隧道突水突泥災(zāi)害控制技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

韋 鋒

（榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

突水突泥是制約隧道建設(shè)的嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，開展富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層隧道突水突泥控制技術(shù)研究至關(guān)重要。在隧道突水突泥災(zāi)害防控理論方面，最常用的手段是水源探測(cè)、疏水降壓和堵水加固。其中水源探測(cè)是決策依據(jù)，疏水降壓和堵水加固是控制方法。

1 水源探測(cè)

準(zhǔn)確確定突水突泥災(zāi)害水源位置及大小，是災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治的關(guān)鍵，目前常用的突水水源判別及探測(cè)方法是水化學(xué)方法及地球物理探測(cè)方法。水化學(xué)方法是通過分析水化學(xué)數(shù)據(jù)特征（包括離子含量、礦化度、硬度、堿度、PH 值等）來判斷突水水源，具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在應(yīng)用水化學(xué)特征方面已做了大量研究，并從以往簡(jiǎn)易的水化學(xué)分析方法，逐漸發(fā)展到今天的多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、非線性分析方法等。地球物理探測(cè)方法是基于水與地層巖性間的磁性、電性等物理性質(zhì)的差異，推測(cè)含水構(gòu)造的空間賦存位置，主要有電法勘探、磁場(chǎng)勘探等。

簡(jiǎn)單的水化學(xué)方法包括對(duì)水源的特征分析、同位素分析、水質(zhì)類型對(duì)比分析。通過對(duì)突水水樣指標(biāo)（包括物理化學(xué)指標(biāo)）進(jìn)行分析，結(jié)合地層地質(zhì)條件判斷突水水源。此外，很多學(xué)者將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用至突水水源判別中，形成了多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等眾多非線性分析方法。此外，多云混合模型、可拓識(shí)別法、SVM 支持向量機(jī)、投影尋蹤法等非線性分析方法均成功應(yīng)用至水源探測(cè)中。

近幾十年來，地球物理探測(cè)方法得到快速發(fā)展。為水源探測(cè)提供更直接有效的無損探測(cè)，王書剛等引進(jìn)紅外線探測(cè)技術(shù)對(duì)隧道突水突泥災(zāi)害水源進(jìn)行探測(cè)，并在龍?zhí)短卮怂淼肋M(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，韓德平等采用電法探測(cè)技術(shù)對(duì)采煤工作面頂板水源進(jìn)行有效探測(cè)，林君等采用地下磁共振探測(cè)方法（UMRS）至地下工程地下水超前探測(cè)，實(shí)現(xiàn)隧道工程及煤礦開采等狹小空間探測(cè)要求，武軍杰、張春光、張平松介紹了瞬變電磁技術(shù)在隧道地層含水體探測(cè)中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水源快速準(zhǔn)確地識(shí)別。

2 疏水降壓

在富水高壓地層，需要采取合理的防治水措施來控制突水災(zāi)害發(fā)生，疏水降壓作為最為常用有效的防治水方法，已被廣泛應(yīng)用至煤層開采、隧道等工程突水災(zāi)害防治中。張文泉等[1]針對(duì)煤層底板突水災(zāi)害防治指出：在淺部水頭壓力較低時(shí)，可采用疏水降壓技術(shù)，降低壓力水頭至開采水平以下，進(jìn)而消除突水災(zāi)害動(dòng)力來源。楊善安指出可從礦井水文地質(zhì)方法和特殊開采的采煤方法兩方面采取防治水措施，來防治煤層底板斷層的突水，礦井水文地質(zhì)方法是指疏水降壓、薄弱帶加固、預(yù)留防水煤柱等方法，而特殊開采的采煤方法中最常用、最有效的方法是通過縮短工作面尺寸的短壁采煤法。呂保民將礦井突水通道分成巖溶陷落柱、斷裂帶、裂隙等天然導(dǎo)水通道，及采煤形成的冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶等人為導(dǎo)水通道，并總結(jié)導(dǎo)水通道突水的防治，需要采取物探、鉆探、留設(shè)煤柱、疏水及注漿等綜合措施。徐瑞英系統(tǒng)介紹礦井疏水降壓防治技術(shù)的適用條件及分類，指出疏水降壓防治技術(shù)主要適用含水層，屬于自身充水含水層、直接充水含水層、充水含水層以靜儲(chǔ)水為主、煤層底板存在高壓含水層且隔水層厚度較薄情形下，通過疏水降壓可降低含水層的壓力水頭、消減峰值水量。

