巖溶隧道突水災害形成機理及發(fā)展趨勢1)

李術(shù)才王 康李利平,?,3)周宗青石少帥柳 尚

?(山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南250061)

?(國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,濟南250061)

巖溶隧道突水災害形成機理及發(fā)展趨勢1)

李術(shù)才?,2)王 康?李利平?,?,3)周宗青?石少帥?柳 尚?

?(山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟南250061)

?(國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,濟南250061)

巖溶隧道突水災害具有“強突發(fā)、高水壓、大流量、多類型”等顯著特點，其災變演化過程復雜、動力失穩(wěn)規(guī)律尚不清楚.本文系統(tǒng)提出了不同類型突水災害的發(fā)生條件、判據(jù)及安全厚度分析方法，剖析了近期研究進展及發(fā)展趨勢.首先，給出了隧道突水災害的概念、類型及構(gòu)成三要素，從系統(tǒng)論角度分析了隧道突水的災變過程；其次，總結(jié)了隧道突水災害致災機理、力學模型、失穩(wěn)判據(jù)和最小安全厚度等方面的近期研究成果；最后，從構(gòu)成三要素角度分析了隧道突水致災機理方面的現(xiàn)狀與問題，并提出了今后的發(fā)展趨勢與方向，主要有：(1)災害源固液氣三相置換機制與釋能模式，(2)突水通道多相物質(zhì)遷移與流態(tài)演化規(guī)律，(3)隔水阻泥結(jié)構(gòu)動力災變演化機理，(4)突水通道破裂形成過程的模擬分析方法等.

巖溶隧道，突水突泥，力學機理，發(fā)展趨勢

引言

隧道涉及交通工程(鐵路、公路隧道)、水利水電工程(地下廠房、輸水隧洞)等領(lǐng)域，是國家基礎(chǔ)設施工程建設的控制性工程.進入21世紀后，一大批交通工程、水利水電工程等重大基礎(chǔ)工程陸續(xù)提上建設日程，極大地促進了隧道工程的建設.隨著國家科技戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的逐步實施，交通路網(wǎng)向遍布崇山峻嶺的西部山區(qū)和巖溶地區(qū)縱深拓展，將出現(xiàn)一批具有“大埋深、長洞線、高應力、強巖溶、高水壓、構(gòu)造復雜、災害頻發(fā)”等顯著特點的隧道工程.以貴廣鐵路為例，全長857km，隧道216座，占線路總長的53.9%，高風險巖溶隧道8座，其中3座超過10km.正在修建的成蘭鐵路，隧道占線路總長度的67.07%，且多次穿越活動斷裂帶和可溶巖區(qū)域，隧道最大埋深達到1900m，最長達15km.上述隧道位于高山峽谷區(qū)，強富水、強巖溶和高地應力的環(huán)境造成的突水災害威脅日趨嚴重，具有“強突發(fā)、高水壓、大流量、多類型”等顯著特點，成為巖溶隧道安全建設的巨大挑戰(zhàn).災害一旦發(fā)生，將導致重大人員傷亡、經(jīng)濟損失與工期延誤，甚至被迫停建或改線.此外，突水災害若不能有效治理，極易誘發(fā)巖溶地區(qū)的水資源枯竭、地表塌陷等次生環(huán)境災害，嚴重威脅社會穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展[1-6].

隧道突水是一個多尺度的多場相互作用的復雜系統(tǒng)，具有“強隱蔽性、強復雜性、強突發(fā)性、強破壞性”四大基本特征.突水突泥災害的控制技術(shù)面臨的共性關(guān)鍵問題主要有：(1)由于突水災害源的強隱蔽性，其孕災地質(zhì)環(huán)境、致災構(gòu)造等不明確；(2)由于突水災害源的強隱蔽性和強復雜性，其地球物理響應規(guī)律不清楚；(3)由于突水災變過程的強復雜性，災變過程的動力學規(guī)律不清楚；(4)由于突水災害的強突發(fā)性和強破壞性，尚未形成有效的災變信息的獲取、辨識與預警理論與技術(shù).

針對隧道工程突水突泥地質(zhì)災害預防和治理工作，國內(nèi)外學者在隧道突水突泥災害的構(gòu)造與水文地質(zhì)特征及條件、不良地質(zhì)地球物理探測理論及方法、突水突泥災害致災機理、地質(zhì)災害預測預警機制與控制對策等方面進行了有益的探索，取得了重要進展.本文就隧道突水突泥致災機理與預測預警技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，闡述課題組在此方面的研究進展，預測未來的發(fā)展方向和趨勢，為隧道突水突泥災害的防治提供參考.

1 隧道突水災害概念與構(gòu)成要素

突水災害是指隧道及地下工程施工過程中大量水體或泥水混合物沿巖體節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面以及巖溶管道、地下暗河等不良地質(zhì)構(gòu)造瞬時涌入隧道內(nèi)的一種地質(zhì)災害現(xiàn)象.按突水方式可將其劃分為瞬時突水型、穩(wěn)定涌水型以及季節(jié)性突涌水型；按突水災害源類型可將其劃分為裂隙型突水、斷層型突水、溶洞溶腔型突水、管道及地下暗河型突水；按隔水阻泥結(jié)構(gòu)可將其劃分為隔水巖體破裂突水和充填結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突水，前者主要體現(xiàn)為動力擾動和高滲透壓條件下的水力劈裂，后者可分為局部滲透失穩(wěn)和整體滑移失穩(wěn)兩種.

