巖溶地區(qū)隧道突水機(jī)理及防治措施

王子洪，付會(huì)彬，馬偉斌，馬超鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2.中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司，北京 100039;3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 隧道突水類型及產(chǎn)生條件

祼露與覆蓋的碳酸鹽巖總面積占我國國土總面積的20%。隧道常常穿越巖溶等不良地質(zhì)條件區(qū)域，由于巖溶導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害給隧道工程帶來大量施工安全問題。隧道突水主要是指隧道在實(shí)際施工過程中大量水體或各種泥水混合物沿著巖層不良地質(zhì)構(gòu)造如巖溶管道、斷層、地下暗河等，突然之間快速地涌入隧道內(nèi)[1]。隧道突水分類見表1[2]。

表1 隧道突水分類

隧道突水取決于突水源、突水通道和防突巖層3個(gè) 方面。突水源是突水災(zāi)害形成的源動(dòng)力，儲(chǔ)存一定的能量；突水通道是突水的運(yùn)行通道，即泥砂與地下水混合物遷移的地方，是突水災(zāi)害形成的必要條件；防突巖層是突水流入隧道的障礙。

2 巖溶地區(qū)隧道突水機(jī)理

2.1 突水涌泥形成的必要條件

我國西南地區(qū)隧道普遍具有巖溶發(fā)良、滲透壓力大、地應(yīng)力特別大等特點(diǎn)。該地區(qū)的突水類型一般以巖體高壓水力裂隙型為主。隧道施工時(shí)暗藏在巖體中的含水結(jié)構(gòu)遭到破壞，有可能使得導(dǎo)水通道和開挖臨空面連通，繼而引發(fā)相關(guān)水源如地下水或者地表水等驟然進(jìn)入隧道施工區(qū)，直接導(dǎo)致突水涌泥災(zāi)害的發(fā)生[3]。

發(fā)生隧道突水必須符合以下3個(gè)條件：

1)含水結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)有一定的能量

巖溶裂縫遭受巖溶水的侵蝕作用時(shí)巖體強(qiáng)度降低，巖體內(nèi)會(huì)形成突水結(jié)構(gòu)面。隧道施工過程中倘若隧道附近暗藏含水結(jié)構(gòu)體系，意味著防突巖層處于飽水狀態(tài)[3]。此時(shí)巖石強(qiáng)度σw遠(yuǎn)小于干燥狀態(tài)時(shí)巖石強(qiáng)度σd，兩者關(guān)系為

σw=ηkwσd(kw<1)

(1)

式中：η為巖溶地區(qū)巖石強(qiáng)度的折減系數(shù)；kw為巖溶地區(qū)巖石軟化系數(shù)。

當(dāng)隧道圍巖附近存在巖溶水體時(shí)，巖溶水體在自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、靜動(dòng)水壓力等共同作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)勢(shì)能，且勢(shì)能隨埋深的增加而增大。巖溶破碎帶、向斜構(gòu)造等均為儲(chǔ)水集聚帶。當(dāng)巖溶水經(jīng)過較長時(shí)間集聚其應(yīng)變能上升到限值時(shí)，受開挖施工擾動(dòng)的影響應(yīng)變能快速釋放，使得伴有泥沙的地下水在短時(shí)間內(nèi)涌入隧道開挖面。飽和水狀態(tài)下巖石強(qiáng)度大大降低，無法承受巖溶水體的能量釋放，因此產(chǎn)生突水涌泥災(zāi)害。

2)巖溶水壓力對(duì)巖體的應(yīng)力作用

在災(zāi)害較重的巖溶地區(qū)，巖體內(nèi)存在裂縫與節(jié)理等導(dǎo)致災(zāi)害的因素。這些因素在巖溶形成過程中會(huì)產(chǎn)生眾多的斷層面。若發(fā)生突水涌泥，斷層面將是水體流動(dòng)的潛在通道。巖溶水壓力對(duì)巖體的作用主要體現(xiàn)在有效應(yīng)力的變化與溶蝕軟化2個(gè)方面。這種綜合作用可表示為

Δτ=σ(tanφ-tanφw)+Ptanφw+c-cw

(2)

式中：Δτ為裂縫巖體遭受侵蝕后抗剪強(qiáng)度變化值;σ為正方向應(yīng)力;P為巖溶水壓力；φ，φw分別為被侵蝕軟化前、軟化后裂縫巖體的內(nèi)摩擦角；c，cw分別為被侵蝕軟化前、軟化后裂縫巖體的黏聚力。

由式(2)可以看出:隧道開挖后其底板沿垂向卸壓，巖溶水壓力對(duì)巖石硬度的影響會(huì)更加突出。

3)含水結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性被破壞

在高水壓作用下單位時(shí)間內(nèi)水流量增大。假設(shè)巖溶水能將巖溶管道阻力全部克服，把勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膭?dòng)能。通過伯努利能量方程，可以得出突水口處的巖溶水流速公式：

