巖溶隧道突水突泥致災構造評判方法研究

俞 劍

(中鐵十六局集團 鐵運工程有限公司， 河北 保定 074000)

隧道修建過程需穿越各類復雜地質條件，引發突水、突泥、塌方、大變形等一系列災害現象。根據統計，突水、突泥約占到隧道各類災害發生比例的30%，是隧道建設面臨的典型難題。其中，巖溶地層是突水、突泥的高發地層，具有水壓力大、突發性強、影響范圍廣的特點[1-3]。因此，建立突水、突泥災變判識方法對巖溶地區隧道安全建設具有重要意義。

針對巖溶隧道突水、突泥的誘發因素，錢七虎[4]指出工程影響因素主要包括開挖、巖爆、注漿等，地質因素主要包括地下水、結構面、巖層產狀、剝蝕面、地形地貌等。蓄水結構是突水、突泥的關鍵物源條件，林傳年等[5]將巖溶隧道致災構造劃分為斷層巖溶蓄水形式、地下河與巖溶管道蓄水形式、裂隙巖溶蓄水形式、溶腔溶潭蓄水形式、層間巖溶蓄水形式、組合型蓄水形式等。羅雄文[6]進一步將突水和突泥分開統計與分析，指出突水致災構造分為富水壓性斷層破碎帶、富水張性斷層帶、富水順層錯動破碎帶、充水巖溶和向斜儲水構造。針對巖溶隧道突水、突泥的發生機制，李術才等[7]基于邊坡穩定性分析的條分法原理，對隧道-巖溶充填物-巖溶管道進行抽象概化，建立巖溶蓄水構造內部充填物的條分解析計算模型，推導巖溶蓄水構造的最小安全厚度計算公式。針對巖溶隧道突水、突泥過程發生特征，何發亮等[8-9]按時間特性可分為突發性、滯后性和陣發性，空間特性包括涌水位置與隧道在巖溶地下水動力剖面分帶中的位置相關性。上述研究基本摸清了巖溶隧道突水、突泥的致災機理及發生特征。

對于隧道突水、突泥災害預測方法，工程地質條件是基本的評估依據，地球物理勘探方法也較為常用，包括地質雷達法、瞬變電磁法、地震波法等，可探明前方地層巖性與富水情況[10]。同時，一些數學分析方法也被引入突泥災害風險評估研究中，例如賴永標[11]基于宜萬鐵路巖溶隧道及其他案例分析，建立隱伏溶腔隧道計算模型，將大型隱伏濟腔簡化為簡支梁、固支梁、懸臂梁、固支板以及懸臂板五種模型，以此推導出最小安全厚度公式。此外，孫謀等[12]基于突變理論建立折疊式突變模型，推導巖溶隧道掌子面巖層斷裂突水的臨界條件。總體而言，對巖溶隧道施工突水、突泥災害研究多集中在災變過程、地質構造特征及致災機理、防控措施、致災構造明確前提下的解析預測等方面，而對突水、突泥致災構造預報成套方法尚缺乏系統研究。

針對上述問題，本文提出一種集成地質識別、物探解譯和鉆探揭露的突水、突泥致災構造評判方法，并闡述上述各類方法的實施內容及適用性，以及突水、突泥構造在地質識別、地質雷達法等各類勘探手段中的典型判據。在此基礎上，以重慶石柱至黔江高速公路七曜山隧道為例，進行隧道突水、突泥致災構造的辨識，驗證該方法的實用性。

1 巖溶隧道突水、突泥致災機理

巖溶隧道突水、突泥現象的發生是大量水或泥水混合物等災害物源積聚，巖溶地區內部裂隙、溶洞、地下暗河等不良地質構造以及地下工程活動等因素綜合作用的結果。

1.1 災害物源積聚

巖溶隧道突水、突泥災害發生的首要因素是災害源的不斷積聚，即水體或泥水混合物在氣候、地質變化以及人為活動等因素的影響下不斷累積，為災害的發生提供物源條件[13]。

災害物源的積聚主要表現為：

(1) 在巖體的破碎帶中往往存在豐富的高水壓地下水，為突水現象的發生提供動力基礎。尤其在雨季期間，水壓驟然增加，發生突水、突泥現象的可能性會迅速增大。

(2) 隧道中的斷層破碎帶，節理密集區等較薄弱區域存在較多的砂、碎石、塊石等角礫石，這些顆粒的黏聚力很低，在水力作用下極易形成散砂狀流體，產生坍塌現象，為突泥現象提供物質基礎。