隧道突水災害由災害源、突水通道與隔水阻泥結(jié)構(gòu)三部分組成(見圖1)：①災害源是源動力，即由一定空間內(nèi)的水體、堆積體及空腔構(gòu)成的混合體，具有明顯的儲能特征.災害源是突水災害發(fā)生的首要因素.②突水通道是災害源的優(yōu)勢運移通道，即地下水、泥砂等混合體耦合演化的運移途徑場所.突水通道是突涌水災害發(fā)生的必要條件.③隔水阻泥結(jié)構(gòu)是災害源進入隧道的最后屏障，即最終突水破裂口所在結(jié)構(gòu)，其破裂突水是由前端災害源運移和掌子面施工擾動共同誘發(fā)的動力破壞過程.

2 隧道突水災害力學判據(jù)與最小安全厚度

基于隔水阻泥結(jié)構(gòu)的破壞模式將突水類型劃分為隔水巖體破裂突水和充填結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突水兩類.

2.1 隔水巖體破裂突水

西部巖溶山區(qū)隧道通常具有強巖溶、強滲透壓、高地應力等特征，對于裂隙巖體，其突水類型通常為巖體高壓水力劈裂型，突水通道的形成機制主要表現(xiàn)為高壓裂隙水作用下巖體裂隙的擴展、貫通直至破裂的漸進過程.從斷裂力學角度出發(fā)，主要有拉剪破壞或壓剪破壞兩種.在含裂紋的巖體模型中，閉合裂紋受遠場地應力σ1和σ3的作用，裂紋與最大主應力σ1之間的夾角為α，裂紋內(nèi)作用巖溶孔隙水壓力Pw，假定水壓力沿裂紋各個方向作用力相等[7].

當裂紋法向應力σn為拉應力時，裂隙巖體發(fā)生拉剪破壞的突水模式，屬斷裂力學中I,II型復合型裂紋問題.當裂紋法向應力σn為壓應力時，裂紋在壓應力作用下將發(fā)生閉合壓緊、剪切擴容的過程，閉合后的裂紋均勻接觸并能傳遞正應力和剪應力，裂紋上的有效剪應力剪切破壞導致裂隙巖體發(fā)生壓剪破壞突水.相應的突水判據(jù)如下[7].

拉剪破壞突水判據(jù)

壓剪破壞突水判據(jù)

式中，P為水壓力，σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，α為裂紋與最大主應力σ1之間的夾角，φ為裂紋面上的內(nèi)摩擦角，KIIC為巖石壓縮狀態(tài)II型斷裂韌度值.KI為I型斷裂韌度值.

若假設巖體完整性好，裂隙亦不發(fā)育，可將隔水巖體視為巖柱、巖板結(jié)構(gòu)，將發(fā)生擠壓剪切破壞型突水.對于層狀隧道的突水模型，李利平[8]建立了隔水巖體失穩(wěn)的尖點突變和雙尖點突變模型.

2.1.1 尖點突變模型

根據(jù)隔水巖體與隧道的空間位置關(guān)系，建立了災害源--隔水巖體系統(tǒng)簡化模型，見圖2.

圖2 含水構(gòu)造--隔水巖體系統(tǒng)簡化模型[8]Fig.2 A simplifie model of water-bearing structure and water-proof rock mass[8]

根據(jù)隔水巖體邊界的力學約束條件(圖2中①②③處巖性條件)，可將隔水巖體視為硬巖--硬巖--硬巖、硬巖--軟巖--硬巖、硬巖--硬巖--破碎巖、硬巖--硬巖--軟巖四類[7].應用突變理論，推導得出了災害源--隔水巖體系統(tǒng)失穩(wěn)突水的判別條件如下.

硬巖--硬巖--硬巖

硬巖--軟巖--硬巖

硬巖--硬巖--破碎

硬巖--硬巖--軟巖

式中，L為隔水巖體跨距，h為隔水巖體厚度，E為隔水巖體彈性模量，I為隔水巖體慣性矩，N為邊界約束力，p為支護力，q巖溶水壓均布荷載.

2.1.2 雙尖點突變模型

對于隔水性能較好的隔水巖體，由于不存在明顯的滲流災變過程，高水壓作為主要荷載是導致隔水巖體破斷的主要源動力，開挖、爆破等外力干擾是主要的誘發(fā)因素.此時，動力學模型如圖3所示，相應的動力失穩(wěn)判據(jù)為

式中，k0為阻尼比；a和Ω0分別為隔水巖體結(jié)構(gòu)系數(shù)和自振頻率；F為隔水巖體振幅、自振頻率等的函數(shù)；p為隔水巖體頻率、結(jié)構(gòu)系數(shù)等的函數(shù).

圖3 隔水巖體動力學模型[7]Fig.3 Dynamical model of water-proof rock mass[7]

2.2 最小安全厚度

隧道掌子面發(fā)生突水的隔水巖體最小安全厚度主要由三部分構(gòu)成：掌子面附近巖體擾動區(qū)、開挖方向附近巖體破壞區(qū)與兩區(qū)之間的完整巖體保護區(qū)，其力學模型[7]如圖4，安全厚度計算公式為

式中，hs為巖石保護厚度；h1為施工引起的松弛厚度區(qū)；h3為裂隙帶區(qū)，物探和鉆探方法確定；KIC為巖石斷裂韌度；pw為裂隙水壓.

