巖溶隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造評判方法研究

俞 劍

(中鐵十六局集團(tuán) 鐵運(yùn)工程有限公司， 河北 保定 074000)

隧道修建過程需穿越各類復(fù)雜地質(zhì)條件，引發(fā)突水、突泥、塌方、大變形等一系列災(zāi)害現(xiàn)象。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，突水、突泥約占到隧道各類災(zāi)害發(fā)生比例的30%，是隧道建設(shè)面臨的典型難題。其中，巖溶地層是突水、突泥的高發(fā)地層，具有水壓力大、突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍廣的特點(diǎn)[1-3]。因此，建立突水、突泥災(zāi)變判識方法對巖溶地區(qū)隧道安全建設(shè)具有重要意義。

針對巖溶隧道突水、突泥的誘發(fā)因素，錢七虎[4]指出工程影響因素主要包括開挖、巖爆、注漿等，地質(zhì)因素主要包括地下水、結(jié)構(gòu)面、巖層產(chǎn)狀、剝蝕面、地形地貌等。蓄水結(jié)構(gòu)是突水、突泥的關(guān)鍵物源條件，林傳年等[5]將巖溶隧道致災(zāi)構(gòu)造劃分為斷層巖溶蓄水形式、地下河與巖溶管道蓄水形式、裂隙巖溶蓄水形式、溶腔溶潭蓄水形式、層間巖溶蓄水形式、組合型蓄水形式等。羅雄文[6]進(jìn)一步將突水和突泥分開統(tǒng)計(jì)與分析，指出突水致災(zāi)構(gòu)造分為富水壓性斷層破碎帶、富水張性斷層帶、富水順層錯動破碎帶、充水巖溶和向斜儲水構(gòu)造。針對巖溶隧道突水、突泥的發(fā)生機(jī)制，李術(shù)才等[7]基于邊坡穩(wěn)定性分析的條分法原理，對隧道-巖溶充填物-巖溶管道進(jìn)行抽象概化，建立巖溶蓄水構(gòu)造內(nèi)部充填物的條分解析計(jì)算模型，推導(dǎo)巖溶蓄水構(gòu)造的最小安全厚度計(jì)算公式。針對巖溶隧道突水、突泥過程發(fā)生特征，何發(fā)亮等[8-9]按時(shí)間特性可分為突發(fā)性、滯后性和陣發(fā)性，空間特性包括涌水位置與隧道在巖溶地下水動力剖面分帶中的位置相關(guān)性。上述研究基本摸清了巖溶隧道突水、突泥的致災(zāi)機(jī)理及發(fā)生特征。

對于隧道突水、突泥災(zāi)害預(yù)測方法，工程地質(zhì)條件是基本的評估依據(jù)，地球物理勘探方法也較為常用，包括地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、地震波法等，可探明前方地層巖性與富水情況[10]。同時(shí)，一些數(shù)學(xué)分析方法也被引入突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估研究中，例如賴永標(biāo)[11]基于宜萬鐵路巖溶隧道及其他案例分析，建立隱伏溶腔隧道計(jì)算模型，將大型隱伏濟(jì)腔簡化為簡支梁、固支梁、懸臂梁、固支板以及懸臂板五種模型，以此推導(dǎo)出最小安全厚度公式。此外，孫謀等[12]基于突變理論建立折疊式突變模型，推導(dǎo)巖溶隧道掌子面巖層斷裂突水的臨界條件。總體而言，對巖溶隧道施工突水、突泥災(zāi)害研究多集中在災(zāi)變過程、地質(zhì)構(gòu)造特征及致災(zāi)機(jī)理、防控措施、致災(zāi)構(gòu)造明確前提下的解析預(yù)測等方面，而對突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造預(yù)報(bào)成套方法尚缺乏系統(tǒng)研究。

針對上述問題，本文提出一種集成地質(zhì)識別、物探解譯和鉆探揭露的突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造評判方法，并闡述上述各類方法的實(shí)施內(nèi)容及適用性，以及突水、突泥構(gòu)造在地質(zhì)識別、地質(zhì)雷達(dá)法等各類勘探手段中的典型判據(jù)。在此基礎(chǔ)上，以重慶石柱至黔江高速公路七曜山隧道為例，進(jìn)行隧道突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造的辨識，驗(yàn)證該方法的實(shí)用性。

1 巖溶隧道突水、突泥致災(zāi)機(jī)理

巖溶隧道突水、突泥現(xiàn)象的發(fā)生是大量水或泥水混合物等災(zāi)害物源積聚，巖溶地區(qū)內(nèi)部裂隙、溶洞、地下暗河等不良地質(zhì)構(gòu)造以及地下工程活動等因素綜合作用的結(jié)果。

