巖溶隧道突水災(zāi)害形成機制及風(fēng)險評價研究進展

鄭仕躍 周權(quán)峰 張仁坤 馮安治

（中海建筑有限公司， 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,對交通運輸設(shè)施建設(shè)的要求正在不斷提高。我國西南地區(qū)巖溶分布廣,這類條件下進行隧道施工開挖易導(dǎo)致突水災(zāi)害，造成重大的人員傷亡、經(jīng)濟損失。巖溶隧道突水災(zāi)害一旦發(fā)生,若不能有效治理,將導(dǎo)致重大的人員傷亡、經(jīng)濟損失。因此，開展突水巖溶隧道突水災(zāi)害的研究，對高風(fēng)險巖溶地區(qū)突水災(zāi)害的防治具有重要意義。

隧道突水災(zāi)害是一個受到多重不同因素影響的復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng)。突水災(zāi)害由災(zāi)害源和突水通道兩大組成部分, 災(zāi)害源是突水產(chǎn)生的動力源，而突水通道是災(zāi)害的運移通道，針對這兩大組成部分國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進行了大量研究。本文對巖溶隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件、突水通道形成機理以及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié),并且指出了目前研究的局限性和未來的發(fā)展方向和趨勢,為巖溶隧道突水災(zāi)害的防治提供參考。

1 突水災(zāi)害形成機制研究的重要進展

巖溶隧道突水災(zāi)害形成的研究涉及地質(zhì)學(xué)、巖溶學(xué)、動力學(xué)、水力學(xué)等。學(xué)者們在孕災(zāi)條件、突水通道的形成以風(fēng)險評估等方面的研究取得了一系列的成果。

1.1 突水災(zāi)害孕災(zāi)條件

巖溶隧道突水災(zāi)害發(fā)生前往往會出現(xiàn)一些前兆特征。研究突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件有利于深入了解突水災(zāi)害的形成原因并有助于建立突水災(zāi)害的風(fēng)險評估系統(tǒng)。因此許多學(xué)者對突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件進行了大量的研究。

如羅雄文等將引發(fā)突水地質(zhì)災(zāi)害的主要孕災(zāi)構(gòu)造條件分為了充水巖溶、未膠結(jié)富水壓性斷層強烈擠壓破碎帶、未膠結(jié)富水張性斷層、地下向斜蓄水構(gòu)造、富水順層錯動破碎帶，并且剖析了這些孕災(zāi)構(gòu)造條件[1]。郭如軍在此基礎(chǔ)上增加了充水廢棄礦巷的孕災(zāi)構(gòu)造,進一步將突水地質(zhì)災(zāi)害中的孕災(zāi)構(gòu)造歸類分為完全充水體構(gòu)造和裂隙空隙含水構(gòu)造[2]。蒙彥和雷明堂研究了向斜盆地類儲水構(gòu)造、斷層破碎類、巖溶管道類等巖溶區(qū)易發(fā)生突水災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造[3]。李術(shù)才等針對隧道突水突泥災(zāi)害，將地下水賦存形式與外界影響因素融合在一起，提出致災(zāi)構(gòu)造概念，并將致災(zāi)構(gòu)造分為3 類11 型如表1[4]。

表1 突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類

上述關(guān)于突水災(zāi)害孕災(zāi)條件的研究上都集中在對突水災(zāi)害地質(zhì)因素的討論，而突水災(zāi)害的形成是個受到多重不同因素影響的復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng)，隧道突水災(zāi)害也會受到包括氣溫、降雨量的影響。溫度會影響弱酸性水對巖石的可溶性，降雨量則會影響下滲到溶洞中的水量。因此氣候條件在突水災(zāi)害孕災(zāi)條件的研究也是不容忽視的，未來如何綜合考慮地質(zhì)因素與氣候因素來研究隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件是一個重要方向。

1.2 突水通道的形成機制

隧道突水災(zāi)害的形成是巖溶裂隙在長期的施工擾動下形成突水通道的表現(xiàn)。在不考慮外界的干擾的前提下，巖溶突水實質(zhì)上是巖體的裂隙在高水頭水壓下巖體裂隙逐漸增大，巖體的貫通率也隨之增大，裂隙群貫通后在水壓運動作用下最終演變?yōu)橥凰ǖ?，表現(xiàn)為水力劈裂現(xiàn)象。水力劈裂現(xiàn)象最初在于油氣田的生產(chǎn)開發(fā)和現(xiàn)場地應(yīng)力的測量中廣泛應(yīng)用。但是近些年來由于在交通項目的建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)由水頭劈裂誘發(fā)的突水災(zāi)害的發(fā)生。因此許多學(xué)者從水力劈裂著手研究突水通道的形成機制。并且將斷裂力學(xué)、損傷理學(xué)等引入巖溶突水問題的研究中，取得了一系列的成果。盛金昌從I 型水力裂紋的擴展和抗破壞角度討論了水力運動劈斷斷裂的物理判據(jù)[5]。李利平運用巖溶地質(zhì)學(xué)、巖溶學(xué)、水力學(xué)、動力學(xué)以及斷裂力學(xué)等多個相關(guān)的理論知識,提出以往的研究往往局限于巖溶水對裂隙巖體單方面的劈裂作用而忽視了突水前后巖體與水的相互作用，并解釋了巖溶隧道突水災(zāi)害的產(chǎn)生是裂隙巖體在受到裂隙水壓及外界施工干擾的影響下發(fā)生水力劈裂導(dǎo)致的，提出了巖溶隧道中裂隙水突出的最小巖石保護層厚度概念,推導(dǎo)了其半解析表達式,并通過工程實例進行了分析驗證[6]。