圖4 掌子面前方隔水巖體最小安全厚度Fig.4 The minumum safety thickness of water-proof rock mass in the front of tunnel face

2.3 充填結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突水

對于寬大裂隙、斷層、巖溶管道等充填型不良地質(zhì)構(gòu)造，其內(nèi)部充填介質(zhì)的滲流災變導致突水通道形成，出如斷層活化突水、巖溶管道充填物滲透失穩(wěn)突水等，即為充填結(jié)構(gòu)失穩(wěn)突水.從充填物的滲透特性來看，可將突水模式分為兩大類，即充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)與充填體的滑移失穩(wěn)突水.

2.3.1 充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)

對于強滲透性充填型地質(zhì)構(gòu)造，當附近存在大型災害源時，充填構(gòu)造就成為突水的優(yōu)勢通道.在強滲透壓力與開挖擾動作用下，地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的充填介質(zhì)被不斷潛蝕，根據(jù)屬性的不同可發(fā)生管涌、流土等失穩(wěn)現(xiàn)象.當力學狀態(tài)滿足一定條件時，地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的充填物被迅速沖跨形成突水通道，比如滲透性較好的夾層充填結(jié)構(gòu)、裂縫充填結(jié)構(gòu)以及充填型斷層、巖溶管道等等.強滲流作用下充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)力學模型見圖5和圖6.

圖5 充填型扁狀巖溶管道滲流的力學效應[8]Fig.5 Mechanical ef f ect of seepage characteristics for flat-shap karst conduit[8]

圖6 充填型圓狀巖溶管道滲流的力學模型[8]Fig.6 Mechanical model of seepage characteristics for circular karst conduit[8]

2.3.2 充填體的整體滑移

對于弱透水或不透水的充填型地質(zhì)構(gòu)造，當附近存在大型災害源時，充填構(gòu)造具有阻水和充水雙重特征，其充水性能受地質(zhì)構(gòu)造運動、地下水徑流條件、管道空間形狀、充填介質(zhì)屬性以及水壓大小等多種條件與因素的控制和影響.對于比較穩(wěn)定的充填結(jié)構(gòu)，其充填物呈密實、非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)中不存在潛在突水通道的形成條件，其透水性比較差甚至完全不透水，具有很高的阻水性能.這種結(jié)構(gòu)發(fā)生整體滑移失穩(wěn).強滲流作用下充填體滑移失穩(wěn)突水模型如圖7.

充填物處于平衡狀態(tài)時的力學表達式為

式中，D為充填物厚度，β為充填物傾角，L為充填物長度，K0為安全系數(shù)，γ0為充填物重度，γw為水的重度，φ為內(nèi)摩擦角，c為內(nèi)聚力.左側(cè)為抗滑力F抗，右側(cè)為致滑力F致，若取安全系數(shù)為K=F抗/F致，則當K＜1時，巖溶管道充填物滑移失穩(wěn)，發(fā)生突水；K=1時，充填物處于極限平衡狀態(tài)，輕微擾動將誘發(fā)突水；K＞1時，巖溶管道充填物保持穩(wěn)定，不會發(fā)生突水.

圖7 充填物滑移失穩(wěn)力學模型[8]Fig.7 Mechanical model of slippage failure of fillin materials[8]

3 隧道突水致災機理發(fā)展動態(tài)分析

3.1 突水災害源賦存規(guī)律與災變特征發(fā)展趨勢

巖溶地層經(jīng)常賦存有大量突水地質(zhì)災害源，可將其劃分為溶洞溶腔型、斷裂構(gòu)造型及巖溶管道型三類，如充水溶洞、富水溶腔以及夾泥斷層等，其規(guī)模大小與充填性質(zhì)決定突水的災害量級.對于巖溶管道型災害源，巖溶地層巖性較純、單層厚度較大的灰?guī)r和白云巖易發(fā)育大型巖溶管道或暗河系統(tǒng)，且水量充沛，儲存大量勢能.溶洞溶腔型災害源則往往儲蓄大量靜態(tài)水[9-10]，瞬間突涌水量較大.斷裂構(gòu)造型災害源則主要發(fā)育在斷層破碎帶、巖性接觸帶等中，尤其是大斷裂帶和區(qū)域性斷層，極易形成大型突水通道.突水災害源具有高水壓、大體量特征，其充填儲能特性與能量釋放過程極其復雜.目前研究大多局限于地質(zhì)認識層面，缺乏對其儲能、釋放等災變模式的系統(tǒng)研究[11-14].

實質(zhì)上，突水災害源是由固、液、氣三相混合體組成的復雜介質(zhì)系統(tǒng)，尤其是深部災害源固液氣三相混合特征更加顯著，具有明顯的高壓、大體量和三相混合充填特征，釋能模式和災變特征趨于復雜.如溶洞溶腔，內(nèi)部通常充滿大量水和泥砂等充填物，其頂部可能存在氣體，若內(nèi)部壓力很高，一旦施工揭露便誘發(fā)地下水、淤泥以及氣體大量噴薄涌出[15-16]，發(fā)生大型突水災害.此外，巖溶管道水在快速流中也夾雜大量氣體和固相物質(zhì)，突水過程實質(zhì)上是固液氣三相介質(zhì)耦合演化過程.總體來講，災害源體內(nèi)氣體以兩種方式存在，一是降雨時通過包氣帶雨水滲入；二是季節(jié)性水位變化上升將溶洞內(nèi)空氣封存，或地下水位下降出水口處于半管狀態(tài)時吸入空氣.

