玉磨鐵路新平隧道突涌致災(zāi)機理及措施響應(yīng)研究*

李永志,王 華,王世明,田洪義,劉潤華,曹貴才,肖 正

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 511458;2.隧道掘進機及智能運維全國重點實驗室,河南 鄭州 450001;3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引言

我國隧道工程建設(shè)正逐步向高落差、洞線長、埋深大、構(gòu)造運動活躍等區(qū)域延伸。受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響,隧道施工過程中,極易誘發(fā)突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害,嚴重威脅隧道的施工安全[1-3]。因此,研究隧道突泥涌水災(zāi)害的致災(zāi)類型及機理是進行該類災(zāi)害風(fēng)險控制及防控的重要前提。

在隧道涌水突泥致災(zāi)分類方面,石少帥[4]提出將突水致災(zāi)構(gòu)造基本類型分為裂隙型、斷層型、溶洞(腔)型、管道及地下河型等幾類蓄水構(gòu)造;賀振宇等[5]根據(jù)致災(zāi)構(gòu)造成因?qū)⒅聻?zāi)構(gòu)造分為斷裂帶、巖溶含水體、向(背)斜和單斜含水層、人工富水空間及水下不良地質(zhì)體等幾類;李術(shù)才等[6]將突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分為巖溶類(巖溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型)、斷層類(富水斷層型、導(dǎo)水斷層型、阻水斷層型)和其他成因類(侵入接觸型、層間裂隙型、不整合接觸型、差異風(fēng)化型、特殊條件型)等3類(11型)。在致災(zāi)機理研究等方面,李曉昭等[7]研究了導(dǎo)致突水事故發(fā)生的斷層變形活化機制,提出了突水與斷層活化間的時空效應(yīng)特征;王鷹等[8]運用地球化學(xué)和斷裂力學(xué)有關(guān)理論,對圓梁山隧道突水機制進行研究,得出隧道開挖改變了巖溶地下水循環(huán)系統(tǒng)的平衡,特別是深埋隧道在高壓水作用下,施工爆破等作業(yè)使圍巖裂隙的連通性增大,張開度增加,圍巖體內(nèi)裂隙發(fā)生擴展是最終形成大巖溶管道的關(guān)鍵;龍洪[9]對關(guān)西隧道突泥機理進行研究,認為背斜軸部巖體裂隙發(fā)育及地表積水洼地是導(dǎo)致突泥災(zāi)害的主因;王章瓊等[10]從推覆構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)背景出發(fā),通過分析災(zāi)害發(fā)生過程及特征,結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,獲得變質(zhì)片巖隧道涌水災(zāi)害成因機制。然而,隧道突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機理,并非單一因素或簡單的水-巖相互作用所致,而是不良地質(zhì)與地下工程活動綜合作用的結(jié)果,還應(yīng)從多角度進行探討分析。

本文基于玉磨鐵路新平隧道突泥涌水工程實例,分析致災(zāi)相關(guān)因素,對突泥涌水的致災(zāi)類型進行分類,并對各類致災(zāi)機理進行總結(jié)、分析,提出各類突涌事故的防控及治理措施。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

圖1 新平隧道地質(zhì)斷面

2 隧道突泥涌水致災(zāi)機理分析

基于新平隧道的突涌案例,對隧道突泥涌水機理進行分析。

2.1 案例簡介

2.1.1案例1

圖2 新平隧道D1K60+849.2

結(jié)合該案例,其致災(zāi)的相關(guān)原因分析如下。

1)該處為出口洞口淺埋段,地表有泉點出露,流量約1L/s,該地層為富水地層,其地下水位線距拱頂約25m,含豐富的松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及斷裂構(gòu)造裂隙水。

2)該段圍巖為強風(fēng)化變質(zhì)砂巖夾黏土,強度低、膠結(jié)性極差,差異性風(fēng)化顯著,主體為碎石狀～散體狀結(jié)構(gòu);節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎～極破碎,掌子面多寬張節(jié)理,夾泥,洞口淺埋段,穩(wěn)定性極差。

3)受揚武-青龍廠大斷裂及阿不都逆斷層的影響,尤其是逆斷層,一般為壓性斷層,常出現(xiàn)較強烈的擠壓破碎現(xiàn)象,致使隧道圍巖整體破碎,局部極破碎,導(dǎo)水通道發(fā)育且導(dǎo)水能力強。

4)隧道采用三臺階開挖,開挖上臺階時拱架類型采用I20,間距為0.6m,據(jù)施工臺賬顯示,在該處采用小導(dǎo)管注漿(4m)和徑向注漿,超前支護強度不足。