但是巖體形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的，上述的試驗研究大多數(shù)都只研究了單條裂紋或者臨近幾條裂紋的貫通機理上。實際上巖體內(nèi)部的裂紋是大多是群紋，而對于高水頭作用下的群紋貫通機理的研究還無實質(zhì)性進展。并且上述研究都表明外界施工擾動對突水通道的形成起著十分重要的作用，所以外界荷載對突水災(zāi)害影響模式的研究是未來研究突水災(zāi)害形成機制的重要方向。

1.3 突水風(fēng)險評估

在明確了孕災(zāi)條件和突水通道的形成機理后，建立我國地下工程安全風(fēng)險監(jiān)測評估評價體系就顯得十分重要。山東大學(xué)較早在風(fēng)險評估領(lǐng)域開展了研究，張慶松等在對巖溶隧道突水突泥進行分段評價的基礎(chǔ)上，初步提出了巖溶隧道突水突泥定量評價方法和災(zāi)害四色預(yù)警機制[7]。為了將定性與定量評價相結(jié)合，毛邦燕等對近20 座渝懷線圓梁山隧道的巖溶突水災(zāi)害的形成機制進行了整理分析，并且考慮評價方法的實用性，提出了“隧道突水、突泥危險性分級體系”。這一體系突破了以往大多是以單純定量分析的局限性，采用定性與工程實際相結(jié)合，強調(diào)對隧道區(qū)域的地下水系統(tǒng)的充分了解與巖溶發(fā)育機理的掌握[8]。此外匡星等建立了由預(yù)測、預(yù)報和預(yù)警三個組成部分的隧道施工期巖溶突水地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)，選取典型指標用模糊綜合評價方法建立了綜合評價模型[9]。許振浩等基于層次分析法提出了巖溶隧道突水突泥風(fēng)險三階段評估與控制方法，包括初步評估、二次評估與動態(tài)評估，層次結(jié)構(gòu)模型見圖1。在時間上分別對施工前的孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子以及風(fēng)險控制進行動態(tài)評估。對隧道施工風(fēng)險的控制更具有時效性與準確性[10]。

圖1 巖溶隧道突水突泥風(fēng)險因素權(quán)值分析層次結(jié)構(gòu)模型

上述理論方法與預(yù)測模型選取的評價指標往往是一個確切的數(shù)值，但是地下工程地質(zhì)條件是非常復(fù)雜且多變的，因此在模型預(yù)測與風(fēng)險評價過程中只能給出突水風(fēng)險對應(yīng)的等級，無法給出每個等級對應(yīng)發(fā)生的概率。巖溶突水突泥災(zāi)害是一種非常復(fù)雜且受到多種因素影響的地質(zhì)動力現(xiàn)象，大體上可以分為地質(zhì)影響因素和外界施工因素。但外界因素難以實現(xiàn)量化，所以大多數(shù)風(fēng)險評估理論與模型都是針對地質(zhì)因素對突水風(fēng)險影響進行研究，因此未來如何實現(xiàn)外界施工因素的量化，綜合考慮二者的共同影響來建立巖溶突水風(fēng)險評估系統(tǒng)是一個重要的方向。

2 結(jié)束語

本文基于當前巖溶隧道突水機理的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析，從系統(tǒng)的角度分析了隧道突水的形成機理，從理論研究與試驗研究方面對現(xiàn)有的研究成果進行了總結(jié)，據(jù)此，明確了研究突水災(zāi)害問題的三要素，包括孕災(zāi)條件、突水通道的形成、突水災(zāi)害的風(fēng)險評估，并探討了當前相關(guān)研究方法、思路以及重要概念上存在的主要問題。認為在研究隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件、突水通道的形成機理與突水災(zāi)害的風(fēng)險評估方面應(yīng)該強調(diào)地質(zhì)因素和工程因素的雙重影響，并結(jié)合地質(zhì)前兆信息和地球物理場前兆信息為突水災(zāi)害預(yù)報奠定了理論基礎(chǔ)。