隧道突涌水是儲存能量釋放的過程.若溶洞等災害源充滿水和泥砂，儲能特征明顯，一旦突然涌入洞內(nèi)則溶洞頂部瞬間形成負壓效應，溶洞周圍巖體賦存的水和氣體被快速吸入洞內(nèi)置換.若溶洞等大體積災害源頂部封存有空氣，且具有壓力，則初期會助推充填的水和泥砂涌入隧道，之后形成負壓再轉(zhuǎn)化至平衡狀態(tài).

以往研究通常將其視為固液兩相混合體，未考慮釋能過程和災變演化過程中氣體影響.因此，如何通過深部充填型溶洞溶腔、斷裂構(gòu)造型和巖溶管道重大災害源賦存規(guī)律與儲能特性的研究，揭示釋能過程中固液氣三相體的置換機制，建立高壓大體量災害源儲能與釋放的災變模式，對于重大突水涌泥災害發(fā)生條件與影響因素的認識具有重要的地質(zhì)基礎(chǔ)與理論意義.

3.2 突水通道孕育過程耦合演化機理發(fā)展動態(tài)

突水災害源進入優(yōu)勢突出通道后轉(zhuǎn)化為災變體，突出通道的形成實質(zhì)上是災變體固液氣耦合演化過程，通常表現(xiàn)為兩種演化模式，即高壓水力劈裂突水和充填介質(zhì)失穩(wěn)突水[17-20]，后者更易形成瞬間噴薄式高壓大體量突水災害.但以往研究多集中在水力劈裂的流固耦合效應上，對充填型通道形成過程中災害源多物質(zhì)遷移與流態(tài)轉(zhuǎn)換機制認識不清，尤其是對于充填介質(zhì)從固態(tài)到流塑態(tài)再向多相流轉(zhuǎn)化的機制，尚無合理反映混合流動多介質(zhì)耦合特性的表征方法，難以有效分析和描述突水通道形成過程及其對隔水阻泥結(jié)構(gòu)的影響.

在數(shù)值模擬方面，相關(guān)研究大多基于有限差分法、有限體積法、離散單元法等商業(yè)程序，通常采用彈塑性、斷裂和損傷模型，引入介質(zhì)斷裂、損傷判斷準則分析通道孕育演化的滲流--損傷行為，通過判斷塑性區(qū)或變形引起滲透性改變來定義廣義突水通道[21-25]，見圖8.此外，顆粒流數(shù)值方法可以較好反映涌泥的演化過程，見圖9，在跟蹤洞內(nèi)水體和顆粒堆積物動態(tài)變化方面具有優(yōu)勢[26-27].而關(guān)于突水過程中固液氣耦合仿真的研究尚一直未見相關(guān)報道.圖9中顆粒代表充填結(jié)構(gòu)內(nèi)部的充填介質(zhì)，其中藍色顆粒表示充填介質(zhì)在滲流作用下的可動顆粒.由圖9可知，藍色顆粒在滲流作用下逐漸向模型上部移動，表明充填介質(zhì)在滲流作用下發(fā)生失穩(wěn)，可動顆粒逐步流失，并最終導致充填物的失穩(wěn)突水.

圖8 滲流--損傷誘發(fā)突水通道形成的災變演化圖[8]Fig.8 Evolution process of water-inrush passage induced by coupling seepage-damage ef f ect[8]

圖9 充填介質(zhì)滲透失穩(wěn)突水過程模擬分析[27]Fig.9 Simulation analysis of water-inrush process induced by seepage failure[27]

在室內(nèi)試驗與物理模擬研究方面，前者仍局限于巖體兩相耦合性能測試，如剪切滲流耦合試驗、瓦斯吸附試驗等.相似模型試驗方面取得一定進展，在固液、固氣耦合相似試驗上突破了相似材料崩解、監(jiān)測技術(shù)親水性等一系列技術(shù)難題.近些年來，山東大學、中國礦業(yè)大學等[28-33]等針對上述問題開展了大量研究，先后研制PSTO型、SCVO型和CBCS型等多種流固耦合相似材料，可滿足巖石密度、強度與滲透性的相似模擬；研制了多套適合礦山、隧道及水電站工程的大型二維和三維流固耦合試驗系統(tǒng)，可用于不同工況下地下工程突水的物理模擬.先后完成青島膠州灣海底隧道涌水量預測、東龐礦巖溶陷落柱涌水等一系列流固耦合相似模型試驗.同時，在試驗系統(tǒng)方面，研發(fā)了水體自動布設、溶腔自溶生成等試驗工藝，通過增設滾珠式滑動墻、玻璃觀察窗以及內(nèi)窺裝置等方法，提高了試驗的真實性和可視化程度，推動了突涌水相似模型試驗技術(shù)的進步.但對于突涌水過程的固液氣耦合模擬，一直存在多相體耦合相似材料、注氣抽放模擬工藝等一系列難以解決的技術(shù)難題，極大程度上制約和限制了模擬的真實性和試驗的可靠性.