因此，為了避免突水、突泥現象的產生，首先應從災害物源的角度出發，采取合理措施，降低或消除災害物源的積聚現象。

1.2 不良地質構造

地下巖體中常常存在著不同形式的空隙含水層，例如松散沉積物孔隙、堅硬巖層裂隙和巖溶結構均會形成含水層[14]。上述空隙含水層的數量、尺寸、走向、貫通情況和分布特征會影響水體的分布和運動特征。地下水對可溶沉積巖的軟化和溶蝕作用會造成含水圍巖的物理性質發生改變，減弱巖體強度，降低其自穩能力，甚至發生塌方事故，加劇地下空間工程突水、突泥現象的發生。因此，巖體的含水率越低，結構越完整，其所能承受的水壓越大，越能更好地降低災害現象的發生概率。

1.3 地下工程活動

隧道的開挖工程使得圍巖應力在一定程度上得以釋放，可能導致地質構造原本的平衡狀態被打破，開挖面與積水空腔區域的距離、角度以及掌子面的開挖速度都會影響到水體或泥水混合物的壓力梯度，從而增加突水、突泥發生的可能性。

2 突水、突泥致災構造評判方法

2.1 致災構造綜合評判方法

本文提出的巖溶隧道突水、突泥致災構造綜合評判方法的實施流程如圖1所示。地質識別提供先驗信息，指導物探的實施和解譯，物探指導鉆探施工，地質、物探、鉆探有機結合與相互印證，識別過程動態反饋。然后，依據隧道的地質構造特征與臨災前兆信息、地球物理響應特征及鉆探揭露結果，評判致災構造的類型、位置、規模和含水特性。

圖1 隧道突水、突泥致災構造識別流程

2.2 地質識別

(1) 地層巖性的不同會影響巖層溶解度。評判依據為巖溶發育程度隨著巖層溶解度的增大和溶蝕速率的加快不斷升高。

(2) 巖層傾角影響地下水補、徑、排和入滲條件。評判依據為巖層傾角25°～65°最有利于巖溶發育；10°～25°、65°～80°中等有利巖溶發育；80°～90°弱有利于巖溶發育；0°～10°微有利于巖溶發育。

(3) 巖層的組合效應，例如可溶巖與非可溶巖接觸帶易發育大型巖溶。評判依據為隨著可溶巖層數量的增多，巖溶發育程度逐漸增強。

(4) 地質構造控制巖溶發育方向和規模。評判依據為巖溶在褶皺核部的發育概率大于翼部；背斜傾伏端、向斜撓起端容易發育巖溶；張性斷層相比壓性斷層容易發育巖溶，扭性斷層巖溶發育深度一般較大，往往形成大規模的溶洞和廊道。

(5) 地表形態、匯水面積等入滲條件影響著水源補給量，也會影響巖溶發育。評判依據為地表匯水面積和匯水量越大，溶溝、溶槽分布越密集，巖溶水下滲促使深部巖體溶洞溶腔強烈發育。

(6) 流動的地下水可以提供足夠的侵蝕性CO2，降低水中CaCO3濃度，使地下水有較大的溶蝕能力。評判依據為地下水運動活躍部位，巖溶發育強烈；地下水運動緩慢部位，巖溶發育較弱；地下水停滯部位，巖溶基本不發育。

當隧道所處圍巖符合上述突水、突泥地質孕災條件時，前兆標志一般包括：(1) 掌子面附近裂隙溢出泥質充填物，或有水沿裂隙滲出，且水流中含有細小巖粒或土粒；(2) 鉆孔或炮孔中涌水量大幅增加，持續時間較長，且含泥沙或小礫石，水質有清濁變化；(3) 巖層出現明顯的濕化和軟化，隧道壁有水滴附著或出現滲水、淋水現象。

2.3 物探解譯

物探解譯方法主要包括TSP地震波法、高密度電法和地質雷達法等。其中，TSP地震波法根據地震波反射特性不同對突水、突泥致災構造進行判識，但其需要專門的炸藥，且分辨率低。地質雷達法也稱為電磁波反射法，工作原理是當雷達發射的高頻短脈沖電磁波傳至被探測物體時，電磁波遵循反射定律，反射波由地質雷達接收信號形成雷達圖像，原理如圖2所示。地質雷達法具有快速無損、異常圖像直觀、分辨率高等優點，多應用在隧道超前地質預報中的短距離(15 m～30 m)預報。

