賀振宇，郭佳奇，陳 帆，檀俊坤(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

隧道典型致災(zāi)構(gòu)造及突水模式分析

賀振宇，郭佳奇，陳 帆，檀俊坤
(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

隧道工程的建設(shè)廣泛面臨著突水災(zāi)害的威脅，突水災(zāi)害常給工程造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。根據(jù)致災(zāi)構(gòu)造的成因?qū)⑺淼赖湫椭聻?zāi)構(gòu)造分為斷裂帶、巖溶含水體、向背斜和單斜含水層、人工富水空間和水下不良地質(zhì)體五大類；根據(jù)隧道圍巖條件及破壞特征，歸納出六類防突層類型，相應(yīng)的提出六種突水破壞模式：整體壓裂破壞、剪切破壞、劈裂破壞、關(guān)鍵塊失穩(wěn)破壞、滲透破壞和整體滑移破壞；最后分析了三個(gè)典型的工程案例，對(duì)提高施工人員對(duì)潛在致災(zāi)構(gòu)造的識(shí)別、指導(dǎo)隧道施工具有重要意義。

隧道突水；典型致災(zāi)構(gòu)造；防突層結(jié)構(gòu)；突水模式

0 引言

目前，我國在隧道建設(shè)方面，無論是隧道總長度還是總數(shù)量都是世界之最，然而隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，以及跨江越海隧道的興建，越來越多的深長隧道不得不穿越各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，使得隧道工程的建設(shè)廣泛面臨突水災(zāi)害的威脅[1-3]。例如，2002年，渝懷線圓梁山隧道先后發(fā)生大規(guī)模突水突泥71次，造成9人死亡，最高水壓4.6 MPa，最大涌水量達(dá)7.2×104m3/h[4]；宜萬線馬鹿箐隧道先后發(fā)生特大突水突泥災(zāi)害19次，2006年1月21日與2008年4月11日的兩次特大突水突泥災(zāi)害共導(dǎo)致15人死亡，工期延誤超過兩年[5]；齊岳山隧道在建過程中共遭遇187處大型巖溶管道、溶洞，高壓富水?dāng)鄬訋?、可溶巖與非可溶巖界面等不良地質(zhì)，發(fā)生18次突水災(zāi)害，累計(jì)抽水量達(dá)6.3×106m3[6-7]；京廣鐵路大瑤山隧道穿越9號(hào)斷層時(shí)涌水量達(dá)到3×104m3/d，其豎井也被淹沒，造成嚴(yán)重?fù)p失；麻武高速公路大別山隧道YK19+670～YK19+703和YK20+000～YK20+030段，裂隙帶與夾層處發(fā)生涌水，涌水量達(dá)到1.5×103m3/d，導(dǎo)致現(xiàn)場施工中斷[8]；青函隧道穿越巖體破碎軟弱區(qū)時(shí)發(fā)生的突水事故，瞬時(shí)出水量達(dá)85 m3/min，造成隧道工期延長[9]；挪威奧斯陸海灣的海底公路隧道施工過程中遭遇15 m寬的松散冰磧沉積帶，預(yù)測到涌水而被迫停工[10]。由以上案例可知，導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害的不良地質(zhì)構(gòu)造不盡相同，不同的致災(zāi)構(gòu)造所引發(fā)的突水規(guī)模也不相同，因此，總結(jié)歸納隧道致突水災(zāi)構(gòu)造類型及其突水模式，對(duì)提高施工人員防災(zāi)意識(shí)，及時(shí)采取合理的工程措施，避免或減小突水災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，保障施工人員人身安全有重要意義。

目前，大量學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)隧道致災(zāi)構(gòu)造及突水模式的進(jìn)行了有益研究。其中Lu，Yaoru等[11]提出了深部封閉巖溶、富水巖溶管道、位于隧道頂部的地下暗河以及斷層帶四種巖溶隧道致災(zāi)構(gòu)造；Li，Xiaozhao等[12]對(duì)由斷裂、風(fēng)化、巖溶和頂部滲透作用形成的位于地表附近的富水裂隙網(wǎng)絡(luò)(EFKZ)，提出了用于評(píng)估隧道對(duì)EFKZ地下水和生態(tài)條件潛在影響的TEIF參數(shù)方法；Zhao，Yong等[13]把隧道突水類型簡要?dú)w納為斷層型、裂隙型、巖溶管道型和風(fēng)化洞穴型，隧道突泥類型簡要?dú)w納為斷裂型、巖溶洞穴、巖溶通道和風(fēng)化洞穴型；蒙彥等[14]、王建秀等[15]將可能引發(fā)隧道突水的構(gòu)造分為向斜盆地儲(chǔ)水構(gòu)造、斷層破碎帶、不整合面和侵入巖接觸面、巖溶管道和地下暗河、其他含水構(gòu)造和含水體；Song, Ki-Il等[16]，依托南韓巖溶發(fā)育地區(qū)Sol-an隧道工程建設(shè)項(xiàng)目，采用區(qū)域偵察和地質(zhì)線性研究方法、地球物理調(diào)查技術(shù)、地面鉆孔的基于鉆孔的調(diào)法以及水平探針鉆孔，重點(diǎn)分析了巖溶陷落柱發(fā)生坍塌導(dǎo)致地表沉陷的原因；鄔立等[17]對(duì)野三關(guān)隧道“8·5”突水事故分析，將該地區(qū)的巖溶構(gòu)造分為強(qiáng)巖溶含水層和溶蝕裂隙兩大類；周毅[18]通過災(zāi)害源的形態(tài)特征、補(bǔ)給特征、富水特征及充填特征對(duì)災(zāi)害源進(jìn)行了簡要?jiǎng)澐?；石少帥[19]通過隧道工程突水案例統(tǒng)計(jì)分析，把突水致災(zāi)構(gòu)造概括為裂隙型、斷層型、溶洞溶腔型、管道及地下河型；羅雄文等[20]對(duì)深長隧道的水害進(jìn)行了分析并提出了五種致災(zāi)構(gòu)造和突水模型；李新宇等[21]主要針對(duì)越江跨海隧道施工過程中不良地質(zhì)體的突水模式進(jìn)行了研究，并歸納了四種突水模式。

