王子洪，付會彬，馬偉斌，馬超鋒

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

1 隧道突水類型及產(chǎn)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(zhì)條件區(qū)域，由于巖溶導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)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(zhì)構(gòu)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(nèi)[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(zāi)害形成的源動力，儲存一定的能量；突水通道是突水的運(yùn)行通道，即泥砂與地下水混合物遷移的地方，是突水災(zāi)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(qū)隧道突水機(jī)理

2.1 突水涌泥形成的必要條件

我國西南地區(qū)隧道普遍具有巖溶發(fā)良、滲透壓力大、地應(yīng)力特別大等特點(diǎn)。該地區(qū)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(jié)構(gòu)遭到破壞，有可能使得導(dǎo)水通道和開挖臨空面連通，繼而引發(fā)相關(guān)水源如地下水或者地表水等驟然進(jìn)入隧道施工區(qū)，直接導(dǎo)致突水涌泥災(zāi)害的發(fā)生[3]。

發(fā)生隧道突水必須符合以下3個條件：

1)含水結(jié)構(gòu)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(qiáng)度降低，巖體內(nèi)會形成突水結(jié)構(gòu)面。隧道施工過程中倘若隧道附近暗藏含水結(jié)構(gòu)體系，意味著防突巖層處于飽水狀態(tài)[3]。此時巖石強(qiáng)度σw遠(yuǎn)小于干燥狀態(tài)時巖石強(qiáng)度σd，兩者關(guān)系為

σw=ηkwσd(kw<1)

(1)

式中：η為巖溶地區(qū)巖石強(qiáng)度的折減系數(shù)；kw為巖溶地區(qū)巖石軟化系數(shù)。

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

2)巖溶水壓力對巖體的應(yīng)力作用

在災(zāi)害較重的巖溶地區(qū)，巖體內(nèi)存在裂縫與節(jié)理等導(dǎo)致災(zāi)害的因素。這些因素在巖溶形成過程中會產(chǎn)生眾多的斷層面。若發(fā)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(xiàn)在有效應(yīng)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(qiáng)度變化值;σ為正方向應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性被破壞

在高水壓作用下單位時間內(nèi)水流量增大。假設(shè)巖溶水能將巖溶管道阻力全部克服，把勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膭幽?。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(chǎn)生阻礙，可根據(jù)達(dá)西定律求得滲流量Q。

(4)

式中：K為滲透系數(shù)；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(wěn)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(jù)阻水結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)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(gòu)建力學(xué)模型，把巖層精簡成兩端穩(wěn)定的梁進(jìn)行運(yùn)算，且經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)閮啥朔€(wěn)定的梁，則防突巖層穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為在自重及填充介質(zhì)壓力作用下梁的失穩(wěn)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(xiàn)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(zhì)壓力雙重作用下，梁兩端均出現(xiàn)最大剪力。最大剪力FS為

(6)

防突巖層厚度H依照抗彎強(qiáng)度計算。公式為

(7)

式中：σt為巖層的抗拉強(qiáng)度。

防突巖層抗剪強(qiáng)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(zhì)與水共同填充溶腔，那么P就為填充介質(zhì)與水的壓力之和；若溶腔沒有水滲透進(jìn)去則P取0。

防突巖層厚度會受到開挖擾動、裂縫與節(jié)理等影響，因此還須對其簡化模型所得結(jié)論進(jìn)行修正，依據(jù)相關(guān)隧道實踐經(jīng)驗，防突巖層厚度的取值還須乘以安全系數(shù)K[4]。

2)填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)型

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

填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)過程可分成填充開始致密階段、滲透失穩(wěn)階段與管道全部連通階段。

圖2 填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)力學(xué)模型

填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)力學(xué)模型如圖2所示。其中：D為巖溶管道的寬度；PS為填充介質(zhì)受到水流沖擊所產(chǎn)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(zhì)受到水流沖擊所產(chǎn)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(zhì)的孔隙率;J為水力坡度。

填充介質(zhì)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(wěn)階段由于巖溶水多次侵蝕填充介質(zhì)，填充介質(zhì)中的土顆粒被慢慢沖走，孔隙率n日益增大，當(dāng)n=1時，即管道內(nèi)的填充介質(zhì)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(zhì)情況

渝懷鐵路圓梁山深埋特長隧道全長 11 068 m，是關(guān)鍵性控制工程。隧道位于重慶市酉陽縣境內(nèi)，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(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。地貌形態(tài)受構(gòu)造和巖性控制，呈帶狀展布。隧道穿越的主要巖性為灰?guī)r、瀝青質(zhì)灰?guī)r、泥巖、砂巖、白云巖、煤層等，其中可溶性灰?guī)r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(yán)重地區(qū)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(fā)突水涌泥。突水涌泥爆發(fā)后，在排堵水時會導(dǎo)致原有的地下水循環(huán)系統(tǒng)遭受破壞，宜采用多種方法相結(jié)合的方式進(jìn)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(fā)育地段開挖后采用徑向注漿與補(bǔ)漿或者選擇小導(dǎo)管注漿進(jìn)行封堵，使隧道施工時水土流失變少。依據(jù)隧道地質(zhì)情況全面治理，洞內(nèi)也要嚴(yán)格排水，水泵排水能力要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，同時在洞內(nèi)還要挖蓄水坑和設(shè)置蓄水池，逐級排水。隧道內(nèi)大約每隔50 m 挖1個蓄水坑，每隔100 m設(shè)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(fēng)化灰?guī)r，呈層狀或碎裂狀。采用電導(dǎo)率剖面儀對低阻異常區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，隧道洞身周邊因受巖溶侵蝕開裂嚴(yán)重，巖溶發(fā)良。隧道施工過程中對漏斗、溶洞產(chǎn)生擾動，破壞了原有平衡，從而引發(fā)突水涌泥。

因為巖溶發(fā)育狀態(tài)存在不確定性與復(fù)雜性，建議在隧道施工過程中進(jìn)行動態(tài)設(shè)計與調(diào)整，做好相關(guān)應(yīng)急與防治措施，同時還要做好地質(zhì)預(yù)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(fā)生突水涌泥，可采取以下措施：

1)襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)置超前小導(dǎo)管，使用6 m長前端錐形的熱軋無縫鋼管，導(dǎo)管外徑6 cm，壁厚0.4 cm。

DK359+500等處節(jié)理裂縫密集，巖體自穩(wěn)性差。由于受到雨水的長期滲透，拱頂與右側(cè)出現(xiàn)大量地下滲水，導(dǎo)致初期支護(hù)擠壓變形非常嚴(yán)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(cè)拱腳到左側(cè)拱腰長4.5 m范圍內(nèi)采用注漿鋼花管(φ42壁厚4mm)進(jìn)行環(huán)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(huán)向)。

運(yùn)用120b鋼架與超前大管棚對拱墻進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。管棚采用φ108 mm長達(dá)28 m的大管棚，環(huán)向間距0.45 m。

3)初期支護(hù)時應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)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(fā)生突水涌泥的地方采用土石回填。

4 結(jié)語

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

2)依據(jù)阻水結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可把突水模式劃分為防突巖層破壞與填充介質(zhì)滲透失穩(wěn)2種類型。

3)針對西南地區(qū)巖溶隧道的特點(diǎn)，提出了土石回填、超前小導(dǎo)管支護(hù)、注漿加固、加強(qiáng)監(jiān)控量測等綜合防治措施。