阿不都逆斷層距突泥涌水處約50m,構(gòu)造發(fā)育,為天然的導(dǎo)水通道,該斷層破碎帶內(nèi),角礫巖多磨圓或磨光,在地下水作用下,更利于搬移、滾動;隨著施工開挖的擾動及隧道開挖支護強度的不足,破碎巖體攜裹著斷層角礫巖及裂隙中黏土,途經(jīng)導(dǎo)水通道蜂擁而出,誘發(fā)了突泥涌水等災(zāi)害。

2.1.2案例2

圖3 新平隧道D1K58+899

結(jié)合該案例,其致災(zāi)的相關(guān)原因分析如下。

1)雨季降雨相對集中、連續(xù),水源補給充足。

2)該段圍巖為強風(fēng)化板巖夾變質(zhì)砂巖,強度低,板巖泥質(zhì)膠結(jié)、結(jié)合性差,其抗風(fēng)化和防水能力較差、飽和吸水性較強,極易出現(xiàn)浸水軟化現(xiàn)象,主體多為碎石狀結(jié)構(gòu);變質(zhì)砂巖,強度相對略高,主體呈碎塊石狀結(jié)構(gòu);掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,局部夾泥,穩(wěn)定性較差。

3)埋深相對較淺,地表呈洼地地勢,兩側(cè)為山體斜坡,地表水易匯集;大氣降雨后,可沿坡面匯集至該處,并能將地表水快速導(dǎo)運至隧道拱頂處;為富水地層,含豐富的松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

4)施工開挖過程中,按IVb級圍巖進行處理,采用IVb的支護類型,而實際揭示圍巖為Va級,存在施工支護措施不足等問題。

隧道施工過程中,受連續(xù)降雨及地下水影響顯著,原有支護強度無法適應(yīng)現(xiàn)有圍巖劣化后所需的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定環(huán)境,加速誘發(fā)了隧道突泥涌水等災(zāi)害。隧道現(xiàn)場突泥涌水如圖4所示。

圖4 新平隧道現(xiàn)場突泥涌水

2.2 新平隧道突涌機理分析

2.2.1構(gòu)造與突涌致災(zāi)機理的相關(guān)性

新平隧道出現(xiàn)突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害,與構(gòu)造作用關(guān)系密切,如斷層、斷層破碎帶、巖性接觸帶等。隧道沿線穿越數(shù)條斷層,其中大部分為逆斷層、局部區(qū)域遭遇正斷層。根據(jù)斷層特點可知,逆斷層多為壓性斷層,在外部條件作用下,常出現(xiàn)較強烈的擠壓破碎現(xiàn)象,但其破碎帶寬度一般相對較窄;正斷層多為張性斷層,斷層帶內(nèi)巖石破碎相對不強烈,但其破碎帶寬度較寬,且相較于壓性斷層帶,帶內(nèi)巖石具有更松散的結(jié)構(gòu),更大的孔隙率及滲透率,導(dǎo)水性更佳,外在地災(zāi)表現(xiàn)形式一般以涌水為主、突泥為輔;壓性斷層受擠壓作用,帶內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)相對致密,但巖體更破碎,外在地災(zāi)表現(xiàn)形多以突泥為主、涌水為輔。

同時,區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動強烈,受地質(zhì)構(gòu)造作用影響,擠壓破碎帶發(fā)育,層理出現(xiàn)扭曲、拖拉現(xiàn)象,巖體擠壓強烈,節(jié)理裂隙發(fā)育,多呈碎石角礫狀～散體狀,形成透水性較好的過水通道,而板巖在遇水后,出現(xiàn)軟化、崩解或泥化變成軟弱夾層,其強度急劇下降,逐步演化成為蠕滑面,最終誘發(fā)了隧道突涌事故。

2.2.2隧道圍巖巖性與突涌致災(zāi)機理的相關(guān)性

對玉磨3標隧道突涌案例進行統(tǒng)計分析,得出圍巖巖性與突涌事件的相關(guān)關(guān)系,板巖地層發(fā)生突涌災(zāi)害次數(shù)居多,如圖5所示。

