巖溶隧道突涌水預(yù)警體系的建立*

鄭宗利，關(guān)惠軍，茍想偉，石恒岳，于詠妍

(1.甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.交通運輸部公路科學研究所，北京100088)

巖溶地區(qū)的隧道施工改變了所在位置原有的水文地質(zhì)環(huán)境，形成了新的地下水排泄通道，容易在施工過程中形成突涌水災(zāi)害。巖溶隧道突涌水災(zāi)害的發(fā)生不僅損毀工程器械、延誤工期，還有可能造成施工人員傷亡。隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警體系的建立可以有效地減小災(zāi)害的發(fā)生，降低或避免工程損失。

針對巖溶隧道的突涌水災(zāi)害，現(xiàn)階段已有研究人員提出了多種預(yù)警模型的建立方法?，F(xiàn)階段突涌水預(yù)警體系建立主要方法包括：①李術(shù)才[1-2]、周捷[3]基于超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果建立了突涌水預(yù)警體系。②匡星[4]、楊茂林[5]、葛顏慧[6]、馬士偉[7-8]、曹鵬程[9]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化建立突涌水預(yù)警體系。③楊寅靜[10]、劉希亮[11]基于圍巖破損程度建立突涌水預(yù)警體系。④馬士偉[12]基于主要風險源數(shù)據(jù)及權(quán)重計算突涌水預(yù)警等級。

現(xiàn)有研究結(jié)果雖已得到了大量工程驗證，但其準確性仍可進一步加強。①超前地質(zhì)預(yù)報主要判別溶洞內(nèi)是否含水，但對施工過程中突涌水發(fā)生的可能性的判斷準確性依然需要提高。②監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的預(yù)警體系中鋼拱架應(yīng)力和圍巖位移的變化，兩指標除預(yù)報突涌水也可預(yù)報隧道坍塌變形，因此對突涌水的預(yù)警指向性有待加強。③圍巖破損程度法如果能與水壓水質(zhì)變化等指標結(jié)合將更能準確的建立突涌水預(yù)警體系。④以主要風險源數(shù)據(jù)和權(quán)重計算預(yù)警體系過程中，尚未能更好的體現(xiàn)預(yù)警體系的動態(tài)性。

現(xiàn)階段多以單一類型的指標建立預(yù)警體系，對多類型指標的綜合考慮較少。同時，考慮到隧道與溶洞的相對位置關(guān)系差異，應(yīng)以溶洞侵入隧道與未侵入隧道分別建立突涌水預(yù)警模型。溶洞侵入隧道時看做揭露性溶洞，考慮溶洞規(guī)模、位置及涌水量等因素。溶洞未侵入隧道時看做未揭露性溶洞，主要考慮巖盤對水壓的承受能力。

本文綜合考慮現(xiàn)有巖溶隧道突涌水預(yù)警體系中各指標的合理性與不足，并考慮溶洞與開挖隧道的相對位置關(guān)系，綜合考慮工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場監(jiān)測、圍巖破損程度多個指標，分別提出溶洞侵入隧道及未侵入隧道兩種情況下的突涌水預(yù)警體系的建立方法。

1 巖溶隧道突涌水影響因素分析

1.1 突涌水災(zāi)害地質(zhì)特點

(1)地層巖性。巖溶主要發(fā)生在三類可溶性巖石中，包括碳酸鹽類巖石、硫酸類巖石和鹵素類巖石。中國境內(nèi)的巖溶以碳酸鹽占絕對優(yōu)勢。

圍巖主要成分及結(jié)構(gòu)特性等直接影響了巖溶的特點。一般硫酸鹽和鹵素類巖層巖溶發(fā)育較快，硫酸鹽類發(fā)育較慢。質(zhì)純層厚的巖層，巖溶發(fā)育強烈且形態(tài)齊全，規(guī)模較大；含有泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石，巖溶較為發(fā)育；結(jié)晶顆粒細小的巖石，巖溶發(fā)育較弱?？扇軒r被泥質(zhì)或方解石填充后，巖層的透水性將受到影響。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造可綜合考慮：節(jié)理裂隙、斷層、褶皺、巖層產(chǎn)狀、可溶巖與非可溶巖的接觸。