(3)

式中：γw為水的重度；ΔH為水頭差;g為重力加速度。

由式(3)可知，巖溶水壓力越高流速越大。倘若巖溶管道直徑夠大，不會(huì)對(duì)巖溶水流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，可根據(jù)達(dá)西定律求得滲流量Q。

(4)

式中：K為滲透系數(shù)；A為滲流斷面的面積；L為滲流長度。

由式(3)和式(4)可知，隨著滲流量的增大巖溶水壓力也會(huì)增大。

通過以上分析可以得出：儲(chǔ)水體系中倘若巖溶水聚集的動(dòng)能和勢(shì)能增大到一定值，且具備能量釋放的條件，防突巖層的穩(wěn)定性下降到極限時(shí)，突水涌泥就無法避免。

2.2 突水模式

依據(jù)阻水結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)2種類型。

1)防突巖層破壞型

防突巖層厚度的計(jì)算有定性、定量與半定量3種 方法。郭佳奇[4]通過構(gòu)建力學(xué)模型，把巖層精簡成兩端穩(wěn)定的梁進(jìn)行運(yùn)算，且經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)效果良好。將巖溶隧道拱頂與拱腰上部巖層所形成的防突巖層轉(zhuǎn)變?yōu)閮啥朔€(wěn)定的梁，則防突巖層穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為在自重及填充介質(zhì)壓力作用下梁的失穩(wěn)問題。防突巖層示意及簡化模型見圖1。

圖1 防突巖層示意及簡化模型

在自重與均布巖溶水壓力雙重影響下，兩端固定梁最大彎矩出現(xiàn)在梁兩端。該梁最大彎矩M為

(5)

式中：γ，B分別為防突巖層的重度和寬度；H為防突巖層的厚度(梁高)；W為隧道的跨度。

在自重與填充介質(zhì)壓力雙重作用下，梁兩端均出現(xiàn)最大剪力。最大剪力FS為

(6)

防突巖層厚度H依照抗彎強(qiáng)度計(jì)算。公式為

(7)

式中：σt為巖層的抗拉強(qiáng)度。

防突巖層抗剪強(qiáng)度τ計(jì)算公式為

(8)

為了使得隧道施工安全得到保障，將式(7)與式(8)所得的H最大值確定為溶腔與隧道之間的防突巖層厚度。

若巖溶水將溶腔填滿，那么以上公式中P為巖溶水壓力；若填充介質(zhì)與水共同填充溶腔，那么P就為填充介質(zhì)與水的壓力之和；若溶腔沒有水滲透進(jìn)去則P取0。

防突巖層厚度會(huì)受到開挖擾動(dòng)、裂縫與節(jié)理等影響，因此還須對(duì)其簡化模型所得結(jié)論進(jìn)行修正，依據(jù)相關(guān)隧道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，防突巖層厚度的取值還須乘以安全系數(shù)K[4]。

2)填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)型

在地下水作用與施工擾動(dòng)下顆粒較小的填充介質(zhì)容易被水沖走，導(dǎo)致水土流失與管道涌堵。若填充巖溶管道的是透水型介質(zhì)，則管道孔隙會(huì)越來越大，導(dǎo)致顆粒被沖走。若隧道施工時(shí)形成了臨空面，則填充介質(zhì)會(huì)飛速流走，管道最后就會(huì)全部貫通誘發(fā)突水涌泥災(zāi)害[4]。

填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)過程可分成填充開始致密階段、滲透失穩(wěn)階段與管道全部連通階段。

圖2 填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)力學(xué)模型

填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)力學(xué)模型如圖2所示。其中：D為巖溶管道的寬度；PS為填充介質(zhì)受到水流沖擊所產(chǎn)生的滲流動(dòng)水壓力；fw,fs分別為水流和泥沙對(duì)巖溶管道壁的拖拽力。

填充開始致密階段填充介質(zhì)受到水流沖擊所產(chǎn)生的滲流動(dòng)水壓力PS計(jì)算公式為

PS=nγwDJ

(9)

式中：n為填充介質(zhì)的孔隙率;J為水力坡度。

填充介質(zhì)所受到的管道壁阻力的合力與PS大小相等,方向相反，有

PS=2fw

(10)

則

(11)

式中：ρw為水的密度。

滲透失穩(wěn)階段由于巖溶水多次侵蝕填充介質(zhì)，填充介質(zhì)中的土顆粒被慢慢沖走，孔隙率n日益增大，當(dāng)n=1時(shí)，即管道內(nèi)的填充介質(zhì)被完全沖走，此時(shí)管道全部連通。