圖5 隧道圍巖巖性與突泥涌水事件相關(guān)性

巖石的工程力學(xué)特性主要由巖石的礦物成分及結(jié)構(gòu)所決定。研究區(qū)域圍巖主要為板巖,其次為砂巖、頁巖,板巖一般具有密集板狀劈理,變晶結(jié)構(gòu)較致密,其成分多為石英、長石等碎屑礦物及絹云母、綠簾石等黏土礦物;砂巖主要由砂粒膠結(jié)而成,碎屑結(jié)構(gòu),礦物多為石英、長石,含量一般相對較高;頁巖主要由黏土脫水膠結(jié)而成,具有明顯的薄層理構(gòu)造,礦物成分多為伊利石、伊蒙混層,石英、長石等。

板巖富含一定量的黏土礦物,整體強度低,遇水易出現(xiàn)膨脹、軟化、崩解。這就導(dǎo)致富水地層中,其結(jié)構(gòu)受膠結(jié)作用劣化影響變得松散,從而使該類巖石的強度及力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著劣化。李波[12]在對隧道圍巖在爆破-地下水協(xié)同作用下巖性劣化機理的研究中發(fā)現(xiàn),富水地層中,長期累積爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波與爆破氣體會與地下水發(fā)生協(xié)同作用,共同劣化隧道圍巖的各類性質(zhì),石英和長石等碎屑礦物含量隨累積爆破及地下水作用的反復(fù)影響而不斷降低,從而加速弱化了板巖的強度與力學(xué)性能。這也進一步解釋了玉磨鐵路沿線突泥涌水等災(zāi)害多發(fā)生在板巖地層的原因。

玉磨鐵路沿線砂巖主要為泥質(zhì)砂巖,強度相對較弱,透水性相對較強,受斷裂、斷層或向(背)斜構(gòu)造影響,巖體破碎。尤其是逆斷層附近,擠壓作用更強烈,使砂巖更破碎。上述現(xiàn)象造成砂巖被擠壓分割為若干極小碎塊,碎塊越小,塊體越圓潤[13]。此形態(tài)的顆粒物質(zhì)摩擦阻力小,在外力作用下極易誘發(fā)災(zāi)害,這也補充說明了案例1中砂巖致災(zāi)的相關(guān)機理。

頁巖主要由黏土巖變質(zhì)而來,強度低,其水-巖機理與板巖類似,因玉磨鐵路沿線遭遇此類巖石的次數(shù)不多,此處不再贅述。

圍巖巖性與誘發(fā)災(zāi)害的成因密切相關(guān),施工建設(shè)過程中,應(yīng)對具體巖性進行具體分析。

2.2.3地下(表)水與突涌致災(zāi)機理的相關(guān)性

地下水是誘發(fā)隧道突涌的有利條件,補給能力的大小對隧道涌水量及持續(xù)性同樣具有重要影響。一般而言,雨季或雨量充沛地區(qū),地表水及地下水量相對較富存,誘發(fā)隧道涌水突泥的概率也相對較大;而地下水壓相對較高時,同樣易引發(fā)規(guī)模性的塌方及突涌事故。

新平隧道沿線地表起伏相對較大,西南地區(qū)雨量相對充沛,降雨后雨水多通過地表洼地及裂隙通道下滲,而該隧道沿線節(jié)理裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)面延伸性及貫通性較好,為地下水遠距離運移提供了通道;同時,測區(qū)內(nèi)基巖裂隙水較發(fā)育,盆地邊緣或溝谷坡腳多見線狀泉水,破碎風(fēng)化巖體受到地下水流的沖刷搬運,連接性及完整性降低,更不利于圍巖的穩(wěn)定。

2.2.4施工措施與突涌致災(zāi)機理的相關(guān)性

以玉磨鐵路新平隧道為例,隧道全長14 835m,設(shè)計圍巖Ⅱ級460m,Ⅲ級6 830m,Ⅳ級5 390m,Ⅴ級2 155m,占比分別為3.1%,46.04%,36.33%,14.53%。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖總占比達50.86%。施工揭示圍巖級別Ⅱ級3m,Ⅲ級120m,Ⅳ級5 067m,Ⅴ級9 645m,占比分別為0.02%,0.81%,34.15%,65.02%。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖總占比達99.17%。Ⅴ級圍巖實際總長度與設(shè)計Ⅴ級圍巖長度相差甚大,兩者對比如圖6所示。

圖6 隧道圍巖設(shè)計-實際揭示級別情況對比

由圖6可知,設(shè)計圍巖級別高于實際揭示圍巖級別,易造成開挖擾動相對較大、實際支護強度不足等問題。據(jù)統(tǒng)計,新平隧道先后發(fā)生突泥涌水31次,突涌量達6.7萬m3,其中在V級(實際揭示)發(fā)生的多達24次。