從上述分析可見，目前的研究成果主要源于對(duì)具體工程或者單一不良地質(zhì)體的研究，并且多數(shù)集中在對(duì)巖溶隧道災(zāi)害的研究，而對(duì)隧道突水致災(zāi)構(gòu)造及突水模式系統(tǒng)全面的研究成果較少。本文通過對(duì)國內(nèi)外隧道突水災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析，按隧道致災(zāi)構(gòu)造的地質(zhì)成因?qū)⒌湫椭聻?zāi)構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)分類，歸納隧道防突層結(jié)構(gòu)，分析其對(duì)應(yīng)的突水模式，并分析了三個(gè)典型的隧道工程突水實(shí)例，期望對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有指導(dǎo)意義，提高隧道施工人員對(duì)潛在致災(zāi)構(gòu)造的識(shí)別。

1 隧道建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)及突水災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施也在加快建設(shè)，特長和長大隧道以及大規(guī)模隧道群不斷涌現(xiàn)，隧道的建設(shè)難度越來越大，尤其是在山嶺地區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)條件和水文條件給隧道工程的建設(shè)帶來了極大的困難，特別是特殊、復(fù)雜的巖溶地質(zhì)環(huán)境、強(qiáng)烈發(fā)育的破碎帶、裂隙帶等地質(zhì)構(gòu)造，常常引發(fā)隧道突水災(zāi)害[22]。另外，近幾年我國開始不斷興建水下隧道以減輕區(qū)域交通壓力，與山嶺隧道相比，水下巖體軟化，有效應(yīng)力降低，隧道圍巖穩(wěn)定性易惡化，高滲透性圍巖極易發(fā)生突水，并多數(shù)與上部水體(江河湖海等)有緊密的水力聯(lián)系，給跨江越海隧道的施工帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)[23]。

本文對(duì)國內(nèi)外典型隧道突水突泥災(zāi)害進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[21，24-27]，并從隧道突水災(zāi)害特點(diǎn)、規(guī)模以及致災(zāi)構(gòu)造進(jìn)行總結(jié)(表1)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隧道突水致災(zāi)構(gòu)造具有多樣性，并且隧道突水突泥災(zāi)害的特點(diǎn)及規(guī)模與致災(zāi)構(gòu)造類型緊密相關(guān)，必須對(duì)隧道突水致災(zāi)構(gòu)造有充分的認(rèn)識(shí)，才能對(duì)隧道突水進(jìn)行有效防治。

表1 隧道突水災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of water inrush hazards in tunnels

2 隧道突水涌泥致災(zāi)構(gòu)造及概化模型

隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造主要是指極有可能在隧道開挖過程中誘發(fā)突水突泥災(zāi)害的不良地質(zhì)構(gòu)造。本文綜合以上統(tǒng)計(jì)分析，將隧道突水致災(zāi)構(gòu)造總結(jié)歸納為五大類型：斷裂作用形成的斷裂帶、溶蝕作用形成的巖溶含水體、向背斜和單斜含水層、人工富水空間和(江河湖海)水下不良地質(zhì)體；然后根據(jù)各類致災(zāi)構(gòu)造的不同表現(xiàn)形式，進(jìn)一步提出了致災(zāi)構(gòu)造的13個(gè)子類型。

2.1 斷裂帶

在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，大型斷裂構(gòu)造發(fā)育時(shí)，其周圍常伴隨小型斷裂構(gòu)造的發(fā)育且多呈帶狀分布，形成斷裂帶。斷裂帶附近區(qū)域，巖性破碎、巖層裂隙發(fā)育，是地下水良好的貯存和導(dǎo)水構(gòu)造，同時(shí)也是巖溶構(gòu)造發(fā)育的良好空間。當(dāng)隧道開挖不斷接近富水夾泥斷裂帶時(shí)，由于圍巖破碎且強(qiáng)度較低，在高壓水作用下極易發(fā)生突水突泥災(zāi)害。本文按斷裂帶的表現(xiàn)形式將斷裂致災(zāi)構(gòu)造分為3個(gè)子類型：斷層型、層間斷裂型、裂隙/溶隙型，并提出了各子類型的概化模型。

(1)斷層型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖1。

(2)層間斷裂型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖2。

(3)裂隙/溶隙型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖3。

圖1 斷層型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型Fig.1 Generalized models of fault type disaster-causing structure

圖2 層間斷裂型致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.2 Generalized models of layer-fractured type disaster-causing structure

圖3 裂隙/溶隙型致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.3 Generalized models of the fissure / solution fissure type disaster-causing structure