1.1 災(zāi)害物源積聚

巖溶隧道突水、突泥災(zāi)害發(fā)生的首要因素是災(zāi)害源的不斷積聚，即水體或泥水混合物在氣候、地質(zhì)變化以及人為活動等因素的影響下不斷累積，為災(zāi)害的發(fā)生提供物源條件[13]。

災(zāi)害物源的積聚主要表現(xiàn)為：

(1) 在巖體的破碎帶中往往存在豐富的高水壓地下水，為突水現(xiàn)象的發(fā)生提供動力基礎(chǔ)。尤其在雨季期間，水壓驟然增加，發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象的可能性會迅速增大。

(2) 隧道中的斷層破碎帶，節(jié)理密集區(qū)等較薄弱區(qū)域存在較多的砂、碎石、塊石等角礫石，這些顆粒的黏聚力很低，在水力作用下極易形成散砂狀流體，產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，為突泥現(xiàn)象提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

因此，為了避免突水、突泥現(xiàn)象的產(chǎn)生，首先應(yīng)從災(zāi)害物源的角度出發(fā)，采取合理措施，降低或消除災(zāi)害物源的積聚現(xiàn)象。

1.2 不良地質(zhì)構(gòu)造

地下巖體中常常存在著不同形式的空隙含水層，例如松散沉積物孔隙、堅(jiān)硬巖層裂隙和巖溶結(jié)構(gòu)均會形成含水層[14]。上述空隙含水層的數(shù)量、尺寸、走向、貫通情況和分布特征會影響水體的分布和運(yùn)動特征。地下水對可溶沉積巖的軟化和溶蝕作用會造成含水圍巖的物理性質(zhì)發(fā)生改變，減弱巖體強(qiáng)度，降低其自穩(wěn)能力，甚至發(fā)生塌方事故，加劇地下空間工程突水、突泥現(xiàn)象的發(fā)生。因此，巖體的含水率越低，結(jié)構(gòu)越完整，其所能承受的水壓越大，越能更好地降低災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生概率。

1.3 地下工程活動

隧道的開挖工程使得圍巖應(yīng)力在一定程度上得以釋放，可能導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造原本的平衡狀態(tài)被打破，開挖面與積水空腔區(qū)域的距離、角度以及掌子面的開挖速度都會影響到水體或泥水混合物的壓力梯度，從而增加突水、突泥發(fā)生的可能性。

2 突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造評判方法

2.1 致災(zāi)構(gòu)造綜合評判方法

本文提出的巖溶隧道突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造綜合評判方法的實(shí)施流程如圖1所示。地質(zhì)識別提供先驗(yàn)信息，指導(dǎo)物探的實(shí)施和解譯，物探指導(dǎo)鉆探施工，地質(zhì)、物探、鉆探有機(jī)結(jié)合與相互印證，識別過程動態(tài)反饋。然后，依據(jù)隧道的地質(zhì)構(gòu)造特征與臨災(zāi)前兆信息、地球物理響應(yīng)特征及鉆探揭露結(jié)果，評判致災(zāi)構(gòu)造的類型、位置、規(guī)模和含水特性。

圖1 隧道突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造識別流程

2.2 地質(zhì)識別

(1) 地層巖性的不同會影響巖層溶解度。評判依據(jù)為巖溶發(fā)育程度隨著巖層溶解度的增大和溶蝕速率的加快不斷升高。

(2) 巖層傾角影響地下水補(bǔ)、徑、排和入滲條件。評判依據(jù)為巖層傾角25°～65°最有利于巖溶發(fā)育；10°～25°、65°～80°中等有利巖溶發(fā)育；80°～90°弱有利于巖溶發(fā)育；0°～10°微有利于巖溶發(fā)育。

(3) 巖層的組合效應(yīng)，例如可溶巖與非可溶巖接觸帶易發(fā)育大型巖溶。評判依據(jù)為隨著可溶巖層數(shù)量的增多，巖溶發(fā)育程度逐漸增強(qiáng)。

(4) 地質(zhì)構(gòu)造控制巖溶發(fā)育方向和規(guī)模。評判依據(jù)為巖溶在褶皺核部的發(fā)育概率大于翼部；背斜傾伏端、向斜撓起端容易發(fā)育巖溶；張性斷層相比壓性斷層容易發(fā)育巖溶，扭性斷層巖溶發(fā)育深度一般較大，往往形成大規(guī)模的溶洞和廊道。