實際揭示圍巖級別與設(shè)計圍巖級別相差較大,且揭示圍巖情況弱于設(shè)計圍巖,造成實際支護強度不足,超前預(yù)加固措施不到位,開挖擾動較大等問題,則洞內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率相對較大。

基于以上分析,認為新平隧道致災(zāi)頻繁的內(nèi)在因素主要歸結(jié)于隧道沿線圍巖多為炭質(zhì)(泥質(zhì))板巖、炭質(zhì)頁巖等軟巖,力學(xué)強度低,開挖變形大;外在因素主要歸結(jié)于設(shè)計圍巖與開挖揭示圍巖級別相差較大,設(shè)計支護強度無法滿足實際支護需要;其次,沿線構(gòu)造較發(fā)育,使裂隙更發(fā)育、圍巖更破碎;而沿線地表在接受大氣降雨補給后,迅速在洼地匯集,沿巖層間裂隙貫入,運移至隧道區(qū)內(nèi),使隧址區(qū)內(nèi)圍巖加速劣化,助推了隧道災(zāi)變的發(fā)生。

3 隧道突涌的致災(zāi)類型

新平隧道施工過程中,累計發(fā)生突泥涌水31次、累計突涌量約6.7萬m3。在誘發(fā)隧道突泥涌水等災(zāi)害因素中,區(qū)域構(gòu)造是控制因素,主導(dǎo)著圍巖的完整程度及地下水的徑流方向;地層巖性[14]是基礎(chǔ)因素,其圍巖的礦物成分、軟硬強度及是否具有膨脹性,直接影響地下水是否賦存及水-巖相互作用的可能性;地形地貌、降雨、水文地質(zhì)是重要因素,影響地表水的匯集及地下水的滲流量大小;施工是關(guān)鍵誘發(fā)因素,施工工法、支護參數(shù)等選用不當都可能直接誘發(fā)隧道發(fā)生突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

基于隧道突涌的機理,從隧道的致災(zāi)因素出發(fā),提出隧道突涌的致災(zāi)分類。其類型的劃分關(guān)鍵在于致災(zāi)因素的匯總分析;某種程度上,主要體現(xiàn)在致災(zāi)因素影響程度的區(qū)別,如施工措施等因素,往往是因為設(shè)計圍巖與實際揭示圍巖存在差異,且實際揭示圍巖級別低于設(shè)計圍巖級別,支護參數(shù)偏弱、開挖擾動相對較大,使施工措施等因素影響度相對偏高,這是造成隧道涌水突泥的最主要因素;又如巖性等因素,軟巖隧道開挖過程中發(fā)生變形、坍塌等風(fēng)險相對較高,主要歸結(jié)于軟巖的強度低及泥化、軟化等劣化性質(zhì),受水等外界應(yīng)力的影響較大,極易誘發(fā)變形、溜坍等地質(zhì)災(zāi)害;富水等因素是造成隧道災(zāi)變的助推劑,補給來源較廣泛,大氣降雨、構(gòu)造裂隙水、基巖裂隙水等地下水的滲流、水化作用,使圍巖強度、支護強度等劣化影響顯著提升,造成了隧道災(zāi)害的發(fā)生;與此同時,即使隧道某一段在施工過程中,地下水相對弱發(fā)育,但仍有發(fā)生災(zāi)變的可能,如構(gòu)造作用、軟巖及支護強度偏弱等綜合因素,亦會誘發(fā)隧道災(zāi)變。

結(jié)合新平隧道突涌特征及機理分析,將該區(qū)域致災(zāi)類型劃分如下:①構(gòu)造-巖性-富水-施工措施;②構(gòu)造-巖性-弱水-施工措施;③巖性-富水-施工措施。致災(zāi)類型及其特征如表1所示。

表1 隧道突涌致災(zāi)類型劃分

依據(jù)致災(zāi)機理分析,可將案例1致災(zāi)類型劃分為①構(gòu)造-巖性-富水-施工措施型,方案2致災(zāi)類型劃分為③巖性-富水-施工措施型。同時,新平隧道隧址區(qū)域巖溶不發(fā)育,不再考慮巖溶類的致災(zāi)類型;從作用機理上分析,降雨僅加速了地下水的滲流及增加賦存量,可統(tǒng)一按富水等因素予以考慮。

巖性-弱水-施工措施的致災(zāi)類型較其他類型的致災(zāi)機率相對較小,且在新平隧道災(zāi)變的結(jié)果統(tǒng)計中,僅有小規(guī)模的溜坍等災(zāi)害,此處不再贅述。