總而言之，巖體結(jié)構(gòu)的固液氣耦合機制極其復雜，其演化特性更難以尋求合理的數(shù)學表征關(guān)系，大多通過固氣液三相耦合數(shù)學模型分析多相體系的作用機制，包括三相體相互作用的物理化學過程、動力學演化過程等，且多集中在煤瓦斯共采和油氣開采等方面[33-34]，尚沒有關(guān)注突水涌泥災變演化過程中水、泥、氣等混合體相互作用機制的研究，其固態(tài)向流塑態(tài)轉(zhuǎn)換、滲透失穩(wěn)模式以及多相體流動特性極其復雜.此外，在固液氣三相介質(zhì)物理模擬試驗方面[35-38]，煤、水、瓦斯三相介質(zhì)耦合作用試驗和MSW固液氣相互作用試驗初步取得了成功，在介質(zhì)耦合特征提取、耦合邊界條件處理以及試驗水注氣封工藝等方面，為深長隧道突水涌泥過程固氣液耦合物理模擬試驗提供了有益的借鑒和參考.

突水通道的孕育演化是外力擾動下充填介質(zhì)固氣液三相體的相互作用過程，其災變演化過程難以準確描述.因此，如何有效分析并掌握充填介質(zhì)的力學特性與滲流特征，建立可描述突涌水孕育過程中多相物質(zhì)遷移與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分析方法，揭示突水通道形成過程中充填介質(zhì)的耦合模式與流態(tài)演化規(guī)律，為突水災害狀態(tài)判斷、前兆信息提取以及預警閾值的確定提供合理的理論支撐，對深長隧道突水災害預測預警具有重要的意義.

3.3 隔水阻泥結(jié)構(gòu)破裂形成突水通道發(fā)展動態(tài)

通常來講，突水通道中災變體水泥氣涌入隧道的最后一道屏障即隔水阻泥結(jié)構(gòu)，其安全厚度大小直接決定災害發(fā)生與否.實質(zhì)上，隔水阻泥結(jié)構(gòu)兩端分別受災變體動力沖擊和施工擾動作用，其破壞具有明顯的動力特征.以往研究多側(cè)重于隔水阻泥結(jié)構(gòu)的流固耦合效應與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，大多局限于靜力學范疇，較少考慮動力破壞參數(shù)，大多將隔水阻泥結(jié)構(gòu)視為單純結(jié)構(gòu)體，采用結(jié)構(gòu)力學、斷裂力學等推算失穩(wěn)判據(jù)與最小安全厚度值，諸如止水巖柱受拉破壞、裂隙面受剪破壞、裂隙水力擴張破壞以及關(guān)鍵巖塊失穩(wěn)等分析方法[39-41].

然而，上述方法均未有效考慮突水過程中隔水阻泥巖體結(jié)構(gòu)應力與滲流耦合損傷效應，忽略了開挖、災變體動力沖擊等影響，無法反映隔水阻泥結(jié)構(gòu)漸進破壞過程.相關(guān)研究表明[42]，隔水阻泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不但與自身性質(zhì)、水壓、地應力等巖體參數(shù)有關(guān)，還受爆破等動載的影響，尤其是滯后性突水災害.但由于隔水阻泥結(jié)構(gòu)破壞動態(tài)演化的復雜性，其動力失穩(wěn)準則參數(shù)的確定方法仍未獲得突破，動力失穩(wěn)判據(jù)與安全厚度計算方法仍涉及較多難以直接獲取和推演的力學參數(shù)，諸如損傷破壞區(qū)、滲透突跳系數(shù)以及動載頻率等，少有的動力判據(jù)與安全厚度確定方法無法直接應用工程實際，缺乏有效描述隔水阻泥結(jié)構(gòu)漸進性破裂演化與突涌水通道形成的分析方法，尚不能真正應用到實際工程突水災害的預測和預警.

因此，研究隔水阻泥結(jié)構(gòu)突水破裂通道形成過程中圍巖應力、位移和滲流多場信息的演化規(guī)律，提出其動力失穩(wěn)的啟動條件、演化模式與破壞形態(tài)，最終建立隔水阻泥結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)啟動、狀態(tài)演化與破裂口形成的分析方法，有效確定突水動力判據(jù)與安全厚度，對于深長隧道突涌水災害防治具有重要的科學意義與工程價值.

4 總結(jié)與展望

綜上所述，研究人員應用斷裂力學分析了隔水巖體高壓水力劈裂的破壞條件，建立了隔水巖體破壞的尖點突變和雙尖點突變力學模型，提出了高壓水力劈裂、巖柱巖板結(jié)構(gòu)剪切斷裂的突水判據(jù).對于隔水巖體的防突厚度，建立了由掌子面附近巖體擾動區(qū)、開挖向附近巖體破壞區(qū)與兩區(qū)之間的完整巖體保護區(qū)組成的最小安全厚度分析方法.此外，建立了強滲流作用下充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)力學模型和充填體滑移失穩(wěn)突水模型.

隧道高壓大型突涌水災害難以遏制的根本原因在于極端復雜的災害源特性及其動力災變演化過程.今后需對以下幾個方面進行系統(tǒng)深入的研究：(1)災害源固液氣三相置換機制與釋能模式；(2)突水通道多相物質(zhì)遷移與流態(tài)演化規(guī)律；(3)隔水阻泥結(jié)構(gòu)動力災變演化機理；(4)突水通道破裂形成過程的模擬分析方法等.

