?189.

[16] 韓行瑞. 巖溶隧道涌水及其專家評判系統(tǒng)[J]. 中國巖溶, 2004, 23(3): 213?218. HAN Xingrui. Karst water bursting in tunnel and expert judging system[J]. Carsologica Sinica, 2004, 23(3): 213?218.

[17] 葉志華, 韓行瑞, 張高明, 等. 隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)在朱家?guī)r隧道涌水預報中的應(yīng)用[J]. 中國巖溶, 2006, 25(2): 139?145. YE Zhihua, HAN Xingrui, ZHANG Gaoming, et al. Application of experters judging system in predicting karst water bursting in Zhujiayan tunnel[J]. Carsologica Sinica, 2006, 25(2): 139?145.

[18] 匡星, 白明洲, 王成亮, 等. 基于模糊評價方法的隧道巖溶突水地質(zhì)災害綜合預警方法[J]. 公路交通科技, 2010, 27(11): 100?103. KUANG Xing, BAI Mingzhou, WANG Chengliang, et al. Research of comprehensive warning of water inrush hazards in karst tunnel based on fuzzy evolution method[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27(11): 100?103.

[19] 李利平, 李術(shù)才, 陳軍, 等. 基于巖溶突涌水風險評價的隧道施工許可機制及其應(yīng)用研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(7): 1345?1354. LI Liping, LI Shucai, CHEN Jun, et al. Construction license mechanism and its application based on karst water inrush risk evaluation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1345?1354.

[20] 許振浩, 李術(shù)才, 李利平, 等.基于層次分析法的巖溶隧道突水突泥風險評估[J]. 巖土力學, 2011, 32(6): 1757?1766. XU Zhenhao, LI Shucai, LI Liping, et al. Risk assessment of water or mud inrush of karst tunnels based on analytic hierarchy process[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(6): 1757?1766.

[21] 杜毓超, 韓行瑞, 李兆林. 基于AHP 的巖溶隧道涌水專家評判系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 中國巖溶, 2009, 28(3): 281?287. DU Yuchao, HAN Xingrui, LI Zhaolin. Professional evaluating system for karst tunnel gushing based on AHP and its application[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(3): 281?287.

[22] 周宗青, 李術(shù)才, 李利平, 等. 巖溶隧道突涌水危險性評價的屬性識別模型及其工程應(yīng)用[J]. 巖土力學, 2013, 34(3): 818?826. ZHOU Zongqing, LI Shucai, LI Liping, et al. Attribute recognition model of fatalness assessment of water inrush in karst tunnels and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(3): 818?826.

[23] 錢七虎, 戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(4): 649?655. QIAN Qihu, RONG Xiaoli. State, issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(4): 649?655.

[24] 黃宏偉. 隧道及地下工程建設(shè)中的風險管理研究進展[J]. 地下空間與工程學報, 2006, 2(1): 13?20. HUANG Hongwei. State of the art of the research on risk management in construction of tunnel and underground works[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(1): 13?20.

[25] 陳龍, 黃宏偉.巖石隧道工程風險淺析[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(1): 110?115. CHEN Long, HUANG Hongwei. Risk analysis of rock tunnel engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(1): 110?115.

[26] 許振浩, 李術(shù)才, 李利平, 等. 基于風險動態(tài)評估與控制的巖溶隧道施工許可機制[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(11): 1714?1725. XU Zhenhao, LI Shuca, LI Liping, et al. Construction permit mechanism of karst tunnels based on dynamic assessment and management of risk[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1714?1725.

[27] 楊天鴻, 唐春安, 譚志宏, 等. 巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預測預報研究發(fā)展趨勢[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(2): 268?277. YANG Tianhong, TANG Chun’an, TAN Zhihong, et al. State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 268?277.

[28] WOLKERSDORFER C, BOWELL R. Contemporary reviews of mine water studies in Europe[J]. Mine Water and the Environment, 2005, 24(1): 2?37.

[29] SALIS M, DUCKSTEIN L. Mining under a limestone aquifer in southern Sardinia: a multiobjective approach[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1983, 1(4): 357?374.

[30] KUZENTSOV S V, TROFLMOV V A. Hydrodynamic effect of coal seam compression[J]. Journal of Mining Science, 2002, 39(3): 205?212.

[31] DEERE D U, HENDRON A J, PATTON F D, et al. Design of surface and near surface construction in rock in failure and breakage of rock[C]//Proceedings of the 8th U.S. Symposium on Rock Mechanics. New York: Society of Mining Engineers, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers (SAUS), 1967: 237?302.

[32] GB 50218—94, 工程巖體分級標準[S]. GB 50218—94, Standard for engineering classification of rock masses[S].

[33] BIENIAWSKI Z T. Determining rock mass deformability: experience from case histories[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1978, 15(5): 237?247.

[34] BARTON N, LOSET F, LIEN R, et al. Application of Q-system in design decisions concerning dimensions and appropriate support for underground installations[C]//International Conference on Sub-surface Space, Rock Store. Stockholm, 1981: 553?561.