2.2 巖溶含水體

巖溶是水對(duì)可溶性巖石的溶蝕作用所形成的地表及地下各種景觀。巖溶的發(fā)育開始于水流對(duì)可溶性巖石原有狹小裂隙的溶蝕擴(kuò)展，裂隙巖體在水流長期的潛蝕、沖蝕、侵蝕作用下發(fā)生崩塌、塌陷與滑動(dòng)，形成大規(guī)模的充水巖溶體，同時(shí)在化學(xué)、物理的風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積與沉積作用下，巖溶體底部常被沉積物充填[28]。巖溶發(fā)育地區(qū)嚴(yán)重威脅隧道工程的建設(shè)，在隧道施工過程中常常造成塌方、落石、突水突泥、瓦斯突出等災(zāi)害，其中突水突泥災(zāi)害最為嚴(yán)重。本文根據(jù)巖溶的發(fā)育形態(tài)和規(guī)模把充水充泥巖溶含水體分為3個(gè)子類型：溶腔(溶洞)型、地下暗河型、巖溶管道型，并提出了各子類型的概化模型。

(1)溶腔(溶洞)型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖4。

圖4 溶腔(溶洞)型致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.4 Generalized models of karst cave type disaster-causing structure

(2)地下暗河型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖5。

圖5 地下暗河型致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.5 Generalized models of the underground type disaster-causing structure

(3)巖溶管道型致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖6。

圖6 管道型致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.6 Generalized models of pipeline type disaster-causing structure

2.3 向背斜和單斜含水層

地下褶曲和單斜構(gòu)造若存在相對(duì)隔水層和相對(duì)含水層，則能形成地下水的富集空間。相對(duì)隔水層的巖體相對(duì)致密、滲透率低；相對(duì)含水層的巖體相對(duì)破碎、孔隙率高、滲透率高，成為地下水的富集地層。當(dāng)隧道穿越該類構(gòu)造時(shí)，極有可能發(fā)生較大的突水突泥災(zāi)害。本文根據(jù)褶曲和單斜致災(zāi)構(gòu)造巖層形態(tài)的差異將其具體分為向斜構(gòu)造含水層、背斜構(gòu)造含水層和單斜構(gòu)造含水層3個(gè)子類，并提出了各子類的概化模型。

(1)向斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖7。

圖7 向斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.7 Generalized models of aquifer disaster-causing structure of the syncline

(2)背斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖8。

圖8 背斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.8 Generalized models of aquifer disaster-causing structure of the anticline

(3)單斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖9。

圖9 單斜構(gòu)造含水層致災(zāi)構(gòu)造Fig.9 Generalized models of aquifer disaster-causing structure of the monoclinic

2.4 人工富水空間

隨著國家礦業(yè)布局的逐漸優(yōu)化，一些規(guī)模小、技術(shù)落后、安全隱患大的礦場逐漸退出歷史舞臺(tái)，其遺留下來的人工采挖空間——廢棄礦巷，在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和地下水的長期作用下，廢棄礦巷的支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸破壞，形成良好的集水廊道，成為充水廢棄礦巷。然而，隨著我國隧道工程建設(shè)大規(guī)模的開展，越來越多的隧道需穿越山嶺地區(qū)廢棄的礦廠，一旦遭遇大量充水的廢棄礦巷，極有可能導(dǎo)致隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害。由于充水廢棄礦巷的形成過程與以上各類均不同，故將其概化模型單獨(dú)列出(圖10)[29]。

圖10 充水廢棄礦巷概化模型Fig.10 Generalized models of abandoned mine roadway disaster-causing structure

2.5 水下不良地質(zhì)體

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，現(xiàn)代城市交通運(yùn)輸能力愈顯不足，為節(jié)省土地資源、保護(hù)環(huán)境、緩解區(qū)域交通壓力，水下交通隧道的建設(shè)顯得越來越重要。由于水下隧道多為淺埋，在施工過程中極易遇到水下不良地質(zhì)體，發(fā)生滲漏及突水的風(fēng)險(xiǎn)很大，并且發(fā)生突水災(zāi)害時(shí)其最大的特點(diǎn)是水源無限補(bǔ)給，給工程造成災(zāi)難性的破壞。本文將水下隧道可能遇到的主要不良地質(zhì)構(gòu)造分為風(fēng)化槽、含水砂層、侵入巖巖脈3個(gè)子類型，并提出了各子類型的概化模型[30]。

(1)風(fēng)化深槽致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖11。

圖11 深風(fēng)化槽致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.11 Generalized models of disaster-causing structure of weathered deep trough

(2)含水砂層致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖12。

圖12 含水砂層致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.12 Generalized models of disaster-causing structure of water-sandy layer

(3)侵入巖巖脈致災(zāi)構(gòu)造的概化模型見圖13。

圖13 侵入巖巖脈致災(zāi)構(gòu)造概化模型Fig.13 Generalized models of disaster-causing structure of intrusive rock veins

3 防突層結(jié)構(gòu)及其突水模式

防突層是指存在于隧道開挖臨空面與致災(zāi)構(gòu)造之間且起到隔水阻泥作用的巖土體結(jié)構(gòu)，是災(zāi)害源突入隧道的最后一道屏障。防突層結(jié)構(gòu)形式多樣，可分布在隧道洞體的任何方位，隧道施工過程中突水災(zāi)害的發(fā)生與否取決于防突層結(jié)構(gòu)的最小安全厚度。