1 李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳等.隧道施工超前地質(zhì)預報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.巖石力學與工程學報，2014，33(6)：1090-1113(Li Shucai,Liu Bin,Sun Huaifeng,et al.State of art and trend of advanced geological prediction in tunnel construction.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(6)：1090-1113(in Chinese))

2 李術(shù)才，李樹忱，張慶松等.巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預報研究.巖石力學與工程學報，2007，26(2)：217-225(Li Shucai，Li Shuchen，Zhang Qingsong,et al.Forecast of karst-fractured groundwater and defective geological conditions.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2)：217-225(in Chinese))

3 李術(shù)才，薛翊國，張慶松等.高風險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災害綜合預報預警關(guān)鍵技術(shù)研究.巖石力學與工程學報，2008，27(7)：1297-1307(Li Shucai,Xue Yuguo,Zhang Qingsong,et al.Key technology study on comprehensive prediction and earlywarning of geological hazards during tunnel construction in highrisk karst areas.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(7)：1297-1307(in Chinese))

4 Li LP,Lei T,Li SC,et al.Risk assessment of water inrush in karst tunnels and software development.Arabian Journal of Geosciences, 2014,8(4)：1843-1854

5 Li,LP,Zhou,ZQ,Li,SC,et al.An attribute synthetic evaluation system for risk assessment of floo water inrush in coal mines.Mine Water and the Environment,2015,34(3)：288-294

6 Li LP,Lei T,Li SC,et al.Dynamic risk assessment of water inrush in tunnelling and software development.Geomechanics and Engineering,2015,9(1)：57-81

7 李利平，李術(shù)才，張慶松.巖溶地區(qū)隧道裂隙水突出力學機制研究.巖土力學，2010，31(2)：523-528(Li Liping,Li Shucai,Zhang Qingsong.Study of mechanism of water inrush induced by hydraulic fracturing in karst tunnels.Rock and Soil Mechanics,2010, 31(2)：523-528(in Chinese))

8 李利平.高風險巖溶隧道突水災變演化機制及其應用研究.[博士論文].濟南：山東大學，2009(Li Liping.Study on catastrophe evolution mechanism of karst water inrush and its engineering application of high risk karst tunnel.[PhD Thesis].Jinan：Shandong University,2009(in Chinese))

9 林傳年，李利平，韓行瑞.復雜巖溶地區(qū)隧道涌水預測方法研究.巖石力學與工程學報，2008，27(7)：1469-1476(Lin Chuannian,Li Liping,Han Xingrui.Research on forecast method of tunnel water inrush in complex karst areas.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(7)：1469-1476(in Chinese))

10 王國斌.滬蓉西高速公路烏池壩巖溶隧道涌水成災機理研究.[博士論文].武漢：中國地質(zhì)大學，2012(Wang Guobin.Study on catastrophe evolulion mechansim of karst water inrush in Wuchiba Tunnel of Hurong Expressway.[PhD Thesis].Wuhan：China University of Geosciences,2012(in Chinese))

11 Zhao H,Ma F,Guo J.Regularity and formation mechanism of largescale abrupt karst collapse in southern China in the firs half of 2010.Natural Hazards,2012,60(3)：1037-1054

12 郭純青.中國巖溶生態(tài)水文學.北京：地質(zhì)出版社，2007(Guo Chunqing.China Karst Ecological Hydrology.Beijing：Geological Publishing House,2007(in Chinese))

13 He KQ,Yu GM,Lu YR.Palaeo-karst collapse pillars in northern China and their damage to the geological environments.Environmental Geology,2009,58(5)：1029-1040

14 王遇國.巖溶隧道突水災害與防治研究.[博士論文].北京：中國鐵道科學研究院，2010(Wang Yuguo.Study on scourge and preventian of karst tunnel water inrush.[PhD Thesis].Beijing：China Academy of Railway Sciences,2010(in Chinese))

15 聶志凌.水壓充填型巖溶隧道突水機理及襯砌結(jié)構(gòu)力學特性研究.[碩士論文].成都：西南交通大學，2009(Nie Zhiling.Analys for water burst mechanism and study on mechancal features of tunnel lining in water fillekarst area.[Master Thesis].Chengdu：Southwest Jiaotong University,2009(in Chinese))

16 呂濤.基于流固耦合巖溶管道對水工隧洞圍巖影響數(shù)值分析研究.[碩士論文].重慶：重慶交通大學，2011(LTao.Numerical simulation of the influenc of karst pipeline on hydraulic tunnels surrounding rock based on the fluid-soli coupling.[Master Thesis]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University,2011(in Chinese))

17 馬棟.深埋巖溶對隧道安全影響分析及處治技術(shù)研究.[博士論文].北京：北京交通大學，2012(Ma dong.Study on impact mechanism of deep buried karst to tunnel safety and the treatment technique.[PhD Thesis].Beijing：Beijing Jiaotong University,2012(in Chinese))

18 Tang JH,Bai HB,Yao BH,et al.Theoretical analysis on water-inrush mechanism of concealed collapse pillars in floo.Mining Science and Technology(China),2011,21(1),57-60