具有稀疏和寬大節(jié)理裂隙的可溶巖及節(jié)理裂隙的交匯處或密集處，容易形成巨大的巖溶系統(tǒng)。斷層破碎帶中，正斷層處的巖溶發(fā)育程度明顯大于逆斷層處的。在褶皺軸部巖溶發(fā)育程度比翼部的強烈。在不對稱的褶皺部分，陡部的巖溶發(fā)育比緩部的巖溶發(fā)育強烈。同理，在傾斜或傾斜程度明顯的巖層，比水平或傾斜程度平緩區(qū)域巖溶發(fā)育強烈。

非可溶巖在巖溶隧道中可看做為相對的隔水層。在可溶巖與非可溶巖巖層為傾斜產(chǎn)狀時，水的滲流及產(chǎn)生的匯水面積大于直立產(chǎn)狀的，更容易加劇巖溶的發(fā)育。

(3)水的影響。豐富的地下水是突涌水形成的主要原因之一。可獲得持續(xù)性補給的地下水，例如豐富的大氣降水地區(qū)，溶洞揭露后突涌水出現(xiàn)的幾率明顯上升。

(4)填充物含量及類型。填充物中水含量的高低直接影響到突涌水發(fā)生的可能性。當溶洞內(nèi)涌出水中的泥沙含量超過50%，則應(yīng)更準確的被定義為突涌泥災(zāi)害。

(5)巖盤破損程度。巖溶洞穴與隧道之間的隔水結(jié)構(gòu)為防突巖盤。巖盤厚度較小，巖盤內(nèi)部存在裂隙，水壓較高的情況下，容易出現(xiàn)巖盤失穩(wěn)和突涌水災(zāi)害。

1.2 突涌水災(zāi)害發(fā)生監(jiān)測數(shù)據(jù)變動

(1)局部涌水量的變化?，F(xiàn)有研究認為突破圍巖型的突涌水，涌水量有逐步增加的過程。對于滲流發(fā)生后涌水量的監(jiān)測可以預(yù)測突涌水災(zāi)害發(fā)生的危險程度。揭開型涌水，事故發(fā)生更具有突發(fā)性，施工過程中需要做好充分地超前預(yù)報和水壓測試。根據(jù)相關(guān)資料研究，不同類型圍巖被涌水突破所需最小突水量如表1所示。

表1 圍巖被涌水突破所需最小突水量[7]

(2)水壓力變化。施工過程中水壓的大小與巖盤完整程度及厚度，直接影響到了突涌水的發(fā)生?，F(xiàn)有資料看，不同巖體的種類與巖盤可承受的水壓相關(guān)。相關(guān)研究成果顯示，單位厚度的巖體能承受的水壓如表2所示。

表2 不同巖體能承擔的水壓(單位厚度巖體)[7]

2 突涌水預(yù)警模型的建立

2.1 四色預(yù)警等級

現(xiàn)有的突涌水預(yù)警體系為四色預(yù)警，各預(yù)警等級的特征如表3所示。

表3 預(yù)警等級及其特征

2.2 突涌水評價指標及等級

2.2.1 現(xiàn)有突涌水評價指標分析

現(xiàn)有巖溶隧道突涌水評價指標，主要基于超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果確定地質(zhì)情況及不良地質(zhì)特征；或考慮水質(zhì)、水壓或水量的變化、支護及圍巖力學響應(yīng)等。但現(xiàn)階段超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果更傾向于判定隧道前方是否存在突涌水致災(zāi)因素，若能與施工中突涌水狀態(tài)等因素結(jié)合，則能加強預(yù)警體系的準確性。水的監(jiān)測結(jié)果及支護、圍巖力學響應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果建立的預(yù)警體系有一定的預(yù)警作用，但如果能結(jié)合巖盤厚度及溶洞與隧道相對位置等因素，則能加強預(yù)警體系的準確性和及時性。

2.2.2 突涌水指標的選取方法

本文中突涌水預(yù)警指標的確定將充分考慮超前地質(zhì)預(yù)報可獲得的地質(zhì)指標。同時為保證指標的準確性和適用性，也將綜合考慮突涌水災(zāi)害的地質(zhì)特點。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報主要以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，地震波反射法(TSP)作為長距離輔助探測，以瞬變電磁法(TEM)為核心，以超前地質(zhì)鉆孔法驗證預(yù)報結(jié)果準確性。其原則為“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主；長短結(jié)合，以短為主”。綜合超前地質(zhì)預(yù)報利用物探和鉆探結(jié)合的方法預(yù)測掌子面前方圍巖、地下水等地質(zhì)信息。

以綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果確定的突涌水預(yù)警評價指標主要考慮溶洞特質(zhì)、水的特點、巖盤破損程度、節(jié)理裂隙狀態(tài)。

其中溶洞特質(zhì)將主要考慮溶洞內(nèi)填充物、溶洞位置、溶洞規(guī)模等因素；水的特點將主要考慮涌水量變化及水壓變化。

2.2.3 突涌水評價指標及等級確定

突涌水災(zāi)害出現(xiàn)主要受到溶洞特質(zhì)，水的變化等因素的影響。其中部分研究中隧道突涌水預(yù)警體系中還考慮了支護體系指標，包括隧道圍巖的位移及鋼拱架應(yīng)力的變化。在本次預(yù)警體系建立過程中，專家討論認為支護體系的力學響應(yīng)指標更適合用于隧道塌方預(yù)警體系中。在突涌水預(yù)警指標中，建議主要考慮溶洞特質(zhì)、水的變化及巖盤狀態(tài)，不再考慮支護體系力學響應(yīng)指標。

2.2.3.1 突涌水評價指標確定

(1)溶洞特質(zhì)。溶洞特質(zhì)中主要考慮溶洞填充物量、溶洞規(guī)模、溶洞位置等因素的影響。

溶洞內(nèi)填充水是隧道施工過程中突涌水發(fā)生的基本條件，當溶洞內(nèi)含水量極低或無水溶洞則無法發(fā)生突涌水事件。因此當溶洞內(nèi)填充物水含量極低，評價指標對應(yīng)等級直接取為Ⅳ級。

小型溶洞因其規(guī)模小發(fā)生突涌水后對隧道施工影響及造成的危害程度有限，因此在評價過程中，當隧道周邊為小型溶洞且不連通時，評價指標對應(yīng)等級直接取為Ⅳ級。

溶洞與隧道的相對位置關(guān)系直接影響到了突涌水發(fā)生的可能性及規(guī)模。當溶洞位于隧道拱頂及拱墻處，揭露溶洞后因重力作用下突涌水發(fā)生的可能性及危害明顯高于同等條件時溶洞位于隧道仰拱處的。因此在評價過程中，當溶洞位于隧道仰拱或低于仰拱處，溶洞內(nèi)填充物涌入隧道的可能性較低，評價指標直接取為Ⅳ級。

(2)水的變化。

①局部涌水量。水的變化中一般考慮局部涌水量和水壓力的變化，局部涌水量的變化一般情況下能直觀顯示突涌水發(fā)生及危害程度從弱到強的過程。當涌水量較小或滲水可認為前方溶洞含水量偏低。表4顯示了涌水量與預(yù)警等級的關(guān)系。

表4 涌水量與預(yù)警等級關(guān)系

②水壓力變化。水壓力變化判定突涌水預(yù)警等級，常采用的測試方法為水壓法。主要試驗步驟為現(xiàn)場以混凝土封閉掌子面，監(jiān)測水壓力穩(wěn)定時間超過48h，穩(wěn)定水壓力與圍巖臨界水壓力的比值。當比值較高時，則認為突涌泥預(yù)警等級較高。

水壓力判斷法的主要原理是通過對比巖盤臨界水壓力和穩(wěn)定水壓力，判定穩(wěn)定水壓是否會破壞巖盤。因此，在此次預(yù)警體系中，水壓力變化指標將主要結(jié)合巖盤完整性來判定突涌水狀態(tài)。

水壓法建立預(yù)警體系中，考慮當水壓力p達到圍巖臨界水壓力pcr的85%時，圍巖在水壓作用下破壞發(fā)生突水的風險增大，水壓力與預(yù)警等級的關(guān)系見表5。

表5 水壓力變化與預(yù)警等級的關(guān)系

(3)巖盤破損程度。當溶洞未侵入輪廓線，巖盤較薄且?guī)r盤出現(xiàn)破損時，突涌水發(fā)生可能性有所增長(表6)。

表6 巖盤破損程度與預(yù)警等級的關(guān)系

(4)節(jié)理裂隙發(fā)育形態(tài)。當溶洞未侵入輪廓線時，溶洞與隧道間如有節(jié)理裂隙發(fā)育帶，裂隙形態(tài)的差異也將對突涌水發(fā)生可能性有所影響(表7)。

