湖北某隧道突涌水災(zāi)害防治研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

突涌水是泛指隧道及地下工程所處地層原先的平衡狀態(tài)因工程因素或氣候因素被破壞[1-2]。隔水結(jié)構(gòu)不斷被侵蝕、劈裂破壞，最終突水通道形成，所處地層原先的平衡狀態(tài)被打破，是包含有水動力學(xué)、斷裂與損傷力學(xué)以及流體力學(xué)的動力災(zāi)變的復(fù)雜演化過程。隧道突涌水災(zāi)害的組成部分包括災(zāi)害源、突水通道與隔水阻泥結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度對突涌水類型進行了劃分，以下為幾個典型的劃分：袁永才根據(jù)不同隔水阻泥結(jié)構(gòu)的性質(zhì)將突涌水災(zāi)害歸納為隔水巖體破壞和充填介質(zhì)失穩(wěn)兩類；李術(shù)才和王康等[3]依據(jù)不良地質(zhì)體的類型特點，將不良地質(zhì)體分為裂隙、斷層、地下河及管道、膏溶角礫巖等，結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)特點劃分為五種致災(zāi)模式；羅雄文[4]等通過分析國內(nèi)外隧道突涌水災(zāi)害產(chǎn)生原因，提出了五種突涌水致災(zāi)構(gòu)造及其致災(zāi)模式；王國斌[5]根據(jù)隧道水文地質(zhì)特征分為巖溶管道充填物滲透失穩(wěn)模型、斷層及其充填體失穩(wěn)模型及復(fù)合式突涌水模型等等。

二、演化機理

以單位水體在空間中位置的變化來看，水體形成突涌水過程大致為：大氣降雨和地表徑流(水源)、地形地貌匯水、地質(zhì)構(gòu)造儲水、地層巖性加大水體儲量、施工或降雨擾動圍巖，最終形成突涌水。

由于不同隧道圍巖體的地質(zhì)條件不同，因此各突涌水災(zāi)害的形成過程及涌水機理不盡相同，但都屬平衡狀態(tài)的破壞，破壞必須滿足三個方面的條件：

1.儲水條件→災(zāi)害源，這是災(zāi)害源的初發(fā)之地，褶皺、向斜、巖溶溶腔、斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造是良好的儲水體。

從突涌水災(zāi)害源形成到釋放過程中，災(zāi)害源的形式、擾動形式、隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成有多種情況，主要有：

①斷層破碎帶儲水，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成，水體涌入隧道。

②巖溶儲水，不斷溶蝕隔水結(jié)構(gòu)，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成，水體涌入隧道。

③其他含水構(gòu)造，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)最終突水通道形成，在水壓作用下，水體涌入隧道。

2.釋放條件→隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成，突水通道形成后，使得水源夾帶巖土顆粒形成災(zāi)害源有了釋放的通道和方向。

3.誘發(fā)條件→擾動，工程施工和降雨對地層穩(wěn)定性產(chǎn)生，擾動誘發(fā)隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成，尤其是工程施工中的爆破振動，影響較遠(1-3m左右)。

三、工程概況

(一)工程簡介

湖北某隧道在DK365+010～DK365+263段穿越斷層，此斷層橫向長達45km.縱向?qū)?53m，近乎于垂直將齊岳山山脈切斷，一經(jīng)擾動，非常容易發(fā)生突涌水，并且水壓很高，工程實際測試達2.6-3.6MPa，相當(dāng)于260-360m的水頭。

(二)涌水過程機理分析

以此斷層突涌水的過程為例：

1.掌子面出現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)線狀裂縫涌水→突水通道首次形成，災(zāi)害源水體與隧道聯(lián)通；

2.12h后，涌水成間隙性噴射，渾黃泥水→破碎帶巖石被涌水運移，增大突水通道；

3.12h30min，出現(xiàn)0.6m2豁口，伴有噴砂，突水1000m3/h→出水點沖潰，形成更大突水通道；

4.13h30min，650m3/h；

5.14h30min，出現(xiàn)新裂縫，突水1000m3/h→水力劈裂持續(xù)作用；

6.15h30min，465m3/h；

7.15h50min，渾濁、伴有泥沙→水體繼續(xù)沖刷突水通道，增大突水通道；

8.22h30min，出現(xiàn)0.5m2沖洞，突水陡增，10000m3/h，攜帶泥渣→形成重大突涌水。

此斷層最典型的突涌水過程及形式大致如上述，屬斷層破碎帶儲水，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，水體不斷侵蝕隔水結(jié)構(gòu)直至突水通道形成，水體涌入隧道，水體變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，侵蝕作用加大，不斷沖刷突水通道，逐漸形成重大突涌水[6]。

(三)數(shù)值模擬

1.計算模型及力學(xué)參數(shù)

本文采用FLAC2D對此大斷層突涌水過程進行數(shù)值模擬。巖土體材料破壞選用Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則。

計算模型范圍選擇：寬×高=40m×40m，劃分成1600個單元。溶管直徑取9m，開挖隧道的直徑為8m。隧道圍巖水平應(yīng)力為18MPa，模型上邊界模擬埋深600m時的自重應(yīng)力為15MPa。模型下部固定，左右邊界限制水平移動。材料破壞選用Mohr-Coloumn破壞準(zhǔn)則。

從此大斷層突涌水過程的模擬結(jié)果可知，隔水結(jié)構(gòu)厚度越小，其侵蝕沖刷的破壞速率越快。說明了隧道突水是受水壓、巖溶充填物與隧道圍巖塑性區(qū)范圍等多因素影響的漸進破壞過程。

(四)處治措施

結(jié)合此隧道工程地質(zhì)情況(采用地質(zhì)與物理探查技術(shù)結(jié)合，探明突涌水處后方地層情況為斷層破碎儲水)，綜合考慮制定出反坡排水為主與帷幕注漿加固堵水為輔的方案。

反坡排水：設(shè)置泵站機械方式將突涌水排出洞外；監(jiān)測涌水速度等參數(shù)以預(yù)計涌水量大小，設(shè)置臨時泵站水倉、臨時集水坑并及時更改排水設(shè)備參數(shù)，確保排水暢通和洞內(nèi)不積水。

帷幕注漿加固堵水：綜合已有災(zāi)害相關(guān)參數(shù)確定注漿相關(guān)參數(shù)，采用分段式前進注漿，材料選用水泥漿加控制漿液，由淺入深，分級分序，同孔分步注漿堵水。

四、結(jié)語

①以地下水單位水體在空間中位置的變化，描述突涌水災(zāi)害的形成過程，體現(xiàn)了形成過程多樣性，但都滿足儲水、釋放、誘發(fā)三個條件。

②以湖北某隧道為例，著重分析斷層破碎帶突涌水演化工程及機理和防治措施。

③通過FLAC2D對斷層突涌水做了簡單數(shù)值模擬，分析其破壞場、位移場、滲流場變化規(guī)律，分析其災(zāi)害形成過程。