19 孫玉杰.裂隙巖體滲流應力耦合機制研究及突水數(shù)值模擬.[博士論文].武漢：長江科學院，2009(Sun Yujie.Study on the coupling mechanism of stress and fluifl w in fractured rock mass and the numerical simulation of the sudden infl w of water.[PhD Thesis].Wuhan：Changjiang River Scientiffic Research Institute of Changjiang Water Resources Commission,2009(in Chinese))

20 He K,Zhang S,Wang F,et al.The karst collapses induced by environmental changes of the groundwater and their distribution rules in North China.Environmental Earth Sciences,2010,61(5)：1075-1084

21 李利平，李術(shù)才，石少帥等.巖體突水通道形成過程中應力--滲流--損傷多場耦合機制.采礦與安全工程學報，2012，29(2)：232-238(Li Liping,Li Shucai,Shi Shaoshuai,et al.Multi-fiel coupling mechanism of seepage damage for the water inrush channel formation process of coal mine.Journal of Mining&Safety Engineering, 2012,29(2)：232-238(in Chinese))

22 李連崇，唐春安，梁正召等.含斷層煤層底板突水通道形成過程的仿真分析.巖石力學與工程學報，2009，02：290-297(Li Lianchong,Tang Chun’an,Liang Zhengzhao,et al.Numerical analysis ofpathwayformationofgroundwaterinrushfromfaultsincoalseam floo.Chin J Rock Mech Eng,2009,02：290-297(in Chinese))

23 Shi SS,Li SC,Li LP,et al.Multi-physical fiel information comprehensive analysis and application of tunnel water-bearing structure.International Journal of Environment and Pollution,2013,51(3)：156-165

24 李利平，李術(shù)才，石少帥等.基于應力--滲流--損傷耦合效應的斷層活化突水機理研究.巖石力學與工程學報，2011，30(S1)：3295-3304(Li Liping,Li Shucai,Shi Shaoshuai,et al.Water inrush mechanism study of fault activation induced by coupling ef f ect of stress-seepage-damage.Chin J Rock Mech Eng,2011,30(S1)：3295-33043(in Chinese))

25 Shi TT,Chen ZH,Luo ZH,et al.Mechanism of groundwater bursting in a deep rock salt mine region：a case study of the Anpeng Trona and Glauber Mines,China.Environmental Earth Sciences, 2013,68(1)：229-239

26王媛，陸宇光，倪小東等. 深埋隧洞開挖過程中突水與突泥的機理研究.水利學報，2011，42(5)：595-601(Wang Yuan,Lu Yuguang,Ni Xiaodong,et al.Study on the mechanism of water inrush and mud in the process of excavation of deep tunnel.Journal of Hydraulic Engineering,2011,42(5)：595-601(in Chinese))

27 周宗青.隧道充填型致災構(gòu)造突水突泥災變演化機理及工程應用.[博士論文].濟南：山東大學，2016(Zhou Zongqing.Evolutionary mechanism of water inrush through fillin structures in tunnels and engineering applications.[PhD Thesis].Jinan：Shandong University,2016(in English))

28 李術(shù)才，周毅，李利平等.地下工程流--固耦合模型試驗新型相似材料的研制及應用.巖石力學與工程學報，2012，31(6)：1128-1137(Li Shucai,Zhou Yi,Li Liping,et al.Development and application of a new similar material for underground engineering fluid solid coupling model test.Chin J Rock Mech Eng,2012,31(6)：1128-1137(in Chinese))

29 陳紅江，李夕兵，劉愛華等. 水下開采頂板突水相似物理模型試驗研究.中國礦業(yè)大學學報，2010，39(6)：854-859(Chen Honghong,Li Xibing,Liu Aihua,et al.Physical simulation modeling of roof water inrush in underwater mining.J China U Min Techno,2010,39(6)：854-859(in Chinese))

30 李利平，李術(shù)才，李樹忱等.松散承壓含水層下采煤的流固耦合模型試驗與數(shù)值分析研究.巖土工程學報，2013，35(4)：679-690 (Li Liping,Li Shucai,Li Shuchen,et al.Numerical analysis and fluid-soli coupling model tests of coal mining under loose confine aquifer.Chin J Geo Eng,2013,35(4)：679-690(in Chinese))

31 劉愛華，彭述權(quán)，李夕兵等.深部開采承壓突水機制相似物理模型試驗系統(tǒng)研制及應用.巖石力學與工程學報，2009，28(7)：1335-1341(Liu Aihua,Peng Shuquan,Li Xibing,et al.Development and application of similar physical model experiment system for water inrush mechanism in deep mining.Chin J Rock Mech Eng, 2009,28(7)：1335-1341(in Chinese))

32 李術(shù)才，宋曙光，李利平等.海底隧道流固耦合模型試驗系統(tǒng)的研制及應.巖石力學與工程學報，2013，32(5)：883-890(Li Shucai,Song Shuguang,Li Liping,et al.Development on subsea tunnel model test system for solid-flui coupling and its application.Chin J Rock Mech Eng,2013,32(5)：883-890(in Chinese))

33 張時音.煤儲層固--液--氣相間作用機理研究.[博士論文].徐州：中國礦業(yè)大學，2009(ZhangShiyin.Studyontheinteractionmechanism of solid-liqiud-gas in coal reservoir.[PhD Thesis].Xuzhou：China University of Mining and Technology,2009(in Chinese))

