巖溶地區隧道突水機理及防治措施

王子洪，付會彬，馬偉斌，馬超鋒

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

1 隧道突水類型及產生條件

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條件區域，由于巖溶導致的地質災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構造如巖溶管道、斷層、地下暗河等，突然之間快速地涌入隧道內[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 方面。突水源是突水災害形成的源動力，儲存一定的能量；突水通道是突水的運行通道，即泥砂與地下水混合物遷移的地方，是突水災害形成的必要條件；防突巖層是突水流入隧道的障礙。

2 巖溶地區隧道突水機理

2.1 突水涌泥形成的必要條件

我國西南地區隧道普遍具有巖溶發良、滲透壓力大、地應力特別大等特點。該地區的突水類型一般以巖體高壓水力裂隙型為主。隧道施工時暗藏在巖體中的含水結構遭到破壞，有可能使得導水通道和開挖臨空面連通，繼而引發相關水源如地下水或者地表水等驟然進入隧道施工區，直接導致突水涌泥災害的發生[3]。

發生隧道突水必須符合以下3個條件：

1)含水結構中存儲有一定的能量

巖溶裂縫遭受巖溶水的侵蝕作用時巖體強度降低，巖體內會形成突水結構面。隧道施工過程中倘若隧道附近暗藏含水結構體系，意味著防突巖層處于飽水狀態[3]。此時巖石強度σw遠小于干燥狀態時巖石強度σd，兩者關系為

σw=ηkwσd(kw<1)

(1)

式中：η為巖溶地區巖石強度的折減系數；kw為巖溶地區巖石軟化系數。

當隧道圍巖附近存在巖溶水體時，巖溶水體在自重應力、地質構造應力、靜動水壓力等共同作用下產生運動勢能，且勢能隨埋深的增加而增大。巖溶破碎帶、向斜構造等均為儲水集聚帶。當巖溶水經過較長時間集聚其應變能上升到限值時，受開挖施工擾動的影響應變能快速釋放，使得伴有泥沙的地下水在短時間內涌入隧道開挖面。飽和水狀態下巖石強度大大降低，無法承受巖溶水體的能量釋放，因此產生突水涌泥災害。

2)巖溶水壓力對巖體的應力作用

在災害較重的巖溶地區，巖體內存在裂縫與節理等導致災害的因素。這些因素在巖溶形成過程中會產生眾多的斷層面。若發生突水涌泥，斷層面將是水體流動的潛在通道。巖溶水壓力對巖體的作用主要體現在有效應力的變化與溶蝕軟化2個方面。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度變化值;σ為正方向應力;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，巖溶水壓力對巖石硬度的影響會更加突出。

3)含水結構圍巖的穩定性被破壞

在高水壓作用下單位時間內水流量增大。假設巖溶水能將巖溶管道阻力全部克服，把勢能轉變為水的動能。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，不會對巖溶水流動產生阻礙，可根據達西定律求得滲流量Q。

(4)

式中：K為滲透系數；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增大。

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

2.2 突水模式

依據阻水結構的性質，可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質滲透失穩2種類型。

1)防突巖層破壞型

防突巖層厚度的計算有定性、定量與半定量3種 方法。郭佳奇[4]通過構建力學模型，把巖層精簡成兩端穩定的梁進行運算，且經實際工程檢驗效果良好。將巖溶隧道拱頂與拱腰上部巖層所形成的防突巖層轉變為兩端穩定的梁，則防突巖層穩定性問題轉化為在自重及填充介質壓力作用下梁的失穩問題。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。

在自重與填充介質壓力雙重作用下，梁兩端均出現最大剪力。最大剪力FS為

(6)

防突巖層厚度H依照抗彎強度計算。公式為

(7)

式中：σt為巖層的抗拉強度。

防突巖層抗剪強度τ計算公式為

(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；若填充介質與水共同填充溶腔，那么P就為填充介質與水的壓力之和；若溶腔沒有水滲透進去則P取0。