本文根據(jù)隧道致災(zāi)構(gòu)造與隧道臨空面之間的圍巖結(jié)構(gòu)類型，總結(jié)歸納了六類防突層結(jié)構(gòu)：完整巖體結(jié)構(gòu)、層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)、斷續(xù)巖體結(jié)構(gòu)、塊狀破碎巖體結(jié)構(gòu)、土石間架結(jié)構(gòu)和致密散體結(jié)構(gòu)。由于不同的防突層的結(jié)構(gòu)特征有很大差異，在相同的致災(zāi)構(gòu)造條件下，其突水模式也不相同(表2)。

3.1 完整巖體防突結(jié)構(gòu)整體壓裂分析

一般情況下，由地下巖溶水溶蝕和沖刷作用形成的溶腔、管道，其邊界巖壁具有較高的完整性，為探究完整巖體防突結(jié)構(gòu)發(fā)生突水突泥的突水模式，采用如圖14所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

由圖14可知，對(duì)于完整巖體防突結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)節(jié)理裂隙基本不發(fā)育，只要保證足夠的厚度，則能形成良好的阻泥隔水屏障，但當(dāng)隧道逐漸靠近高壓富水溶腔或巖溶管道時(shí)，完整型巖體防突結(jié)構(gòu)的厚度逐漸被削弱，同時(shí)防突層在開挖擾動(dòng)與滲流損傷的共同作用下，抵抗高壓巖溶水的能力不斷降低，最終達(dá)到強(qiáng)度破壞的臨界狀態(tài)，在微小的擾動(dòng)下便會(huì)導(dǎo)致完整巖體防突結(jié)構(gòu)的整體壓裂破斷，導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害的發(fā)生。

表2 防突層結(jié)構(gòu)及其突水模式Table 2 The structure of outburst prevention layer and its water inrush mode

圖14 完整巖體防突結(jié)構(gòu)模型Fig.14 The structure model of intact rock mass

3.2 層狀碎裂巖體防突結(jié)構(gòu)剪切破壞分析

層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)往往發(fā)育貫通致災(zāi)構(gòu)造與隧道的節(jié)理、裂隙，貫通的節(jié)理、裂隙構(gòu)成防突結(jié)構(gòu)的薄弱結(jié)構(gòu)面，是防突結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的優(yōu)勢破壞面，采用如圖15所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

圖15 層狀破碎巖體防突結(jié)構(gòu)模型Fig.15 The structure model of layered fractured rock mass

由圖15可知，對(duì)于層狀破碎巖體防突結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，防突結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度較低，多個(gè)結(jié)構(gòu)面切穿防突結(jié)構(gòu)，為地下水和泥的突出提供了有利條件。當(dāng)隧道開挖接近但未揭穿致災(zāi)構(gòu)造時(shí)，由于臨空面的形成改變了原地下水的自然平衡條件，加速了地下水在節(jié)理裂隙內(nèi)的徑流循環(huán)，對(duì)裂隙內(nèi)的膠結(jié)介質(zhì)不斷地沖刷和溶蝕，并且在高壓地下水的作用下，節(jié)理裂隙的張開度增大，極大的降低了防突結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，最終在大體量地下水或水泥混合體的自重作用下，由貫通結(jié)構(gòu)面切割而成的優(yōu)勢滑移塊體發(fā)生剪切破壞。

3.3 斷續(xù)巖體防突結(jié)構(gòu)劈裂破壞分析

斷續(xù)巖體防突結(jié)構(gòu)中存在巖橋和未貫通的節(jié)理、裂隙，幾乎不存在貫通裂隙，其破壞機(jī)制既不同于完整巖體防突結(jié)構(gòu)，也不同于層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)，也是在工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)并引發(fā)突水突泥災(zāi)害的一種巖體結(jié)構(gòu)，采用如圖16所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

圖16 斷續(xù)巖體防突結(jié)構(gòu)模型Fig.16 The structure model of discontinuous rock mass

由圖16可知，對(duì)于斷續(xù)巖體防突結(jié)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)內(nèi)節(jié)理裂隙未貫穿防突結(jié)構(gòu)，但當(dāng)隧道掌子面或隧道邊墻等部位逐漸接近富水充泥致災(zāi)構(gòu)造時(shí)，防突結(jié)構(gòu)也逐漸變薄，同時(shí)在高壓地下水的作用下，導(dǎo)致斷續(xù)節(jié)理裂隙發(fā)生劈裂破壞，即斷續(xù)節(jié)理在高壓地下水楔劈作用下沿末端發(fā)生擴(kuò)展，裂隙之間逐漸相互聯(lián)系貫通，并逐漸形成多個(gè)切穿防突結(jié)構(gòu)的裂隙，最終形成突水通道。

3.4 塊狀破碎防突結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊失穩(wěn)分析

塊狀碎裂結(jié)構(gòu)主要為受構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎巖層，主要發(fā)育于斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結(jié)構(gòu)，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.25～0.5 m，一般在3組以上(包括結(jié)構(gòu)面)，由許多分離體形成，采用如圖17所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

圖17 塊狀破碎防突結(jié)構(gòu)模型Fig.17 The structure model of massive fractured rock mass