圖2 雷達探測原理示意圖

地質雷達法的解譯依據為雷達儀發射的高頻短脈沖電磁波在地質體中的傳播速度和衰減率由巖石的導電特性所決定，并且對巖石類型的變化和裂隙含水情況異常敏感。在電磁波傳播過程中，當遇到兩種介電常數不同的介質分界面(如：界面、空洞、破碎帶等)時，可能使部分透射波反射。評判依據為當電磁波反射波信號平靜，無明顯反射信號，能量呈正常衰減趨勢時，說明巖層完整；當有明顯的電磁波反射信號，反射信號同相軸較連續，并且反射的電磁波信號較強，則可能存在不良地質體。

2.4 鉆探揭露

鉆探揭露是獲取掌子面前方及隧洞周圍地質信息的最直接方法。因此，為了使物探地質解譯更加準確，在通過地質識別與物探識別確定含水構造的大概位置分布后，還應開展鉆探識別進行鉆探揭露。鉆探判別依據包括：

(1) 當鉆速快但破壞能低時，說明巖體質軟、破碎；若鉆速突然加快，可能遭遇巖溶充填物或軟弱夾層；若破壞能突然增高，說明巖體強度變高；若鉆速與破壞能高低變化頻繁，說明巖體軟硬交替，巖性多變。

(2) 當出現卡鉆時，說明圍巖破碎，多為裂隙發育的破碎帶；當出現跳鉆時，說明圍巖含軟弱夾層，可能存在溶洞；當出現坍孔時，一般為泥土、泥巖、碎屑巖等軟弱巖層，或為充填型溶洞。

(3) 根據鉆孔出水量、水壓、水質清濁來判斷掌子面前方含水體的壓力大小和連通情況。當超前鉆探有突進現象，且鉆孔開始向外噴水，鉆孔水壓較高、水量較大且持續時間長，說明致災構造中含有較高水壓，地下水靜儲量較大；若鉆孔涌水渾濁或時噴時停，且水中夾帶泥沙或礫石，說明該致災構造可能為大型充水充泥沙溶洞或地下河等大型巖溶致災構造，揭露后極易發生突水、突泥災害。

3 案例應用

3.1 七曜山隧道簡介

七曜山隧道為重慶石柱—黔江高速公路全線單洞最長的隧道，全長5 400 m，也是全線重點控制性工程，如圖3所示。該隧道位于重慶市石柱縣，存在穿越煤層瓦斯地段、巖溶、破碎斷裂帶等多種不良地質。

圖3 七曜山隧道洞口

在七曜山隧道施工過程中，多點、多次發生較大型(1 000～10 000 m3/h)和特大型(>10 000 m3/h)突水、突泥，日均涌水量高達23 000 m3。以最具代表性的左洞Z4涌水點(K20+962)處第二次涌水為例，2018年6月12日8∶30開始出現突水、突泥，持續時長1 h 20 min，共計涌出量約10 000 m3；13∶27再次出現突水、突泥，持續時長40 min，涌出量約8 000 m3。涌出物呈黃褐色、棕紅色，部分夾帶有機質(腐木)，含少量的碎石、砂石顆粒，此次突水、突泥后洞內沉積物2 000 m3，如圖4所示。

圖4 Z4涌水點第2次突水、突泥

3.2 綜合地質評判結果

在七曜山隧道突水、突泥災變地質超前預報中，遵循“地質先行、貫穿全程、物鉆協作、補充印證、有機結合與動態反饋”原則。

3.2.1 地質識別結果

以相關工程地質和水文地質資料為基礎，結合洞外地質調查、示蹤試驗等補充探測方法，獲得地質識別結果。七曜山隧址區地層主要為碳酸鹽類巖層，巖溶發育條件良好。巖層傾角50°～70°，產狀穩定，隧道洞身段巖層產狀310°～325°∠40°～63°，適合巖溶發育；隧址區背斜核部出露最老地層震旦系地層，兩翼由寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系及三疊系地層組成。根據2.2節地質識別判據可知，巖層傾角越大，圍巖水壓越大，水力作用越強，隧址區巖層呈高陡傾狀產出，是致災關鍵因素之一。七曜山位于老廠坪背斜北西翼與石柱向南東翼之間，地質構造為單斜構造，但洞身段巖層發育二組裂隙，導水構造發育；地表匯水面積較大，雙岔河、夏秋水河河床中存在5個落水洞，1號落水洞如圖5所示，隧道地下水運動活躍。根據土質及級配分析，隧道突泥物與地表河底沉積物系同源物質，且監測發現突水對降雨反應迅疾，說明隧道圍巖導水構造貫通且與地表連通。

