湖北某隧道突涌水災害防治研究

(重慶交通大學土木工程學院 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因工程因素或氣候因素被破壞[1-2]。隔水結構不斷被侵蝕、劈裂破壞，最終突水通道形成，所處地層原先的平衡狀態被打破，是包含有水動力學、斷裂與損傷力學以及流體力學的動力災變的復雜演化過程。隧道突涌水災害的組成部分包括災害源、突水通道與隔水阻泥結構。

國內外許多學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：袁永才根據不同隔水阻泥結構的性質將突涌水災害歸納為隔水巖體破壞和充填介質失穩兩類；李術才和王康等[3]依據不良地質體的類型特點，將不良地質體分為裂隙、斷層、地下河及管道、膏溶角礫巖等，結合隧址區工程地質特點劃分為五種致災模式；羅雄文[4]等通過分析國內外隧道突涌水災害產生原因，提出了五種突涌水致災構造及其致災模式；王國斌[5]根據隧道水文地質特征分為巖溶管道充填物滲透失穩模型、斷層及其充填體失穩模型及復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、地質構造儲水、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條件不同，因此各突涌水災害的形成過程及涌水機理不盡相同，但都屬平衡狀態的破壞，破壞必須滿足三個方面的條件：

1.儲水條件→災害源，這是災害源的初發之地，褶皺、向斜、巖溶溶腔、斷層破碎帶等地質構造是良好的儲水體。

從突涌水災害源形成到釋放過程中，災害源的形式、擾動形式、隔水結構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構，在水壓作用下，隔水結構破壞并且突水通道形成，水體涌入隧道。

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

③其他含水構造，工程施工削弱隔水結構最終突水通道形成，在水壓作用下，水體涌入隧道。

2.釋放條件→隔水結構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害源有了釋放的通道和方向。

3.誘發條件→擾動，工程施工和降雨對地層穩定性產生，擾動誘發隔水結構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.縱向寬253m，近乎于垂直將齊岳山山脈切斷，一經擾動，非常容易發生突涌水，并且水壓很高，工程實際測試達2.6-3.6MPa，相當于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.掌子面出現鉆孔出現線狀裂縫涌水→突水通道首次形成，災害源水體與隧道聯通；

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，出現新裂縫，突水1000m3/h→水力劈裂持續作用；

6.15h30min，465m3/h；

7.15h50min，渾濁、伴有泥沙→水體繼續沖刷突水通道，增大突水通道；

8.22h30min，出現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構，在水壓作用下，水體不斷侵蝕隔水結構直至突水通道形成，水體涌入隧道，水體變為流動狀態，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)數值模擬

1.計算模型及力學參數

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

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。隧道圍巖水平應力為18MPa，模型上邊界模擬埋深600m時的自重應力為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破壞準則。

從此大斷層突涌水過程的模擬結果可知，隔水結構厚度越小，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范圍等多因素影響的漸進破壞過程。

(四)處治措施

結合此隧道工程地質情況(采用地質與物理探查技術結合，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：設置泵站機械方式將突涌水排出洞外；監測涌水速度等參數以預計涌水量大小，設置臨時泵站水倉、臨時集水坑并及時更改排水設備參數，確保排水暢通和洞內不積水。

帷幕注漿加固堵水：綜合已有災害相關參數確定注漿相關參數，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，描述突涌水災害的形成過程，體現了形成過程多樣性，但都滿足儲水、釋放、誘發三個條件。

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值模擬，分析其破壞場、位移場、滲流場變化規律，分析其災害形成過程。