由圖17可知：當(dāng)防突結(jié)構(gòu)為塊狀碎裂結(jié)構(gòu)時(shí)，由于巖體的破碎程度很大，完整性很差，導(dǎo)致防突結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度很低。當(dāng)隧道掌子面、拱部或邊墻逐漸接近富水致災(zāi)構(gòu)造時(shí)，塊狀碎裂防突結(jié)構(gòu)受到爆破開挖的擾動(dòng)以及應(yīng)力釋放，導(dǎo)致關(guān)鍵塊體失穩(wěn)，在高壓地下水的作用下，導(dǎo)致其他塊體變形或崩潰，最終形成突水突泥通道。

3.5 土石間架防突結(jié)構(gòu)滲透破壞分析

土石間架結(jié)構(gòu)主要存在于壓性斷層上盤強(qiáng)烈擠壓破碎帶或充填于豎向發(fā)育的巖溶管道底部，破碎巖塊之間夾雜粘土介質(zhì)形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用圖18所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

圖18 土石間架防突結(jié)構(gòu)模型Fig.18 The structure model of earth-rock inter-frame

由圖18可知：對(duì)于土石間架防突結(jié)構(gòu)，其滲透性較強(qiáng)，并且在地下水的長期侵蝕作用下，導(dǎo)致破碎巖塊之間的充填介質(zhì)軟化，當(dāng)隧道揭露該類防突結(jié)構(gòu)時(shí)，增強(qiáng)了地下水在結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲流作用，在持續(xù)滲流和工程擾動(dòng)的共同作用下發(fā)生管涌和流土現(xiàn)象，破碎塊體間的細(xì)顆粒逐漸流失，滲水量很小，但在持續(xù)滲流的沖刷作用下，導(dǎo)致滲流通道逐漸擴(kuò)大，涌水量逐漸增大，最終形成突水通道，導(dǎo)致大規(guī)模突水突泥。

3.6 致密散體防突結(jié)構(gòu)整體滑移分析

致密散體防突結(jié)構(gòu)主要是指充填型致災(zāi)構(gòu)造底部沉積的滲透性較低、整體性好的充填介質(zhì)，是良好的隔水阻泥結(jié)構(gòu)，采用如圖19所示的概化模型對(duì)其突水模式進(jìn)行分析。

圖19 致密散體防突結(jié)構(gòu)模型Fig.19 The structure model of dense granular

由圖19可知：對(duì)于致密散體防突結(jié)構(gòu)，由于其滲透性較弱，整體性強(qiáng)，因此，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。當(dāng)隧道開挖揭露充填介質(zhì)時(shí)，該類防突結(jié)構(gòu)主要是靠防突結(jié)構(gòu)與管道壁之間的剪切力來維持穩(wěn)定，由于管道壁的不平整性，導(dǎo)致充填介質(zhì)與管道壁的接觸面具有薄弱部位，在開挖擾動(dòng)和上部高壓地下水的共同作用下，這些薄弱部位形成導(dǎo)水通道，在地下水的潤滑和沖蝕作用下，接觸面的薄弱部位逐漸擴(kuò)展，使防突結(jié)構(gòu)沿接觸面發(fā)生滑移剪切破壞的臨界水壓大大降低，最終導(dǎo)致防突結(jié)構(gòu)整體滑移破壞，引發(fā)突水災(zāi)害。

4 工程實(shí)例

(1)圓梁山深埋特長隧道全長11.068 km，最大埋深700多米，是重慶至懷化鐵路線的關(guān)鍵性控制工程。隧道穿越毛壩向斜核部、桐麻嶺背斜和冷水河淺埋段，穿過三疊系、二疊系、泥盆系、志留系、奧陶系和寒武系等多種地層，主要發(fā)育有毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂。正洞里程DK354+460～+490處發(fā)育有2#溶洞，水壓高達(dá)2.73 MPa，溶洞兩側(cè)圍巖節(jié)理和層面裂隙多充填黏土及粉細(xì)砂。平導(dǎo)PDK354+435揭示寬約0.3 m的溶蝕裂隙，向拱頂方向垂向延伸，涌水紫紅色(圖20)。

圖20 PDK354 + 435揭示2#溶洞的寬約0.3 m溶蝕裂隙發(fā)生紫紅色涌水Fig.20 A 0.3 m wide vertical solution crack on the crown of the parallel pilet，from which purplish-red water blasted out

下導(dǎo)DK354+460采用風(fēng)鉆鉆孔時(shí)，由鉆孔內(nèi)射出高壓水和大量粉細(xì)砂，射程約30 m，隨后采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行深孔探測，又發(fā)生噴砂，瞬時(shí)最大突水量達(dá)到860 m3/h，下導(dǎo)坑施工完成后，又出現(xiàn)了高達(dá)69 000 m3/h的特大突水。經(jīng)分析認(rèn)為，致災(zāi)構(gòu)造為高水壓2#溶洞，防突層結(jié)構(gòu)是典型的土石間架結(jié)構(gòu)，在高壓巖溶水作用下，圍巖節(jié)理和層面裂隙填充的黏土和粉細(xì)砂不斷流失，發(fā)生滲透破壞，最終導(dǎo)致致災(zāi)構(gòu)造與隧道臨空面之間的導(dǎo)水通道逐漸形成，從而引發(fā)突水災(zāi)害[31-32]。