表7 節(jié)理裂隙形態(tài)與預(yù)警等級的關(guān)系

2.2.3.2 突涌水評價指標等級

在本次巖溶隧道突涌水預(yù)警體系建立中，將分別考慮溶洞侵入隧道及溶洞未侵入隧道兩類情況分別進行討論。

(1)溶洞侵入隧道。溶洞侵入隧道狀態(tài)中，將主要考慮溶洞規(guī)模、溶洞與隧道相對位置、溶洞內(nèi)填充物含量大小與溶洞涌水量指標。溶洞侵入隧道狀態(tài)時，建立巖溶隧道突涌水指標等級劃分及評價指標關(guān)系(表 8)。

(2)溶洞未侵入隧道。溶洞未侵入隧道狀態(tài)中，將主要考慮巖盤破損程度、溶洞與隧道間節(jié)理裂隙形態(tài)、水壓力變化。溶洞未侵入隧道時的突涌水預(yù)警指標，僅考慮溶洞與隧道近距離接觸。當溶洞與隧道間距離較大不足以出現(xiàn)突涌水災(zāi)害時，無需進行隧道突涌水預(yù)警。溶洞未侵入隧道狀態(tài)時，建立巖溶隧道突涌水指標等級劃分及評價指標關(guān)系(表9)。

2.3 預(yù)警等級劃分

隧道突涌泥預(yù)警采用四色預(yù)警，預(yù)警等級的確定和對應(yīng)的警限如表 10所示。溶洞侵入隧道與未侵入隧道因所考慮指標不同，根據(jù)表8和表9所列指標分別判定預(yù)警等級。溶洞侵入與未侵入隧道預(yù)警等級如有不同時，預(yù)警等級取最高值。

表8 指標等級(溶洞侵入隧道)

表9 指標等級(溶洞未侵入隧道)

表10 預(yù)警等級與警限劃分

預(yù)警等級通常基于預(yù)警指標的變動而出現(xiàn)變化。因此在預(yù)警狀態(tài)發(fā)布后，根據(jù)工程實際情況不斷的根據(jù)預(yù)警指標的變動，進行預(yù)警級別的調(diào)整。并及時對新預(yù)警等級進行發(fā)布，保證隧道施工過程中的快速和安全性。

2.4 預(yù)警對策

通過對專家意見的匯總，并參考現(xiàn)有研究成果，確定各預(yù)警等級的施工應(yīng)對措施如表11所示。

表11 預(yù)警等級及應(yīng)對措施

在預(yù)警信息發(fā)布后，接收到警情的施工區(qū)各類工作人員，應(yīng)該根據(jù)警度高低，加強對預(yù)警指標的觀察和監(jiān)測，嚴格按照風險防控措施進行下一步的施工。

3 工程實例驗證

3.1 工程概述

柳州市蓮花大道工程位于柳州市北部，西起于規(guī)劃經(jīng)一路交叉口，東至環(huán)江村回龍休閑山莊附近的柳州市官塘大橋工程西岸互通立交起點。其中的蓮花山隧道左線長1 870 m，右線長1 871 m。

蓮花山隧道巖溶發(fā)育強烈，巖溶災(zāi)害的可預(yù)見性差、突發(fā)性明顯。

蓮花山隧道巖體淺部以溶蝕風化或小規(guī)模溶蝕溝槽發(fā)育為主，巖體內(nèi)在石炭系上統(tǒng)馬平組(C3m)、二疊系下統(tǒng)棲霞階(P1q)巖層中發(fā)育有溶洞、空洞；在二疊系下統(tǒng)茅口階(P1m)、二疊系上統(tǒng)合山組(P2h)巖層中巖體水平層理明顯，被切割成層狀，碎塊狀，形成的裂隙表面則被風化溶蝕，形成強風化層，或者呈團狀分布于完整或較完整的巖體之中，裂隙寬窄不一，內(nèi)為黏性土充填。地勘鉆孔的遇溶洞率為84%，線巖溶率為16.7%，巖溶強烈發(fā)育。

場地地下水主要有松散巖類孔隙水和裂隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于第四系坡殘積黏性土中，補給來源為大氣降水和地表水入滲，本場區(qū)的坡殘積黏性土多為相對隔水層，其透水性及富水性均較差，大氣降水不易入滲，加上在隧址地段地形較陡，橫向沖溝發(fā)育，降水迅速形成地表徑流向低處排泄，因此此類地下水不易大量富集，水量貧乏，對隧道施工基本無影響。

裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙及構(gòu)造裂隙帶中。隧道沿線長度較長，場區(qū)賦水條件變化較大，水量不均勻，受裂隙發(fā)育程度和聯(lián)通性控制，裂隙發(fā)育強且聯(lián)通性好的地段則水量豐富，反之則少，主要來自大氣降水沿松散土體及順淺部巖層層面，裂隙浸滲形成。由于山體均覆蓋有土體且植被發(fā)育，下伏基巖裂隙發(fā)育，便于賦存地下水，故隧道開挖過程會出現(xiàn)不同程度滲水，少者可見巖體潮濕，大者呈淋雨狀。

3.2 突涌水預(yù)警以及處理

以蓮花山隧道右線YK2+922～YK2+810和YK3+093～YK3+063區(qū)間為例進行巖溶隧道突涌水預(yù)警體系。

YK2+922～YK2+810圍巖以微風化灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r夾泥巖為主。巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎～較破碎，巖體呈小塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差～較差，測段巖溶較發(fā)育。超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)判YK2+922～YK2+810段巖溶發(fā)育～較發(fā)育，多以填充型溶洞、空腔或巖溶裂隙出現(xiàn)，圍巖穩(wěn)定性差。掌子面溶洞位于進洞方向右側(cè)拱部，有向前和向右延伸趨勢，填充物主要為軟塑狀黏性土，含水量較大，無自穩(wěn)能力。出水形式主要以滲水為主，局部點狀出露。

其中斷面YK2+870處，于拱頂右側(cè)(中巖墻一側(cè))出現(xiàn)口徑為1.5 m左右的溶腔，內(nèi)部填充物為軟塑狀黏性土，含水量較大。

YK3+093～YK3+063掌子面前方17 m附近(即YK3+076)、28 m附近(即YK3+065)發(fā)育軟弱夾層或?qū)娱g節(jié)理間夾泥，掌子面主要以滲水出露為主。在此區(qū)間隧道拱頂出現(xiàn)全填充型不規(guī)則柱狀溶洞，溶洞體積約260 m3，可判定為大型溶洞，內(nèi)部填充為淤泥質(zhì)土及水。

YK2+870、YK3+065、YK3+076掌子面地質(zhì)素描如表 12所示。

表12 掌子面地質(zhì)素描

兩里程段巖溶隧道突涌水評價指標描述及預(yù)警等級如表 13所示。

表13 巖溶隧道突涌水預(yù)警等級

YK2+922～YK2+810里程段為突涌水黃色預(yù)警，因此在施工中加強監(jiān)測，在施工中并未出現(xiàn)突涌水災(zāi)害。YK3+093～YK3+063里程段為突涌水橙色預(yù)警。因突涌水預(yù)警等級較高，因此在施工中進行了及時處理。

通過對工程中兩個里程段進行突涌水預(yù)警分析可知，當突涌水預(yù)警體系顯示預(yù)警程度較低時，在施工中加強了監(jiān)測，在施工中并未出現(xiàn)突涌水災(zāi)害。當預(yù)警程度較高時，施工過程中進行了及時處理，避免了災(zāi)害的發(fā)生及人員的傷亡以及財產(chǎn)的損失。因此可認為本研究中巖溶隧道突涌水預(yù)警體系可靠。

4 結(jié)論

(1)通過理論分析，確定了巖溶隧道突涌水的主要影響因素以及突涌水發(fā)生過程中變化較為顯著的項目作為突涌水評價指標。

(2)分析現(xiàn)有突涌水評價指標的利弊，確定以溶洞特質(zhì)、水的變化、巖盤破損程度、溶洞與隧道間節(jié)理裂隙形態(tài)為主要指標建立突涌水預(yù)警模型。

(3)根據(jù)溶洞與隧道相對位置關(guān)系，分別提出溶洞侵入隧道及未侵入隧道兩種類型的突涌水預(yù)警體系的建立方法。其中溶洞侵入隧道的突涌水預(yù)警體系主要考慮溶洞特點、涌水量、突涌水狀態(tài)，溶洞未侵入隧道突涌水預(yù)警體系主要考慮巖盤破損程度、溶洞與隧道間節(jié)理裂隙形態(tài)和水壓力變化。

(4)預(yù)警體系應(yīng)用于蓮花山隧道工程中，預(yù)警結(jié)果與現(xiàn)場吻合較好，驗證了預(yù)警體系的合理性與可行性。