獅子山隧洞突涌介質(zhì)特性與致災(zāi)模式

李 勇，郝俊鎖，劉俊峰，趙明蕃

(1.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 豐潤 064000；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

1 研究背景

隨著“西部大開發(fā)”“一帶一路”等一系列國家決策的實施，水利和交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷向自然環(huán)境較為復(fù)雜的西部地區(qū)延伸。該地區(qū)修建深長隧洞不可避免地遇到高地應(yīng)力、高外水壓、富水?dāng)鄬拥雀鞣N不良地質(zhì)體，其中突水突泥是地下及隧道工程施工過程遇到的最嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害之一。

在施工過程中為避免人員傷亡和經(jīng)濟損失，從突泥突水致災(zāi)機理等方面開展深入研究，其目的是揭示災(zāi)害發(fā)生的本質(zhì)，為突泥突水災(zāi)害預(yù)測預(yù)警與工程治理提供理論技術(shù)支撐。學(xué)者與地下工程建設(shè)者針對突水突泥致災(zāi)機理、致災(zāi)構(gòu)造及識別方法進行了大量研究總結(jié)。研究主要偏向不良地質(zhì)體和地下水賦存方面，對致災(zāi)介質(zhì)特性在災(zāi)害形成過程中起到的作用研究較少，但也引起了學(xué)者的重視。例如，楊志剛等[1]通過建立充填介質(zhì)滑移失穩(wěn)力學(xué)模型并利用有限差分模擬軟件模擬巖溶管道在不同水壓力影響下隧道發(fā)生突水突泥的可能性，研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道突水突泥的致災(zāi)機理；項琴等[2]將隧道突泥涌水情景要素歸類為孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、驅(qū)動要素和承災(zāi)體，研究各要素的屬性參數(shù)；Wang等[3]研究突水突泥過程中充填介質(zhì)的水力特性,如被沖刷顆粒的總質(zhì)量、涌水量、孔隙率和滲透率,在自行設(shè)計的試驗系統(tǒng)中進行了一系列不同水壓、黏土含量和充填介質(zhì)干密度的試驗；仇文革等[4]基于能量原理對某地鐵隧道突水突泥災(zāi)變機理進行了分析；劉新有等[5]為分析了白云巖砂化特征，剖析白云巖砂化隧洞突泥涌水形成機理。隧洞施工是動態(tài)過程，致災(zāi)介質(zhì)體因開挖卸荷、爆破震動、應(yīng)力變化、地下水作用下等其物理力學(xué)性能、賦存狀態(tài)和條件發(fā)生改變，“介質(zhì)體活化”是難以預(yù)測預(yù)判的技術(shù)難題。

本文以滇中引水工程獅子山隧洞穿越P2β3地層向斜構(gòu)造突水突泥災(zāi)害為例，通過對突水突泥災(zāi)害演化-處治-穿越揭露情況總結(jié)分析，深入研究了突涌介質(zhì)的物質(zhì)組成、物源特點及運動特征、能量來源等基本特征，揭示了該地層突泥突水致災(zāi)根源是賦存高能量的“水-致災(zāi)介質(zhì)”所致。致災(zāi)介質(zhì)(物源)、賦存空間、致災(zāi)動力(能量源)、突涌通道等是致災(zāi)控制關(guān)鍵要素，通過超前預(yù)處理措施改變致災(zāi)介質(zhì)性能，消除其致災(zāi)能量，可避免和預(yù)防突水突泥災(zāi)害發(fā)生，為類似不良地質(zhì)工程防突提供理論支持和技術(shù)借鑒。

2 突水突泥演化與致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造

2.1 工程概況

滇中引水工程獅子山隧洞[6]位于云南省大理市，全長29.420 km。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越烏龍壩向斜核部，埋深約533 m。該段地層以P2β3致密狀玄武巖夾凝灰?guī)r為主。設(shè)計為馬蹄形洞型，斷面尺寸9.2 m×9.2 m；Ⅴ類開挖采用兩臺階法；拱部90°范圍設(shè)置Ф42 mm小導(dǎo)管，間距0.3 m，長度4.5 m，搭接1.5 m；初期支護采用I18鋼支撐，間距0.8 m，噴射C20混凝土，厚20 cm；0.5 m厚C35鋼筋混凝土襯砌。

2.2 綜合地質(zhì)分析

2.2.1 開挖揭示地質(zhì)情況

2.2.1.1 工程地質(zhì)