[35] BARTON N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002, 39(2): 185?216.

[36] 李利平, 李術(shù)才, 張慶松. 巖溶地區(qū)隧道裂隙水突出力學機制研究[J]. 巖土力學, 2010, 31(2): 523?528. LI Liping, LI Shucai, ZHANG Qingsong. Study of mechanism of water inrush induced by hydraulic fracturing in karst tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2): 523?528.

[37] 干昆蓉, 楊毅, 李建設(shè). 某隧道巖溶突水機制分析及安全巖墻厚度的確定[J]. 隧道建設(shè), 2007, 27(3): 13?16. GAN Kunrong, YANG Yi, LI Jianshe. Analysis on karst water inflow mechanism and determination of thickness of safe rock walls: case study on a tunnel[J]. Tunnel Construction, 2007, 27(3): 13?16.

[38] 郭佳奇. 巖溶隧道防突厚度及突水機制研究[D].北京: 北京交通大學土木建筑工程學院, 2011: 139?147. GUO Jiaqi. Study on against-inrush thickness and waterburst mechanism of karst tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2011: 139?147.

[39] CRISS E M, CRISS R E, OSBURN G R. Effects of stress on cave passage shape in karst terranes[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2008, 41(3): 499?505.

[40] 李術(shù)才, 許振浩, 黃鑫, 等. 隧道突水突泥致災構(gòu)造分類、地質(zhì)判識、孕災模式與典型案例分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2018, 37(5): 1041?1069. LI Shucai, XU Zhenhao, HUANG Xin, et al. Classification, geological identification, hazard mode and typical case studies of hazard-causing structures for water and mud inrush in tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(5): 1041?1069.

[41] 孫明彪. 宜萬鐵路野三關(guān)隧道602溶腔處治[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2010, 47(1): 91?98. SUN Mingbiao. 602 karst cave treatment in Yesanguan tunnel on Yichang—Wanzhou railway[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(1): 91?98.

[42] 馬棟. 深埋巖溶對隧道安全影響分析及處治技術(shù)研究[D]. 北京: 北京交通大學土木建筑工程學院, 2012: 27?45. MA Dong. Study on impact mechanism of deep buried Karst to tunnel safety and the treatment technique[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2012: 27?45.

[43] 張梅, 張民慶, 孫國慶. 宜萬鐵路野三關(guān)隧道高壓富水充填溶腔潰口處理技術(shù)[J]. 鐵道工程學報, 2010, 27(3): 81?86. ZHANG Mei, ZHANG Minqing, SUN Guoqing. Technology for treating burst port of filling solution cavity with high-pressure and rich water of Yesanguan tunnel on Yichang—Wanzhou railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 27(3): 81?86.

[44] 鄔立, 萬軍偉, 陳剛, 等. 宜萬鐵路野三關(guān)隧道“8.5”突水事故成因分析[J]. 中國巖溶, 2009, 28(2): 212?218. WU Li, WAN Junwei, CHEN Gang, et al. Cause of the “8.5” water burst incident at Yesanguan tunnel along the Yi—Wan railway[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(2): 212?218.

(編輯 陳燦華)

Prevention structure assessment method against water and mud inrush in karst tunnels and its application

HUANG Xin1, LIN Peng1, XU Zhenhao1, 2, 3, LI Shucai1, PAN Dongdong1, GAO Bin2, LI Zhaofeng1

(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan 250061, China; 3. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

In order to realize rapid assessment on the safety of karst tunnels, a prevention structure assessment method(PSAM) against water and mud inrush in karst tunnels was proposed through statistical and theoretical analyses based on disaster sources and prevention structure of water and mud inrush in karst tunnels. An evaluation index system was established for this method based on the research about hydrodynamic condition, unfavorable geology, prevention thickness and surrounding rock characteristics. In the evaluation index system, major factors were prevention thickness, hydraulic pressure, unfavorable geology, rock quality and integrality, secondary factors were joint state, recharge condition of groundwater, hydraulic connection and rock strength, and modifying factors were attitude of rocks, crustal stress and seepage state. In addition, methods and criterion of classification were put forward for the evaluation index system. Rating and score tables were created for efficient evaluation at the construction site based on aforementioned methods and criterion of classification. The implementation process of the method was expounded. The assessment method was applied in the actual engineering case of railway tunnel. The results show that the proposed method enriches the theories about risk prevention and control, and will make up for shortages of the minimum safety thickness method. The application effect indicates that the proposed method is rational and feasible, which provides a useful tool for prevention structure assessment at the construction site.

karst tunnels; water and mud inrush; prevention structure; prevention thickness; assessment method

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.021

TU43

A

1672?7207(2018)10?2533?12

2018?04?11；

2018?06?09

國家自然科學基金資助項目(51509147，51709158)；國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金資助項目(51422904)(Projects(51509147, 51709158) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(51422904) supported by the National Natural Science Foundation for Excellent Youth Scholars of China)

許振浩，博士，副教授，從事地下工程災害防控理論與技術(shù)研究；E-mail：zhenhao_xu@sdu.edu.cn