(2)鐘家山隧道位于吉蓮高速西段，采用分離式設(shè)計(jì)，左線長2 486 m、右線長2 494 m，是吉蓮高速公路重要的控制性工程之一。隧址區(qū)處于湘東新華夏構(gòu)造體系，永新盆地邊緣，主要以砂頁巖軟弱地層為主，且發(fā)育有一條區(qū)域性逆沖斷層：鐘家山——界化壟斷層(F3)，該斷層穿過隧道洞身，伴隨發(fā)育多條小規(guī)模斷層：F1、F2、F4和F5，并與隧道大角度相交。其中F2斷層頁以頁巖為主，巖體膠結(jié)松散，風(fēng)化程度高，遇水容易崩解、軟化、泥化成流塑狀態(tài)，強(qiáng)度極低。另外，F(xiàn)2斷層具有良好的導(dǎo)水性，且水源豐富。F2斷層與隧道洞身交匯處圍巖穩(wěn)定性差，是典型的塊狀碎裂結(jié)構(gòu)，在高壓地下水的軟化、泥華、潤滑作用下，關(guān)鍵塊體發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致其他塊體發(fā)生較大變形或崩潰，多次發(fā)生大規(guī)模的突水災(zāi)害(圖21)[33-34]。

圖21 鐘家山隧道突水突泥災(zāi)害Fig.21 The water inrush and mud gushing in Zhongjiashan tunnel

(3)日本青函隧道是一條穿越津輕海峽的海底隧道，海底部分長約23.3 km，其周圍的地質(zhì)特征是新生代沉積巖，存在十余個(gè)主斷層和子斷層，隧道開挖過程中遇到的四次重大特大突水事故均發(fā)生在斷裂帶處。其中1976年5月6日吉岡段的一條服務(wù)隧道在施工過程中發(fā)生的一次突水突泥災(zāi)害最為嚴(yán)重，該隧道在第20次開挖期間，從B11導(dǎo)向孔流出約3.7 m3/min的水，并排出約4 m3的土，隨后放棄第20次開挖轉(zhuǎn)為第21次注漿加固，直到?jīng)]有顯著的涌水現(xiàn)象，認(rèn)為可以恢復(fù)第20次開挖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，并逐漸開始出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)涌水速度從0.9 m3/h上升至30 m3/h，約11 h后發(fā)生大規(guī)模的塌方和突水，總塌體積1 000 m3，總突水量達(dá)到1.845×106m3?？辈熨Y料顯示，突水點(diǎn)上覆巖體厚度128 m，上部海水深度76 m，突水點(diǎn)附近存在斷層帶，巖層由沉積巖組成，以凝灰?guī)r為主要成分，具有較低的滲透性，經(jīng)分析認(rèn)為隧道開挖后形成臨空面，防突巖體在水的作用下發(fā)生軟化和膨脹，主要結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度不斷降低，在高水頭壓力作用下防突巖體沿優(yōu)勢滑移面發(fā)生整體滑移破壞是導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害發(fā)生的根本原因[9]。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)我國隧道建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)及國內(nèi)外三十多個(gè)典型隧道突水致災(zāi)構(gòu)造和災(zāi)害特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)突水突泥災(zāi)害的規(guī)模受致災(zāi)構(gòu)造的影響顯著。本文結(jié)合隧址區(qū)突水致災(zāi)結(jié)構(gòu)的不同成因，將致災(zāi)構(gòu)造分為斷裂帶、巖溶含水體、向背斜和單斜含水層、人工富水空間和水下不良地質(zhì)體五大類。

(2)根據(jù)各類致災(zāi)構(gòu)造的不同表現(xiàn)形式，提出了13個(gè)子類致災(zāi)構(gòu)造：斷層型、層間斷裂型、裂隙(溶隙)型、溶腔(溶洞)型、地下暗河型、巖溶管道型、背斜構(gòu)造含水層、向斜構(gòu)造含水層、單斜構(gòu)造含水層、廢棄礦巷、風(fēng)化槽、含水砂層和侵入巖脈。

(3)根據(jù)突水致災(zāi)構(gòu)造與隧道臨空面之間的圍巖結(jié)構(gòu)類型，歸納總結(jié)了六類防突層結(jié)構(gòu)：完整巖體結(jié)構(gòu)、層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)、斷續(xù)巖體結(jié)構(gòu)、塊狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)、土石間架結(jié)構(gòu)、致密散體結(jié)構(gòu)；根據(jù)防突層結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)將隧道突水模式歸納為：整體壓裂破壞、剪切破壞、劈裂破壞、關(guān)鍵塊失穩(wěn)破壞、滲透破壞和整體滑移破壞。

(4)通過對(duì)圓梁山隧道、鐘家山隧道和青函隧道發(fā)生的典型突水突泥災(zāi)害進(jìn)行詳細(xì)分析，其突水致災(zāi)構(gòu)造、防突層結(jié)構(gòu)類型和突水模式得到了有力的驗(yàn)證。

[1] 盧耀如.喀斯特發(fā)育機(jī)理與發(fā)展工程建設(shè)效應(yīng)研究方向[J].地球?qū)W報(bào)，2016，37(4)：419-432. LU Yaoru.Karst development mechanism and research directions of developing engineering construction effect[J].Acta Geoscientica Sinica，2016，37(4)：419-432.