34 陳小奎.煤層水力壓裂三相耦合數(shù)值模擬研究.[碩士論文].合肥：安徽理工大學，2008(Chen Xiaokui.Numerieal simulation of coal seam hydraulie fraeturing three phases coupling researeh. [Master Thesis].Hefei：Anhui University of Science&Technology, 2008(in Chinese))

35 Bai H,Ma D,Chen Z.Mechanical behavior of groundwater seepage in karst collapse pillars.Engineering Geology,2013,164：101-106

36 曹建濤，來興平，張坤等.急斜煤層綜放開采中固--液--氣耦合作用模擬試驗.煤炭科學技術(shù)，2010(2)：6-9(Cao Jiantao,Lai Xingping,Zhang Kun,et al.Simulation exper iment on solid-liquid -gas coupling function in fully mechanized top coal caving mining in steep inclined seam.Coal Science and Technology,2010(2)：6-9 (in Chinese))

37 謝焰.城市生活垃圾固液氣耦合壓縮試驗和理論研究.[博士論文].杭州：浙江大學，2006(Xie Yan.One-dimensional compression theory based on solid-liquid-gas interactions of municipal solid waster.[PhD Thesis].Hangzhou：Zhejiang University,2006(in Chinese))

38 Du Z,Guo X,Zhang Y,et al.Gas-liquid-solid coupled fl w modeling in fractured carbonate gas reservoir with high H2S-content//International Oil Conferenceand ExhibitioninMexico.Society of Petroleum Engineers,2006

39 孫謀，劉維寧.高風險巖溶隧道掌子面突水機制研究.巖土力學，2011，32(4)：1175-1180(Sun Mou,Liu Weining.Research on water inrush mechanism induced by karst tunnel face with high risk.Rock Soil Mech,2011,32(4)：1175-1180(in Chinese))

40 曹茜.巖溶隧道與溶洞的安全距離研究.[碩士論文].北京：北京交通大學，2010(Cao Qian.Study on safe thickness for roek between tunnel and karst cave in karst region.[Master Thesis].Beijing：Beijing Jiaotong University,2010(in Chinese))

41 Wang X,Wang M,Zhang M,et al.Theoretical and experimental study of external water pressure on tunnel lining in controlled drainage under high water level.Tunnelling and Underground Space Technology,2008,23(5)：552-560

42 左宇軍，李術(shù)才，秦泗鳳等.動力擾動誘發(fā)承壓水底板關(guān)鍵層失穩(wěn)的突變理論研究.巖土力學，2010，31(8)：2361-2366(Zuo Yujun,Li Shucai,Qin Sifeng,et al.A catastrophe model for floo water-resisting key stratum instability induced by dynamic disturbance.Rock Soil Mech,2010,31(8)：2361-2366(in Chinese))

MECHANICAL MECHANISM AND DEVELOPMENT TREND OF WATER-INRUSH DISASTERS IN KARST TUNNELS1)

Li Shucai?,2)Wang Kang?Li Liping?,?,3)Zhou Zongqing?Shi Shaoshuai?Liu Shang?

?(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University，Jinan250061，China)

?(Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Ministry of Land and Resources，Jinan250061，China)

The water-inrush disasters in karst tunnels are commonly characterized by strong outburst,high water pressure, mass fl w and multi-type,and its evolutionary process and dynamic instability is very complex and still unclear.The occurrence condition,criterion and safety thickness of dif f erent types of water inrushes are proposed,and the development trend of water inrush mechanism are analyzed in the present study.Firstly,the conception,type and three constituted elements of water inrush are introduced.Secondly,currently research achievements of mechanical mechanism and model, instability criterion and the minimum safety thickness of water inrush are summarized.Finally,the current situation and problems of water-inrush mechanism are analyzed from the point of the three constituted elements.The development trend and research are proposed,including(1)solid-liquid-gas replacement mechanism and energy-releasing pattern of the sources of water inrush disasters,(2)multiphase material migration and evolution law of fl w regime in water-inrushpassage,(3)dynamic catastrophe mechanism of water-proof structures,and(4)analysis method for simulating the formation of water-inrush passage.

karst tunnel，water-inrush，mechanical mechanism，development trend

U45

A doi：10.6052/0459-1879-16-345

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-12-03網(wǎng)絡版發(fā)表.

1)國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)(2013CB036000)、國家自然科學基金(51479106,51679131)、國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室開放基金(KF2015-4)、山東省自然科學基金(ZR2014EEM019)、中國博士后科學基金(2015M572039)和山東大學基本科研業(yè)務費專項資金(2016GN026)資助項目.

2)李術(shù)才，教授，主要研究方向：隧道突水突泥災害預報、預測預警理論與控制技術(shù).E-mail：lishucai@sdu.edu.cn

3)李利平，教授，主要研究方向：隧道突水突泥致災機理與預測預警技術(shù).E-mail：yuliyangfan@163.com

李術(shù)才，王康，李利平，周宗青，石少帥，柳尚.巖溶隧道突水災害形成機理及發(fā)展趨勢.力學學報,2017,49(1)：22-30 Li Shucai,Wang Kang,Li Liping,Zhou Zongqing,Shi Shaoshuai,Liu Shang.Mechanical mechanism and development trend of water-inrush disasters in karst tunnels.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：22-30