(5) 地表形態(tài)、匯水面積等入滲條件影響著水源補(bǔ)給量，也會影響巖溶發(fā)育。評判依據(jù)為地表匯水面積和匯水量越大，溶溝、溶槽分布越密集，巖溶水下滲促使深部巖體溶洞溶腔強(qiáng)烈發(fā)育。

(6) 流動的地下水可以提供足夠的侵蝕性CO2，降低水中CaCO3濃度，使地下水有較大的溶蝕能力。評判依據(jù)為地下水運(yùn)動活躍部位，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；地下水運(yùn)動緩慢部位，巖溶發(fā)育較弱；地下水停滯部位，巖溶基本不發(fā)育。

當(dāng)隧道所處圍巖符合上述突水、突泥地質(zhì)孕災(zāi)條件時(shí)，前兆標(biāo)志一般包括：(1) 掌子面附近裂隙溢出泥質(zhì)充填物，或有水沿裂隙滲出，且水流中含有細(xì)小巖?；蛲亮?；(2) 鉆孔或炮孔中涌水量大幅增加，持續(xù)時(shí)間較長，且含泥沙或小礫石，水質(zhì)有清濁變化；(3) 巖層出現(xiàn)明顯的濕化和軟化，隧道壁有水滴附著或出現(xiàn)滲水、淋水現(xiàn)象。

2.3 物探解譯

物探解譯方法主要包括TSP地震波法、高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法等。其中，TSP地震波法根據(jù)地震波反射特性不同對突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造進(jìn)行判識，但其需要專門的炸藥，且分辨率低。地質(zhì)雷達(dá)法也稱為電磁波反射法，工作原理是當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的高頻短脈沖電磁波傳至被探測物體時(shí)，電磁波遵循反射定律，反射波由地質(zhì)雷達(dá)接收信號形成雷達(dá)圖像，原理如圖2所示。地質(zhì)雷達(dá)法具有快速無損、異常圖像直觀、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的短距離(15 m～30 m)預(yù)報(bào)。

圖2 雷達(dá)探測原理示意圖

地質(zhì)雷達(dá)法的解譯依據(jù)為雷達(dá)儀發(fā)射的高頻短脈沖電磁波在地質(zhì)體中的傳播速度和衰減率由巖石的導(dǎo)電特性所決定，并且對巖石類型的變化和裂隙含水情況異常敏感。在電磁波傳播過程中，當(dāng)遇到兩種介電常數(shù)不同的介質(zhì)分界面(如：界面、空洞、破碎帶等)時(shí)，可能使部分透射波反射。評判依據(jù)為當(dāng)電磁波反射波信號平靜，無明顯反射信號，能量呈正常衰減趨勢時(shí)，說明巖層完整；當(dāng)有明顯的電磁波反射信號，反射信號同相軸較連續(xù)，并且反射的電磁波信號較強(qiáng)，則可能存在不良地質(zhì)體。

2.4 鉆探揭露

鉆探揭露是獲取掌子面前方及隧洞周圍地質(zhì)信息的最直接方法。因此，為了使物探地質(zhì)解譯更加準(zhǔn)確，在通過地質(zhì)識別與物探識別確定含水構(gòu)造的大概位置分布后，還應(yīng)開展鉆探識別進(jìn)行鉆探揭露。鉆探判別依據(jù)包括：

(1) 當(dāng)鉆速快但破壞能低時(shí)，說明巖體質(zhì)軟、破碎；若鉆速突然加快，可能遭遇巖溶充填物或軟弱夾層；若破壞能突然增高，說明巖體強(qiáng)度變高；若鉆速與破壞能高低變化頻繁，說明巖體軟硬交替，巖性多變。

(2) 當(dāng)出現(xiàn)卡鉆時(shí)，說明圍巖破碎，多為裂隙發(fā)育的破碎帶；當(dāng)出現(xiàn)跳鉆時(shí)，說明圍巖含軟弱夾層，可能存在溶洞；當(dāng)出現(xiàn)坍孔時(shí)，一般為泥土、泥巖、碎屑巖等軟弱巖層，或?yàn)槌涮钚腿芏础?/p>

(3) 根據(jù)鉆孔出水量、水壓、水質(zhì)清濁來判斷掌子面前方含水體的壓力大小和連通情況。當(dāng)超前鉆探有突進(jìn)現(xiàn)象，且鉆孔開始向外噴水，鉆孔水壓較高、水量較大且持續(xù)時(shí)間長，說明致災(zāi)構(gòu)造中含有較高水壓，地下水靜儲量較大；若鉆孔涌水渾濁或時(shí)噴時(shí)停，且水中夾帶泥沙或礫石，說明該致災(zāi)構(gòu)造可能為大型充水充泥沙溶洞或地下河等大型巖溶致災(zāi)構(gòu)造，揭露后極易發(fā)生突水、突泥災(zāi)害。