吳銳等針對(duì)隧道斷層帶高壓富水特性，提出疏水降壓方法進(jìn)行治理，并對(duì)比井點(diǎn)降水和兩側(cè)排水洞降水兩種方案效果，指出采用兩側(cè)設(shè)置排水洞降水方案能夠有效降低水位，較井點(diǎn)降水效果要好，但排水洞降水方案受降雨滲入影響，實(shí)際實(shí)施過程中還需考慮降雨的影響。王心義等針對(duì)平煤股份八礦煤底板寒武灰?guī)r水壓高、水溫高及富水性不均勻的特點(diǎn)，依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、隔水層、含水層、物探等綜合勘探信息，分析了含水層賦存規(guī)律，并通過布置7 個(gè)排水孔將含水層水位降低了17m 以上。楊兵等分析宜萬鐵路馬鹿箐隧道歷次突水特征，介紹了“泄水釋能工法”在巖溶水處治中的應(yīng)用，并指出該工法具有一定的適用條件：在特大體量富水溶腔采用該工法能取得較好效果，而在高壓管道流、裂隙帶、破碎帶，則宜采用“以堵為主、限量排放”的治理方法。

3 注漿堵水加固

注漿作為隧道突水突泥災(zāi)害防治的關(guān)鍵堵水加固技術(shù)手段，其理論現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用效果是注漿設(shè)計(jì)、實(shí)施及效果評(píng)估的基礎(chǔ)。在理論上，注漿研究重點(diǎn)是漿液的擴(kuò)散及加固規(guī)律，并建立漿液擴(kuò)散半徑、注漿壓力、注漿流量、注漿時(shí)間等各因素間的關(guān)系，由于地層介質(zhì)、注漿材料及注漿壓力等參數(shù)的不同，漿液在地層的擴(kuò)散具有滲透、擠密、充填及劈裂等不同形式，并由此逐漸形成相應(yīng)滲透注漿理論、壓密注漿理論、劈裂注漿理論等。

滲透注漿是在不破壞地層結(jié)構(gòu)構(gòu)造的壓力下，將低粘度漿液注入巖土體介質(zhì)孔隙或裂隙中。滲透注漿理論最先出現(xiàn)在多孔介質(zhì)滲透注漿中，將漿液作為牛頓流體，Maag 基于Darcy 定律建立砂土中的球形擴(kuò)散公式，Karol、Raffle 等導(dǎo)出球形擴(kuò)散半徑、漿液流量及壓力間的關(guān)系，形成了相應(yīng)的球形擴(kuò)散理論及柱形擴(kuò)散理論。此后，考慮漿液的非牛頓特性，不少學(xué)者將漿液看作為賓漢姆流體、冪律流體，并考慮漿液的粘度時(shí)變特性，建立非牛頓特性下的滲透注漿理論，推動(dòng)了滲透注漿理論的發(fā)展。

壓密注漿是將濃稠的漿液注入土體，通過注漿孔向土體擠壓，在土體形成球狀或柱狀的漿泡，并隨著漿液的持續(xù)進(jìn)行而形成圓柱狀漿液結(jié)石體，從而擠壓周圍土體而提高強(qiáng)度，達(dá)到加固效果。Graf 最早介紹壓密注漿的基本理論及其施工流程，并結(jié)合實(shí)際工程介紹其實(shí)施效果。Brown 等研究了壓密注漿的試驗(yàn)過程及實(shí)際應(yīng)用情況。Wang 等研制了土體壓密注漿試驗(yàn)儀器，對(duì)全風(fēng)化花崗巖開展不同圍壓的壓密注漿試驗(yàn)。壓密注漿的理論是圓孔擴(kuò)張理論，目前關(guān)于圓孔擴(kuò)展理論已有不少成果，EI-Kelesh 等基于擴(kuò)孔理論及土體錐形剪切破壞建立了壓密注漿理論模型，并提出壓密注漿設(shè)計(jì)方法。