[2] 李術(shù)才，薛翊國，張慶松，等.高風(fēng)險(xiǎn)巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報(bào)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(7)：1297-1307. LI Shucai，XUE Yiguo，ZHANG Qingsong，et al.Key technology study on comprehensive prediction and early-warning of geological hazards during tunnel construction in high-risk karst areas[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(7)：1297-1307.

[3] 夏永旭.我國公路隧道建設(shè)中的問題與對(duì)策[J].交通建設(shè)與管理，2007(10)：45-51. XIA Yongxu.The problems and countermeasures in the construction of highway tunnels in China[J].Transportation Construction & Management，2007(10)：45-51.

[4] 張民慶，劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水特征分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(4)：422-426. ZHANG Minqing，LIU Zhaowei.The analysis on the features of karst water burst in the Yuanliangshan tunnel[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(4)：422-426.

[5] 金新鋒，夏日元，梁彬.宜萬鐵路馬鹿箐隧道巖溶突水來源分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(2)：71-74. JIN Xinfeng，XIA Riyuan，LIANG Bin.Analysis of bursting water source of Maluqing tunnel，Yichang-Wanzhou railway[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2007，34(2)：71-74.

[6] 郭佳奇，王光勇，任連偉.宜萬鐵路巖溶地質(zhì)特征及其發(fā)育模式[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2013，24(2)：72-78. GUO Jiaqi，WANG Guangyong，REN Lianwei.Karst geological features of Yiwan line and their basic modes[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(2)：72-78.

[7] 卓越，孫國慶.齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬訋ё{施工技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2009，11(12)：82-86. ZHUO Yue，SUN Guoqing.Grouting construction technology of high pressure and rich water fault F11 in Qiyueshan Tunnel[J].Engineering Sciences，2009，11(12)：82-86.

[8] 陳禹成，田伯科.麻武高速公路大別山隧道涌水原因及治理措施探討[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2011(4)：36-38. CHEN Yucheng，TIAN Boke.Discussion on the causes of gushing water in Dabie Mountain Tunnel of Ma-Wu Highway and the treatment measures[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development(Applied Technology)，2011(4)：36-38.

[9] Tsuji H，Sawada T，Takizawa M.Extraordinary inundation accidents in the Seikan undersea tunnel[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1996，33(1)：1-14.

[10] Wallis S.Freezing under the sea rescues Oslofjord highway tunnel[J].Tunnel，1999，8：19-26.

[11] LU Yaoru，LIU Qi， ZHANG Feng’ e.Environmental characteristics of karst in China and their effect on engineering[J].Carbonates Evaporites，2013，28(1)：251-258.

[12] LI Xiaozhao，CAO Liang，ZHAO Xiaobao.Assessment of potential impact of tunneling on the groundwater in epi-fissure-karst-zone and ecological environment[J].Environmental Earth Sciences，2012，66(3)：967-976.

[13] ZHAO Yong，LI Pengfei，TIAN Siming.Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2013，5(6)：468-477.

[14] 蒙彥，雷明堂.巖溶區(qū)隧道涌水研究現(xiàn)狀及建議[J].中國巖溶，2003，22(4)：287-292. MENG Yan，LEI Mingtang.The advance and suggestion for the study on discharge rate in karst tunnel gushing[J].Carsologica Sinica，2003，22(4)：287-292.

[15] 王建秀，楊立中，何靜.大型地下工程巖溶涌(突)水模式的水文地質(zhì)分析及其工程應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001，28(4)：49-52. WANG Jianxiu，YANG Lizhong，HE Jing.Hydrogeological analysis and engineering application of typical styles of karst groundwater’s blow (bursting) in large-scale underground engineering[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2001，28(4)：49-52.

[16] Song K I，Cho G C，Chang S B.Identification， remediation，and analysis of karst sinkholes in the longest railroad tunnel in South Korea[J].Engineering Geology，2012，s 135-136(7)：92-105.

[17] 鄔立，萬軍偉，陳剛，等.宜萬鐵路野三關(guān)隧道“8·5”突水事故成因分析[J].中國巖溶，2009，28(2)：212-218. WU Li，WAN Junwei，CHEN Gang，et al.Cause of the “ 8·5 ” water burst incident at Yesanguan tunnel along the Yi-Wan railway[J].Carsologica Sinica，2009，28(2)：212-218.

[18] 周毅.隧道充填型管道構(gòu)造突涌水機(jī)理與預(yù)測預(yù)警及工程應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015. ZHOU Yi.Study on water inrush mechanism and early warning of filled piping-type disaster and its engineering application in tunnels[D].Jinan：Shandong University，2015.

[19] 石少帥.深長隧道充填型致災(zāi)構(gòu)造滲透失穩(wěn)突涌水機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)控制及工程應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014. SHI Shaoshuai.Study on seepage failure mechanisim and risk control of water inrush induced by filled disaster structure in deep-long tunnel and engineering applications[D].Jinan：Shandong University，2014.

[20] 羅雄文，何發(fā)亮.深長隧道突水致災(zāi)構(gòu)造及其突水模式研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(1)：21-25，53. LUO Xiongwen，HE Faliang.A study of geological structures inclined to disaster and models of water burst in deep-buried long tunnels[J].Modern Tunnelling Technology，2014，51(1)：21-25，53.

[21] 李新宇，張頂立，房倩，等.越江跨海隧道突水模式研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52(4)：24-31. LI Xinyu，ZHANG Dingli，F(xiàn)ANG Qian，et al.On waterburst patterns in underwater tunnels[J].Modern Tunnelling Technology，2015，52(4)：24-31.