3 圓梁山隧道突水涌泥防治措施

3.1 工程地質(zhì)情況

渝懷鐵路圓梁山深埋特長隧道全長 11 068 m，是關(guān)鍵性控制工程。隧道位于重慶市酉陽縣境內(nèi)，處于川東褶皺山地與鄂西山地、貴州高原的接觸帶，屬中低山地形，相對(duì)高差超過 900 m。主要發(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。地貌形態(tài)受構(gòu)造和巖性控制，呈帶狀展布。隧道穿越的主要巖性為灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r、泥巖、砂巖、白云巖、煤層等，其中可溶性灰?guī)r地層總長約 7 100 m[5]。

3.2 防排水措施

隧道穿過巖溶侵蝕嚴(yán)重地區(qū)時(shí)在地表形成了許多巖溶洼地等巖溶地貌，在相鄰兩洼地之間還形成很多槽谷，容易誘發(fā)突水涌泥。突水涌泥爆發(fā)后，在排堵水時(shí)會(huì)導(dǎo)致原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)遭受破壞，宜采用多種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行處治，比如可以采用防、排、堵、截多種方法交錯(cuò)實(shí)施[6]。

裂縫水發(fā)育地段開挖后采用徑向注漿與補(bǔ)漿或者選擇小導(dǎo)管注漿進(jìn)行封堵，使隧道施工時(shí)水土流失變少。依據(jù)隧道地質(zhì)情況全面治理，洞內(nèi)也要嚴(yán)格排水，水泵排水能力要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在洞內(nèi)還要挖蓄水坑和設(shè)置蓄水池，逐級(jí)排水。隧道內(nèi)大約每隔50 m 挖1個(gè)蓄水坑，每隔100 m設(shè)置1個(gè)大蓄水池。先逐級(jí)把蓄水坑里的水抽到大蓄水池里，再把蓄水池中的水抽到隧道外[7]。

3.3 具體防治措施

以DK358+900—DK362+530段為例闡述具體防治措施。該段全長3.63 km，最小埋深180 m，圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，呈層狀或碎裂狀。采用電導(dǎo)率剖面儀對(duì)低阻異常區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隧道洞身周邊因受巖溶侵蝕開裂嚴(yán)重，巖溶發(fā)良。隧道施工過程中對(duì)漏斗、溶洞產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞了原有平衡，從而引發(fā)突水涌泥。

因?yàn)閹r溶發(fā)育狀態(tài)存在不確定性與復(fù)雜性，建議在隧道施工過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與調(diào)整，做好相關(guān)應(yīng)急與防治措施，同時(shí)還要做好地質(zhì)預(yù)報(bào)等工作[8-9]。

由于受隧道施工擾動(dòng)的影響DK358+900，DK359+500等處極易發(fā)生突水涌泥，可采取以下措施：

1)襯砌結(jié)構(gòu)采用S-IVa襯砌。

2)在軟塑巖土體表面使用洞渣回填2 m厚，在距離拱頂下方大約1.5 m處形成2 m寬的施工平臺(tái)。

3)在DK358+900處拱部范圍設(shè)置超前小導(dǎo)管，使用6 m長前端錐形的熱軋無縫鋼管，導(dǎo)管外徑6 cm，壁厚0.4 cm。

DK359+500等處節(jié)理裂縫密集，巖體自穩(wěn)性差。由于受到雨水的長期滲透，拱頂與右側(cè)出現(xiàn)大量地下滲水，導(dǎo)致初期支護(hù)擠壓變形非常嚴(yán)重。可采取以下方法治理[10]：

1)此地段主要采用S-VC型襯砌。

2)從右側(cè)拱腳到左側(cè)拱腰長4.5 m范圍內(nèi)采用注漿鋼花管(φ42壁厚4mm)進(jìn)行環(huán)向及斜向注漿加固。鋼花管呈梅花狀布置，間距為0.5 m(縱向)×0.8 m(環(huán)向)。

運(yùn)用120b鋼架與超前大管棚對(duì)拱墻進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。管棚采用φ108 mm長達(dá)28 m的大管棚，環(huán)向間距0.45 m。

3)初期支護(hù)時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)施作二次襯砌。待二次襯砌施作完成后，再對(duì)隧道洞口最上部發(fā)生突水涌泥的地方采用土石回填。

4 結(jié)語

1)突水涌泥形成的必要條件是含水結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存有一定的能量、巖溶水壓力對(duì)巖體的應(yīng)力作用、含水結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性被破壞。

2)依據(jù)阻水結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)2種類型。

3)針對(duì)西南地區(qū)巖溶隧道的特點(diǎn)，提出了土石回填、超前小導(dǎo)管支護(hù)、注漿加固、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)等綜合防治措施。