突泥突水段采取帷幕注漿+注漿大管棚處治后，開挖揭示DLII30+745—695段突涌段位于烏龍壩向斜構(gòu)造核部轉(zhuǎn)折部，穿越地層為致密P2β3杏仁狀玄武巖(Rb=80～100 MPa)、凝灰質(zhì)玄武巖(Rb=25～30 MPa)夾凝灰?guī)r條帶(Rb=3～7 MPa)為主。其中，DLII30+732—720段12 m為凝灰?guī)r，如圖1所示。圍巖傾角約為66°，與隧洞軸線夾角約為16°；凝灰?guī)r條帶以灰白色蝕變凝灰?guī)r為主；潮濕，機械開挖，具有一定的穩(wěn)定性，手掰易碎，呈砂質(zhì)夾2～4 cm巖屑、玻屑等，顆粒棱角完好。下盤DLII30+745—732段圍巖為致密狀玄武巖，受構(gòu)造擠壓影響巖體中發(fā)育節(jié)理裂隙呈網(wǎng)紋狀分布，部分鈣化填充，致密狀玄武巖構(gòu)造壓碎作用突出，巖塊間為軟弱夾層或陡傾平直光滑剪切面嵌合。上盤DLII30+720—695段圍巖為致密狀玄武巖，受烏龍壩向斜構(gòu)造擠影響發(fā)育成具有一定寬度的節(jié)理裂隙密集帶，巖體破碎。

圖1 DLII30+745—695段揭示地質(zhì)縱斷面Fig.1 Longitudinal geological section revealed by DLII30+745—695

2.2.1.2 地下水

地下水位線與隧洞中心線之間的高差約420 m。開挖揭露：凝灰?guī)r條帶為隔水層；上盤節(jié)理裂隙密集帶富水為儲水構(gòu)造。突水突泥段帷幕注漿后，在DLII30+755處遠距離引排注漿加固圈外地下水。開挖過程對出水點采取鉆孔集中引排；隧洞初期支護完成后，施作徑向泄水孔，孔深3.0～4.0 m，按間距3.0 m布置，滲水點增設(shè)徑向泄水孔，施作深度不超過注漿帷幕厚度。布孔及涌水量情況詳見圖2和表1。

表1 DLII30+738處突水突泥段涌水量統(tǒng)計Table 1 Statistics of water inrush at DLII30+738

圖2 DLII30+738處突水突泥段排泄水孔布置示意圖Fig.2 Layout of drainage holes at DLII30+738 water and mud inrush segment

2.2.2 物探成果

2.2.2.1 物探方法簡述

針對隧洞DLII30+735處突水突泥，在綜合地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，選用 TRT7000 地震波法進行遠距離探測并通過多方位鉆孔探測驗證，查明災(zāi)害源賦存特征。TRT(True Reflection Tomography)7000型采用隧道地震波反射體三維成像技術(shù)[7]。使用錘擊作為震源，超前預(yù)報系統(tǒng)采用隧道反射掃描成像技術(shù)生成隧道前方地層結(jié)構(gòu)的全息三維圖，代表國際上隧道超前預(yù)報領(lǐng)域最領(lǐng)先的水平。

2.2.2.2 物探成果解釋

DLII30+745.8—645段物探成果如圖3所示，分段解釋如下:

圖3 DLII30+745.8—DLII30+645段TRT7000成像結(jié)果立體圖Fig.3 TRT7000 image of DLII30+745.8— DLII30+645

(1)DLII 30+784—748段地震反射強度總體較弱，隧洞頂部局部分布散片狀、散點狀強反射，正-負相組合成層狀，反射層面以中傾角傾向隧洞上游右側(cè)，與隧洞在樁號DLII 30+754附近相交。推測解釋該段巖性為致密狀玄武巖，圍壓較完整夾完整性差。

(2)DLII30+748—735段地震反射為負-正相組合呈層狀、片狀夾散點狀反射，左側(cè)地震反射較強，主要為層狀反射，向上游方向逐漸由層狀變化為片狀、散點狀，反射面以大傾角傾向上游左側(cè)；隧洞右側(cè)地震反射強度相對較弱，以片狀反射為主，反射面以大傾角傾向上游右側(cè)。其中，從隧洞左壁至隧洞軸線右側(cè)25 m范圍內(nèi)反射較弱，僅局部有小片狀和散點狀反射。推測解釋該洞段左側(cè)軟弱夾層、剪切擠壓破碎帶發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)松弛，切割塊體發(fā)育，圍巖極不穩(wěn)定；隧洞左壁至隧洞軸線右側(cè)20 m左右范圍內(nèi)的弱反射區(qū)，推測解釋為坍塌破壞形成的充填空腔和松散體以中陡傾角傾向隧洞上游，坍塌破壞范圍寬度約為5～25 m左右，厚度>10 m。

