巖溶隧道突水災害形成機制及風險評價研究進展

鄭仕躍 周權峰 張仁坤 馮安治

（中海建筑有限公司， 廣東 深圳 518000）

0 引言

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

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

1 突水災害形成機制研究的重要進展

巖溶隧道突水災害形成的研究涉及地質學、巖溶學、動力學、水力學等。學者們在孕災條件、突水通道的形成以風險評估等方面的研究取得了一系列的成果。

1.1 突水災害孕災條件

巖溶隧道突水災害發生前往往會出現一些前兆特征。研究突水災害的孕災條件有利于深入了解突水災害的形成原因并有助于建立突水災害的風險評估系統。因此許多學者對突水災害的孕災條件進行了大量的研究。

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

表1 突水突泥致災構造分類

上述關于突水災害孕災條件的研究上都集中在對突水災害地質因素的討論，而突水災害的形成是個受到多重不同因素影響的復雜災害系統，隧道突水災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害孕災條件的研究也是不容忽視的，未來如何綜合考慮地質因素與氣候因素來研究隧道突水災害的孕災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。在不考慮外界的干擾的前提下，巖溶突水實質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為突水通道，表現為水力劈裂現象。水力劈裂現象最初在于油氣田的生產開發和現場地應力的測量中廣泛應用。但是近些年來由于在交通項目的建設中經常出現由水頭劈裂誘發的突水災害的發生。因此許多學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、損傷理學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[5]。李利平運用巖溶地質學、巖溶學、水力學、動力學以及斷裂力學等多個相關的理論知識,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害的產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生水力劈裂導致的，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絡是十分復雜的，上述的試驗研究大多數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害影響模式的研究是未來研究突水災害形成機制的重要方向。

1.3 突水風險評估

在明確了孕災條件和突水通道的形成機理后，建立我國地下工程安全風險監測評估評價體系就顯得十分重要。山東大學較早在風險評估領域開展了研究，張慶松等在對巖溶隧道突水突泥進行分段評價的基礎上，初步提出了巖溶隧道突水突泥定量評價方法和災害四色預警機制[7]。為了將定性與定量評價相結合，毛邦燕等對近20 座渝懷線圓梁山隧道的巖溶突水災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合，強調對隧道區域的地下水系統的充分了解與巖溶發育機理的掌握[8]。此外匡星等建立了由預測、預報和預警三個組成部分的隧道施工期巖溶突水地質災害系統，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險三階段評估與控制方法，包括初步評估、二次評估與動態評估，層次結構模型見圖1。在時間上分別對施工前的孕災環境、致災因子以及風險控制進行動態評估。對隧道施工風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險因素權值分析層次結構模型

上述理論方法與預測模型選取的評價指標往往是一個確切的數值，但是地下工程地質條件是非常復雜且多變的，因此在模型預測與風險評價過程中只能給出突水風險對應的等級，無法給出每個等級對應發生的概率。巖溶突水突泥災害是一種非常復雜且受到多種因素影響的地質動力現象，大體上可以分為地質影響因素和外界施工因素。但外界因素難以實現量化，所以大多數風險評估理論與模型都是針對地質因素對突水風險影響進行研究，因此未來如何實現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險評估系統是一個重要的方向。

2 結束語

本文基于當前巖溶隧道突水機理的研究現狀和發展趨勢分析，從系統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有的研究成果進行了總結，據此，明確了研究突水災害問題的三要素，包括孕災條件、突水通道的形成、突水災害的風險評估，并探討了當前相關研究方法、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害的孕災條件、突水通道的形成機理與突水災害的風險評估方面應該強調地質因素和工程因素的雙重影響，并結合地質前兆信息和地球物理場前兆信息為突水災害預報奠定了理論基礎。