在致密的土體中注漿，如全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，經(jīng)常出現(xiàn)另一種漿液擴(kuò)散模式，即劈裂注漿，劈裂注漿是通過施加較大的注漿壓力，使土體產(chǎn)生劈裂，漿液進(jìn)入劈裂縫內(nèi)，以漿脈形式擴(kuò)散，漿脈擠壓土體及形成骨架進(jìn)而對(duì)地層進(jìn)行加固。土體的啟裂壓力是土體發(fā)生劈裂破壞的臨界條件，Wong 等在分析巖土體劈裂注漿過程的基礎(chǔ)上，認(rèn)為劈裂縫是注漿壓力引起的拉應(yīng)力超過巖土體抗拉強(qiáng)度后產(chǎn)生的，指出土體啟裂壓力與所受到的地應(yīng)力相當(dāng)，而巖體啟裂壓力則相當(dāng)于地應(yīng)力水平與抗拉強(qiáng)度之和。Jaworski 等通過水壓致裂試驗(yàn)指出啟裂壓力與土體密度、地應(yīng)力狀態(tài)、含水量等因素有關(guān)。Mori 和Tamura 通過對(duì)不同粘性土進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)，將劈裂破壞模式分成張拉劈裂、剪切劈裂及其它破壞準(zhǔn)則，并認(rèn)為黏性土中的劈裂主要是剪切破壞模式。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，白云和侯學(xué)淵[2]、陳愈炯及譚毓浚等學(xué)者指出劈裂注漿是一個(gè)先壓密后劈裂的過程，并將漿液在土體中流動(dòng)分成鼓泡擠密、劈裂流動(dòng)及被動(dòng)土壓力三階段。張忠苗和鄒健通過理論分析，導(dǎo)出劈裂注漿時(shí)漿液流量、壓力及最大擴(kuò)散半徑的計(jì)算公式。鄒金峰等根據(jù)塑性力學(xué)和大變形理論，分析土體劈裂力學(xué)機(jī)理，導(dǎo)出劈裂注漿初始階段的最終注漿壓力。

總體上，關(guān)于注漿機(jī)理及注漿理論，特別在滲透注漿、擠密注漿、劈裂注漿等注漿理論研究方面已取得了較大進(jìn)展，許多學(xué)者已經(jīng)開展了一系列的注漿仿真試驗(yàn)，初步建立了簡(jiǎn)化的注漿擴(kuò)散理論模型。但以上研究均針對(duì)靜水條件下的超前預(yù)注漿和巖體、土體的防水及加固，并未考慮突水災(zāi)害過程的復(fù)雜動(dòng)水環(huán)境，為此，動(dòng)水注漿理論成為近些年隧道注漿理論的新方向。在動(dòng)水注漿方面，任克昌基于流場(chǎng)疊加原理研究了動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散形態(tài)，并獲得了動(dòng)水條件下漿液擴(kuò)散圖像方程。湛鎧瑜等采用自制的注漿試驗(yàn)設(shè)備開展動(dòng)水條件下漿液的擴(kuò)散規(guī)律研究。張霄設(shè)計(jì)了準(zhǔn)三維裂隙動(dòng)水注漿試驗(yàn)平臺(tái)，提出動(dòng)水條件下漿液U 型擴(kuò)散規(guī)律。劉人太基于單一平板裂隙注漿擴(kuò)散理論模型，建立了漿液動(dòng)水?dāng)U散方程。但以上研究均未涉及三維條件下的動(dòng)水環(huán)境和其他含導(dǎo)水構(gòu)造。動(dòng)水注漿理論總體發(fā)展不成熟，還無法對(duì)動(dòng)水條件下的漿液擴(kuò)散、運(yùn)移及封堵過程進(jìn)行合理分析，尚未建立災(zāi)變演化階段的注漿封堵、加固與效果評(píng)價(jià)模型。目前在針對(duì)突水突泥災(zāi)變演化過程的注漿控制理論研究方面，國(guó)內(nèi)外研究仍然很少。