防突巖層厚度會受到開挖擾動、裂縫與節理等影響，因此還須對其簡化模型所得結論進行修正，依據相關隧道實踐經驗，防突巖層厚度的取值還須乘以安全系數K[4]。

2)填充介質滲透失穩型

在地下水作用與施工擾動下顆粒較小的填充介質容易被水沖走，導致水土流失與管道涌堵。若填充巖溶管道的是透水型介質，則管道孔隙會越來越大，導致顆粒被沖走。若隧道施工時形成了臨空面，則填充介質會飛速流走，管道最后就會全部貫通誘發突水涌泥災害[4]。

填充介質滲透失穩過程可分成填充開始致密階段、滲透失穩階段與管道全部連通階段。

圖2 填充介質滲透失穩力學模型

填充介質滲透失穩力學模型如圖2所示。其中：D為巖溶管道的寬度；PS為填充介質受到水流沖擊所產生的滲流動水壓力；fw,fs分別為水流和泥沙對巖溶管道壁的拖拽力。

填充開始致密階段填充介質受到水流沖擊所產生的滲流動水壓力PS計算公式為

PS=nγwDJ

(9)

式中：n為填充介質的孔隙率;J為水力坡度。

填充介質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。

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

3 圓梁山隧道突水涌泥防治措施

3.1 工程地質情況

渝懷鐵路圓梁山深埋特長隧道全長 11 068 m，是關鍵性控制工程。隧道位于重慶市酉陽縣境內，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，相對高差超過 900 m。主要發育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，向斜區內發育較多橫張斷裂。地貌形態受構造和巖性控制，呈帶狀展布。隧道穿越的主要巖性為灰巖、瀝青質灰巖、泥巖、砂巖、白云巖、煤層等，其中可溶性灰巖地層總長約 7 100 m[5]。

3.2 防排水措施

隧道穿過巖溶侵蝕嚴重地區時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，容易誘發突水涌泥。突水涌泥爆發后，在排堵水時會導致原有的地下水循環系統遭受破壞，宜采用多種方法相結合的方式進行處治，比如可以采用防、排、堵、截多種方法交錯實施[6]。

裂縫水發育地段開挖后采用徑向注漿與補漿或者選擇小導管注漿進行封堵，使隧道施工時水土流失變少。依據隧道地質情況全面治理，洞內也要嚴格排水，水泵排水能力要達到一定標準，同時在洞內還要挖蓄水坑和設置蓄水池，逐級排水。隧道內大約每隔50 m 挖1個蓄水坑，每隔100 m設置1個大蓄水池。先逐級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，圍巖為中風化灰巖，呈層狀或碎裂狀。采用電導率剖面儀對低阻異常區進行監測，隧道洞身周邊因受巖溶侵蝕開裂嚴重，巖溶發良。隧道施工過程中對漏斗、溶洞產生擾動，破壞了原有平衡，從而引發突水涌泥。

因為巖溶發育狀態存在不確定性與復雜性，建議在隧道施工過程中進行動態設計與調整，做好相關應急與防治措施，同時還要做好地質預報等工作[8-9]。

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

1)襯砌結構采用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。

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

DK359+500等處節理裂縫密集，巖體自穩性差。由于受到雨水的長期滲透，拱頂與右側出現大量地下滲水，導致初期支護擠壓變形非常嚴重。可采取以下方法治理[10]：

1)此地段主要采用S-VC型襯砌。

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

運用120b鋼架與超前大管棚對拱墻進行加強支護。管棚采用φ108 mm長達28 m的大管棚，環向間距0.45 m。

3)初期支護時應該加強監控量測，并及時施作二次襯砌。待二次襯砌施作完成后，再對隧道洞口最上部發生突水涌泥的地方采用土石回填。

4 結語

1)突水涌泥形成的必要條件是含水結構中儲存有一定的能量、巖溶水壓力對巖體的應力作用、含水結構圍巖的穩定性被破壞。

2)依據阻水結構的性質可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質滲透失穩2種類型。

3)針對西南地區巖溶隧道的特點，提出了土石回填、超前小導管支護、注漿加固、加強監控量測等綜合防治措施。