3 案例應(yīng)用

3.1 七曜山隧道簡介

七曜山隧道為重慶石柱—黔江高速公路全線單洞最長的隧道，全長5 400 m，也是全線重點(diǎn)控制性工程，如圖3所示。該隧道位于重慶市石柱縣，存在穿越煤層瓦斯地段、巖溶、破碎斷裂帶等多種不良地質(zhì)。

圖3 七曜山隧道洞口

在七曜山隧道施工過程中，多點(diǎn)、多次發(fā)生較大型(1 000～10 000 m3/h)和特大型(>10 000 m3/h)突水、突泥，日均涌水量高達(dá)23 000 m3。以最具代表性的左洞Z4涌水點(diǎn)(K20+962)處第二次涌水為例，2018年6月12日8∶30開始出現(xiàn)突水、突泥，持續(xù)時(shí)長1 h 20 min，共計(jì)涌出量約10 000 m3；13∶27再次出現(xiàn)突水、突泥，持續(xù)時(shí)長40 min，涌出量約8 000 m3。涌出物呈黃褐色、棕紅色，部分夾帶有機(jī)質(zhì)(腐木)，含少量的碎石、砂石顆粒，此次突水、突泥后洞內(nèi)沉積物2 000 m3，如圖4所示。

圖4 Z4涌水點(diǎn)第2次突水、突泥

3.2 綜合地質(zhì)評判結(jié)果

在七曜山隧道突水、突泥災(zāi)變地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，遵循“地質(zhì)先行、貫穿全程、物鉆協(xié)作、補(bǔ)充印證、有機(jī)結(jié)合與動態(tài)反饋”原則。

3.2.1 地質(zhì)識別結(jié)果

以相關(guān)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合洞外地質(zhì)調(diào)查、示蹤試驗(yàn)等補(bǔ)充探測方法，獲得地質(zhì)識別結(jié)果。七曜山隧址區(qū)地層主要為碳酸鹽類巖層，巖溶發(fā)育條件良好。巖層傾角50°～70°，產(chǎn)狀穩(wěn)定，隧道洞身段巖層產(chǎn)狀310°～325°∠40°～63°，適合巖溶發(fā)育；隧址區(qū)背斜核部出露最老地層震旦系地層，兩翼由寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系及三疊系地層組成。根據(jù)2.2節(jié)地質(zhì)識別判據(jù)可知，巖層傾角越大，圍巖水壓越大，水力作用越強(qiáng)，隧址區(qū)巖層呈高陡傾狀產(chǎn)出，是致災(zāi)關(guān)鍵因素之一。七曜山位于老廠坪背斜北西翼與石柱向南東翼之間，地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，但洞身段巖層發(fā)育二組裂隙，導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育；地表匯水面積較大，雙岔河、夏秋水河河床中存在5個落水洞，1號落水洞如圖5所示，隧道地下水運(yùn)動活躍。根據(jù)土質(zhì)及級配分析，隧道突泥物與地表河底沉積物系同源物質(zhì)，且監(jiān)測發(fā)現(xiàn)突水對降雨反應(yīng)迅疾，說明隧道圍巖導(dǎo)水構(gòu)造貫通且與地表連通。

圖5 1號落水洞

3.2.2 物探解譯結(jié)果

采用地質(zhì)雷達(dá)法對七曜山隧道出口進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以里程為YK21+053處掌子面超前預(yù)報(bào)為例，預(yù)報(bào)范圍為YK21+073—YK21+057，共計(jì)預(yù)報(bào)16 m。當(dāng)前掌子面所揭露的圍巖主要為中-厚層狀灰?guī)r，巖體較破碎，裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，掌子面底部存在大量涌狀出水現(xiàn)象。地質(zhì)雷達(dá)測線分布如圖6所示，縱向測線1、2距掌子面4 m處存在積水情況，橫線測線3、4、5距隧道中線約4 m處存在涌狀出水情況，儀器無法探測。