在工程實(shí)踐上，吳治生和付伯森介紹衡廣復(fù)線南嶺隧道巖溶治理情況，指出該隧道突出的問題是突水涌泥災(zāi)害，隧道在施工期間先后發(fā)生六次大規(guī)模突水涌泥災(zāi)害。針對(duì)突水涌泥災(zāi)害治理，隧道最終采用洞內(nèi)注漿、地表注漿、地表與洞內(nèi)相結(jié)合的注漿方式等大規(guī)模復(fù)合注漿方案，工程實(shí)踐表明高壓注漿在南嶺隧道中是較為可行的施工方法。張頂立等、劉招偉等在深入了解圓梁山隧道高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的巖溶水類型及其特征，結(jié)合大瑤山隧道、南嶺隧道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在考慮高水壓及環(huán)境保護(hù)的要求下，按照“以堵為主，限量排放”的原則，對(duì)隧道的注漿加固范圍、注漿流量、注漿壓力等注漿參數(shù)的確定進(jìn)行了研究。劉欽等從地質(zhì)學(xué)角度分析了滬蓉西高速龍?zhí)端淼罃鄬油凰荒喟l(fā)生機(jī)理，認(rèn)為快速補(bǔ)給的地下水、巖溶洞穴堆積物為突水突泥災(zāi)害創(chuàng)造了必要條件，開挖擾動(dòng)是誘發(fā)災(zāi)害的關(guān)鍵因素，并基于災(zāi)變機(jī)理分析提出超前小導(dǎo)管注漿、前進(jìn)式分段高壓注漿等治理措施。

宜萬鐵路是目前國(guó)內(nèi)外工程中巖溶及巖溶水最為發(fā)育、最為復(fù)雜的工程，穿越的白云山隧道、齊岳山隧道、野三關(guān)隧道、馬鹿箐隧道多次面臨或發(fā)生大型突水突泥災(zāi)害，在經(jīng)過大量地質(zhì)勘察、物探等先期工作基礎(chǔ)上，提出并采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、排水減壓、特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及帷幕注漿等復(fù)合復(fù)雜治理技術(shù)。

然而，在富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，漿液擴(kuò)散通道因動(dòng)水沖刷作用，其擴(kuò)徑效應(yīng)顯著，在此類地層的注漿過程與裂隙巖體動(dòng)水注漿存在顯著不同，特別是漿液擴(kuò)散機(jī)理與擴(kuò)散形式、注漿體強(qiáng)度變形參數(shù)與滲透系數(shù)變化規(guī)律更為復(fù)雜。受限于此，注漿技術(shù)設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵指標(biāo)如注漿量、帷幕注漿圈厚度、漿液擴(kuò)散半徑等也異常復(fù)雜，以及注漿后隧道開挖所需的最小防突厚度取值，尚難以從理論層面對(duì)富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)害的防治進(jìn)行有效指導(dǎo)，沒有形成完整的防控理論，注漿堵水加固技術(shù)多依賴經(jīng)驗(yàn)，存在很大的盲目性，不僅不能有效保障隧道安全施工，還有可能造成巨大的資源浪費(fèi)。

4 突水突泥防控技術(shù)研究方向

通過以上研究現(xiàn)狀分析可以看出，盡管在突水突泥災(zāi)害防控技術(shù)理論等方面已經(jīng)開展了大量研究，并取得了一定的研究成果，但在富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥致災(zāi)機(jī)理與防控技術(shù)理論方面，仍亟需解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：

（1）富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)害變質(zhì)量滲流突變行為及其理論模型。

（2）考慮變質(zhì)量滲流行為的富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水災(zāi)害防控技術(shù)體系建立，包括隧道帷幕注漿設(shè)計(jì)、隧道最小防突厚度。

5 結(jié)束語

本文對(duì)富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層隧道突水突泥控制技術(shù)進(jìn)行研究，主要結(jié)論為：

（1）隧道突水突泥災(zāi)害防控主要包括水源探測(cè)、疏水降壓和堵水加固三種手段。

（2）盡管在富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥災(zāi)害防控技術(shù)上取得了一定的研究成果，但考慮變質(zhì)量滲流行為的富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水災(zāi)害防控技術(shù)體系尚未建立，需進(jìn)一步研究和總結(jié)。