[22] 中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015，28(5)：1-65. Review on China’s tunnel engineering research[J].China Journal of Highway and Transport，2015，28(5)：1-65.

[23] 王夢(mèng)恕.水下交通隧道發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)難題——兼論“臺(tái)灣海峽海底鐵路隧道建設(shè)方案”[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(11)：2161-2172. WANG Mengshu.Development status and technical difficulties of underwater traffic tunnels——discussion on the “construction scheme of tunnels of the Taiwan Strait Submarine Railway”[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(11)：2161-2172.

[24] WANG Taitien，JENG Fushu，LO Wei.Mitigating large water ingresses into the New Yungchuen Tunnel，Taiwan[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2011，70(2)：173-186.

[25] Wenner，Dieter，Eng.-Geol.MSc，et al.Alborz Service Tunnel in Iran：TBM Tunnelling in Difficult Ground Conditions and its Solutions[C]// Proceeding of 8th Iranian Tunneling Conference，2009.

[26] 石文慧.當(dāng)代鐵路隧道發(fā)展趨勢及地質(zhì)災(zāi)害[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1996，(2)：54-61. SHI Wenhui.Development trend of contemporary railway tunnel and its geological hazard control[J].Journal of Railway Engineering Society，1996，(2)：54-61.

[27] 牟傳文.日本上越新干線控制工程——大清水隧道貫通[J].中國鐵路，1979，(14)：11. MOU Chuanwen.Japan joetsu shinkansen control engineering——dai shimizu railway tunnel run-through completely[J].Chinese Railways，1979，(14)：11.

[28] 王鷹，陳強(qiáng)，魏有儀，等.巖溶發(fā)育區(qū)深埋隧道水巖相互作用機(jī)理[J].中國鐵道科學(xué)，2004，25(4)：56-59. WANG Ying，CHEN Qiang，WEI Youyi，et al.Water/Rock interaction mechanism in deep-buried tunnels in karst area[J].China Railway Science，2004，25(4)：56-59.

[29] 何發(fā)亮，吳德勝，郭如軍，等.隧道施工：地質(zhì)災(zāi)害與致災(zāi)構(gòu)造及其致災(zāi)模式[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015. HE Faliang，WU Desheng，GUO Rujun，et al.Tunnel construction：geological disasters and disaster-causing structures and their disaster-causing model [M].Chendu：Southwest Jiaotong University Press，2015.

[30] 宋浩然.鉆爆法海底隧道突水機(jī)理及其應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2015. SONG Haoran.Water inrush mechanism of subsea tunnel constructed by drill-blasting method and its application[D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2015.

[31] 張民慶，孫國慶，鄒沖，等.圓梁山隧道2#溶洞正洞施工技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2004，(4)：68-76. ZHANG Minqing，SUN Guoqing， ZOU Chong，et al.Construction technique for main cave of No.2 karst cave of Yuanliangshan tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society，2004，(4)：68-76.

[32] 張倬元，蔣良文.倒虹吸形成深飽水帶大型充填溶洞的典型實(shí)例[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(4)：455-469. ZHANG Zhuoyuan，JIANG Liangwen.A typical case history of infilled karstic caves formed by reverse siphonic circulation in deep phreatic zone[J].Journal of Engineering Geology，2010，18(4)：455-469.

[33] 范威，王川，金曉文，等.吉蓮高速公路鐘家山隧道涌突水條件分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(2)：38-43. FAN Wei，WANG Chuan，JIN Xiaowen，et al.Water inrush condition analysis of the Zhongjiashan tunnel in the Jilian Highway[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2015，42(2)：38-43.

[34] 翁賢杰.富水?dāng)鄬悠扑閹淼劳凰荒鄼C(jī)理及注漿治理技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014. WENG Xianjie.Study on inrush of water and mud mechanism and grouting control technology in water-rich fault fracture zone of tunnel[D].Jinan：Shandong University，2014.

Analysis of typical disaster-causing structure and water inrush model of tunnel

HE Zhenyu，GUO Jiaqi，CHEN Fan，TAN Junkun
(SchoolofCivilEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo，Henan454000，China)

The construction of tunnel engineering is faced with the threat of water inrush, and the water inrush often causes great economic losses and casualties. According to the causes of disaster-causing structure, the typical disaster-causing structures can be divided into five categories: fracture zones, karst bodies, aquifer of syncline、anticline and monoclinic, artificial water-rich spaces and underwater bad geological body. According to the surrounding rock conditions and the failure characteristics of the tunnel, six types of outburst prevention layers are summarized, and six failure patterns of water inrush are proposed: the whole fracturing failure, shear failure, splitting failure, destabilization failure of key blocks, seepage failure and integral slide failure. Finally, three typical water inrush cases are analyzed. It is of great significance to improve the identification of potential disaster structures and guide the construction of tunnels.

tunnel water inrush；typical disaster-causing structure；outburst prevention layer；water inrush mode

2017-01-11;

2017-02-28

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036003)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-016)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474097)

賀振宇(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。E-mail：438074792@qq.com

郭佳奇(1981-)，男，副教授，博士，主要從事隧道與地下工程方面的教學(xué)和研究工作。E-mail:gjq519@163.com

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.13

P642.12

A

1003-8035(2017)02-0097-11