圖5 1號落水洞

3.2.2 物探解譯結果

采用地質雷達法對七曜山隧道出口進行超前地質預報，以里程為YK21+053處掌子面超前預報為例，預報范圍為YK21+073—YK21+057，共計預報16 m。當前掌子面所揭露的圍巖主要為中-厚層狀灰巖，巖體較破碎，裂隙發育，地下水發育，掌子面底部存在大量涌狀出水現象。地質雷達測線分布如圖6所示，縱向測線1、2距掌子面4 m處存在積水情況，橫線測線3、4、5距隧道中線約4 m處存在涌狀出水情況，儀器無法探測。

圖6 七曜山隧道出口端右洞地質雷達測線布置示意圖

此次七曜山隧道出口端右洞超前地質預報的部分地質雷達波形圖如圖7所示。從圖7可以看出，電磁波反射強，同相軸錯斷，局部連續，信號振幅較強。根據超前地質預報的地質雷達波形圖分析，推測里程段YK21+073—YK21+057范圍內圍巖的地質情況如下：測線2處的巖體較破碎，地下水發育，YK21+073—YK21+064段，深度2.5 m～10.5 m范圍內可能存在巖溶、溶蝕裂隙發育；測線3所測2.5 m～6.0 m和12.5 m～17.5 m處裂隙發育，裂隙水發育。結果表明隧道圍巖部分區域雷達反射信號振幅增強、同相軸連續性差，但波形狹窄、振蕩程度相對較低，說明巖溶含水介質以溶蝕裂隙和小型巖溶管道為主，未形成大型的巖溶地下暗河系統，但是巖溶管道暢通[1]。

3.2.3 鉆探揭露結果

鉆探揭露時出現明顯的跳鉆現象，根據鉆探揭露的判別依據可知，圍巖含軟弱夾層或斷裂破碎帶和(充填型)溶洞，這為地下水的運移網絡構成提供了先決條件。出現跳鉆現象的主要原因在于七曜山隧道主要發育二組裂隙，巖層交匯處巖溶發育，由此產生多處導水構造；受斷裂構造影響，巖溶管道沿構造方向發育。因此，地表水沿落水洞、層面裂隙帶，向下徑流，流到構造斷裂帶內的巖溶管道后，沿巖溶管道排泄，隧道開挖揭露巖溶通道后容易引起突水、突泥現象的產生。

3.3 基于致災構造綜合評判方法的分析評價

通過本文提出的巖溶隧道突水、突泥致災構造綜合評判方法和綜合地質評判結果可知：七曜山隧道易發生“與地表相通的溶蝕裂隙型與巖溶管道型涌水”。其主因是受控于動態河水流入落水洞中，通過導水構造、巖溶管道和巖層層面裂縫，流入隧道圍巖臨空面，發生突水、突泥；次因是導水構造網絡系統將隧道周邊圍巖巖溶水靜儲量同歩導入掌子面，發生突水、突泥。綜上所述，隧道突水、突泥致災構造發育于一定的地質環境條件下，其圍巖性質、含水及充填情況具有獨特的地球物理響應特征。因此，研究致災構造的發育規律、地球物理響應特征和鉆探揭露特征，確定其類型、位置和規模，對隧道安全快速施工具有重要的意義。

借助該綜合評判方法，較為準確地判定出致災構造所在位置及其特點，通過對比多種突水、突泥防控措施的優缺點，制定了“以排為主，新建泄水洞排水”的治理方案，極大地提高了隧道的排水能力，引排巖溶水一勞永逸，干凈徹底。同時，保障了隧道的施工質量，減小了不必要的經濟損失。

4 結 論

(1) 巖溶隧道突水、突泥一般是由災害物源的不斷積聚、不良的地質構造和地下工程活動等因素綜合作用下引起的。本文提出一種有機結合地質識別、物探解譯和鉆探揭露的隧道突水、突泥災害預測方法，并提出了各類評判方法的指標內容及典型判據，建立了“地質先行，貫穿全程，物鉆協作，補充印證，有機結合與動態反饋”的實施原則，能夠有效提高致災構造的識別準確度。

(2) 采用本文方法成功識別出七曜山隧道巖層傾角多呈高陡傾狀產出，隧道圍巖溶蝕裂隙和小型巖溶管道發育，導水構造密集且與地表連通，隧道圍巖水壓高且突泥物與地表沉積物同源。突水、突泥病害主要由與地表相通的溶蝕裂隙型與巖溶管道型涌水引起，降雨是該隧道突水、突泥突石的主要動力。相關成果為突水災害預防和處置提供了有益依據，表明該方法具有一定的可靠性和實用性。