圖6 七曜山隧道出口端右洞地質(zhì)雷達(dá)測線布置示意圖

此次七曜山隧道出口端右洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的部分地質(zhì)雷達(dá)波形圖如圖7所示。從圖7可以看出，電磁波反射強(qiáng)，同相軸錯斷，局部連續(xù)，信號振幅較強(qiáng)。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)雷達(dá)波形圖分析，推測里程段YK21+073—YK21+057范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況如下：測線2處的巖體較破碎，地下水發(fā)育，YK21+073—YK21+064段，深度2.5 m～10.5 m范圍內(nèi)可能存在巖溶、溶蝕裂隙發(fā)育；測線3所測2.5 m～6.0 m和12.5 m～17.5 m處裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育。結(jié)果表明隧道圍巖部分區(qū)域雷達(dá)反射信號振幅增強(qiáng)、同相軸連續(xù)性差，但波形狹窄、振蕩程度相對較低，說明巖溶含水介質(zhì)以溶蝕裂隙和小型巖溶管道為主，未形成大型的巖溶地下暗河系統(tǒng)，但是巖溶管道暢通[1]。

3.2.3 鉆探揭露結(jié)果

鉆探揭露時(shí)出現(xiàn)明顯的跳鉆現(xiàn)象，根據(jù)鉆探揭露的判別依據(jù)可知，圍巖含軟弱夾層或斷裂破碎帶和(充填型)溶洞，這為地下水的運(yùn)移網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成提供了先決條件。出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象的主要原因在于七曜山隧道主要發(fā)育二組裂隙，巖層交匯處巖溶發(fā)育，由此產(chǎn)生多處導(dǎo)水構(gòu)造；受斷裂構(gòu)造影響，巖溶管道沿構(gòu)造方向發(fā)育。因此，地表水沿落水洞、層面裂隙帶，向下徑流，流到構(gòu)造斷裂帶內(nèi)的巖溶管道后，沿巖溶管道排泄，隧道開挖揭露巖溶通道后容易引起突水、突泥現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 基于致災(zāi)構(gòu)造綜合評判方法的分析評價(jià)

通過本文提出的巖溶隧道突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造綜合評判方法和綜合地質(zhì)評判結(jié)果可知：七曜山隧道易發(fā)生“與地表相通的溶蝕裂隙型與巖溶管道型涌水”。其主因是受控于動態(tài)河水流入落水洞中，通過導(dǎo)水構(gòu)造、巖溶管道和巖層層面裂縫，流入隧道圍巖臨空面，發(fā)生突水、突泥；次因是導(dǎo)水構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將隧道周邊圍巖巖溶水靜儲量同歩導(dǎo)入掌子面，發(fā)生突水、突泥。綜上所述，隧道突水、突泥致災(zāi)構(gòu)造發(fā)育于一定的地質(zhì)環(huán)境條件下，其圍巖性質(zhì)、含水及充填情況具有獨(dú)特的地球物理響應(yīng)特征。因此，研究致災(zāi)構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律、地球物理響應(yīng)特征和鉆探揭露特征，確定其類型、位置和規(guī)模，對隧道安全快速施工具有重要的意義。

借助該綜合評判方法，較為準(zhǔn)確地判定出致災(zāi)構(gòu)造所在位置及其特點(diǎn)，通過對比多種突水、突泥防控措施的優(yōu)缺點(diǎn)，制定了“以排為主，新建泄水洞排水”的治理方案，極大地提高了隧道的排水能力，引排巖溶水一勞永逸，干凈徹底。同時(shí)，保障了隧道的施工質(zhì)量，減小了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié) 論

(1) 巖溶隧道突水、突泥一般是由災(zāi)害物源的不斷積聚、不良的地質(zhì)構(gòu)造和地下工程活動等因素綜合作用下引起的。本文提出一種有機(jī)結(jié)合地質(zhì)識別、物探解譯和鉆探揭露的隧道突水、突泥災(zāi)害預(yù)測方法，并提出了各類評判方法的指標(biāo)內(nèi)容及典型判據(jù)，建立了“地質(zhì)先行，貫穿全程，物鉆協(xié)作，補(bǔ)充印證，有機(jī)結(jié)合與動態(tài)反饋”的實(shí)施原則，能夠有效提高致災(zāi)構(gòu)造的識別準(zhǔn)確度。

(2) 采用本文方法成功識別出七曜山隧道巖層傾角多呈高陡傾狀產(chǎn)出，隧道圍巖溶蝕裂隙和小型巖溶管道發(fā)育，導(dǎo)水構(gòu)造密集且與地表連通，隧道圍巖水壓高且突泥物與地表沉積物同源。突水、突泥病害主要由與地表相通的溶蝕裂隙型與巖溶管道型涌水引起，降雨是該隧道突水、突泥突石的主要動力。相關(guān)成果為突水災(zāi)害預(yù)防和處置提供了有益依據(jù)，表明該方法具有一定的可靠性和實(shí)用性。