4 隧道突涌災(zāi)害防控措施

4.1 隧道災(zāi)害防控工作流程

隧道災(zāi)害防控工作流程如圖7所示。①依據(jù)地質(zhì)、水文、氣候、勘察及設(shè)計等綜合基礎(chǔ)資料,評估區(qū)域內(nèi)可能誘發(fā)災(zāi)害的位置;②初步分析、評判隧道發(fā)生災(zāi)害的種類;③依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害種類,分析、歸納其致災(zāi)的相關(guān)因素,并掌握相應(yīng)致災(zāi)的機理;④依據(jù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報、圍巖監(jiān)控量測情況與實際開挖揭示進行對比判別,若開挖揭示圍巖情況或預(yù)測預(yù)報圍巖情況與設(shè)計一致,則暫可按照原有設(shè)計施工措施,進行防控,若不一致,根據(jù)開挖揭示情況,及時反饋給業(yè)主、勘察、設(shè)計、監(jiān)理,及時調(diào)整施工工法、防護措施,降低隧道施工災(zāi)害風(fēng)險,確保隧道安全施工。

圖7 隧道災(zāi)害防控工作流程

4.2 隧道突泥涌水災(zāi)害防控措施

針對玉磨鐵路新平隧道致災(zāi)類型,結(jié)合相關(guān)學(xué)者[15-18]研究成果及現(xiàn)場實際情況,提出相應(yīng)致災(zāi)類型的災(zāi)害防控措施,如表2所示。

表2 隧道突泥涌水災(zāi)害防控措施建議

4.3 分析及討論

幾類致災(zāi)類型主要依據(jù)相關(guān)的致災(zāi)因素組合形式進行區(qū)分,而其中一些致災(zāi)因素,如含水量、施工措施等,又隨實際情況在不斷調(diào)整、變化,當此類因素逐步演變成致災(zāi)的主因后,也直接誘發(fā)了隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。因此,文中所述的幾種災(zāi)害類型,在某種層面上可進行類型轉(zhuǎn)換。其關(guān)鍵在于在初步劃分災(zāi)害類型后,還應(yīng)著重分析、判斷導(dǎo)致此類事故的主因,再考慮是否需調(diào)整災(zāi)害類型;隨著外部環(huán)境的變化,還應(yīng)進行災(zāi)害預(yù)判,考慮是否需重新調(diào)整災(zāi)害類型。

相對于幾類致災(zāi)類型所對應(yīng)的防控措施,其主要區(qū)別在于各類災(zāi)害類型所對應(yīng)的致災(zāi)主因有所不同。因此,在實際災(zāi)害治理過程中,需針對該類主要致災(zāi)因素先行處理,而后循序漸進采用相關(guān)措施處理。

基于以上分析,在隧道施工過程中,可依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測等手段,對隧道地質(zhì)情況進行簡易判別;并對比設(shè)計等基礎(chǔ)資料,自查現(xiàn)有支護措施是否滿足實際支護要求,初步做出災(zāi)害類型劃分。當遇持續(xù)性降雨或地下水量與原有設(shè)計存在出入時,還應(yīng)適時考慮調(diào)整災(zāi)害類型,重點考慮地下水對誘發(fā)災(zāi)害的影響,及早排除地下水或降雨對隧道安全造成的隱患,預(yù)防隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié)語

1)新平隧道突涌的主要根源在于圍巖自身的低強度、開挖易變形特性,在設(shè)計圍巖與實際揭示圍巖存在較大差異的情況下,施工支護強度存在不足,伴隨著沿線構(gòu)造及地下水的劣化作用,加速了隧道的災(zāi)變生成。

2)系統(tǒng)分析了新平隧道致災(zāi)原因,進行了隧道致災(zāi)類型劃分。

3)提出了隧道災(zāi)害防控的工作流程,應(yīng)加強現(xiàn)場地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、開挖揭示比對等基礎(chǔ)工作,重點評判異常區(qū)與現(xiàn)有的設(shè)計支護參數(shù)符合程度,為隧道開挖支護提供依據(jù)。

4)針對新平隧道現(xiàn)有的致災(zāi)類型,提出了相應(yīng)的災(zāi)變防治措施。

5)結(jié)合實際,明確可能致災(zāi)的幾類因素,掌控災(zāi)害源的發(fā)展及規(guī)模,動態(tài)調(diào)整隧道致災(zāi)類型,針對性地采取防控措施,力爭進一步降低隧道致災(zāi)風(fēng)險,確保隧道施工安全。