(3)DLII 30+735—720段隧洞右側(cè)的地震反射為呈兩組交錯層狀組合的片狀、散點狀反射，反射波極性為正-負相，隧洞左側(cè)地震反射弱，僅零星片狀和散點狀反射。解譯推斷該隧洞段右側(cè)為受坍塌破壞影響的節(jié)理裂隙剪切破碎帶，圍巖極不穩(wěn)定。

(4)DLII 30+720—704段地震反射為正負相組合的層狀反射，左右反射強度錯開分布。解譯推斷本段為軟弱夾層發(fā)育的剪切擠壓破碎帶，巖性為致密狀玄武巖，巖體破碎。

2.3 突水突泥演化-處治過程

隧洞穿越烏龍壩向斜構(gòu)核部附近發(fā)生突水突泥[8]，災(zāi)害演化-處治過程詳見圖4。

圖4 獅子山隧洞穿越 P2β3地層向斜構(gòu)造突水突泥災(zāi)害 演化-處治過程Fig.4 Evolution and treatment process of water and mud inrush at P2β3 syncline structure of Shizishan Tunnel

3 致災(zāi)介質(zhì)基本特征與致災(zāi)動力

從開挖揭示來看，DLII30+738處突水突泥潰口位于玄武巖與凝灰?guī)r層間接觸面。從災(zāi)害演化-處治-開挖揭露分析，富水蝕變凝灰?guī)r是致災(zāi)介質(zhì)物質(zhì)來源，隧洞開挖接近致災(zāi)構(gòu)造圍巖被壓潰，瞬時發(fā)生突水突泥災(zāi)害。突水突泥是由隧洞開挖引起的巖土體失穩(wěn)災(zāi)害，研究突水突泥致災(zāi)機理與控制要素是為災(zāi)害的預(yù)防與治理提供理論支撐。致災(zāi)介質(zhì)(物源)、賦存空間、致災(zāi)動力(能量源)、突涌通道是突水突泥災(zāi)害發(fā)生的主控要素，致災(zāi)介質(zhì)性能是影響突泥災(zāi)害發(fā)生的根本內(nèi)因[9]。

3.1 致災(zāi)介質(zhì)物源特征

3.1.1 物源及顆粒組成

現(xiàn)場取代表樣進行成分組成分析，樣品呈灰黑色，有砂質(zhì)感，不具有可塑性，烘干篩分顆粒組成及級配曲線見圖5。其中，細料(直徑≤5 mm的顆粒)占55.5%，粗料(直徑>5 mm的顆粒)占44.5%。

圖5 介質(zhì)組成顆粒級配曲線Fig.5 Particle gradation curve of medium composition

現(xiàn)場開挖揭示凝灰?guī)r條帶風(fēng)化程度由接觸面向內(nèi)部呈全-強-弱的趨勢，其原因是夾層厚度較小，呈現(xiàn)完全蝕變狀態(tài)。原生抗壓抗剪強度由于凝灰?guī)r原巖結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，次生狀態(tài)的膠結(jié)抗壓抗剪強度由于圍壓節(jié)理裂隙密集發(fā)育也極低。在開挖卸荷、爆破震動、應(yīng)力變化、地下水作用下裂隙擴展，巖體受地下水軟化，其物理力學(xué)性能、賦存狀態(tài)和條件發(fā)生改變“介質(zhì)體活化”[10-11]。

通過取樣和隧洞開挖揭示分析可知致災(zāi)介質(zhì)包含大量粉質(zhì)成分及巖石碎屑混合物具有碎石土特征。由此推斷致災(zāi)介質(zhì)物源主要為蝕變凝灰?guī)r夾層風(fēng)化-水解產(chǎn)物。

3.1.2 致災(zāi)介質(zhì)相態(tài)

現(xiàn)場踏勘及調(diào)查突涌情景，突涌呈壓潰支撐體瞬時爆發(fā)。工作面約8 m被相對較粗顆粒夾塊石封堵；突泥推移范圍約125 m，隧洞底板淤積平均厚度約1 m，呈粗細分級沉淀，有垂直交換，石塊流速慢于漿體[12]。流體表現(xiàn)特征為紊流狀，固、液兩相做不等速運動，地下水呈波涌狀。

突涌介質(zhì)具有碎石土特征，查閱資料研究表明[13-14]：土石混合體關(guān)鍵剪切帶變形特征影響程度由大到小依次為含石量、上覆壓力、塊石大小。當(dāng)含石量達到50%時，試樣內(nèi)已形成骨架結(jié)構(gòu)，變形受塊石的影響突顯，強度由塊石和砂土共同作用。此外，地下及隧道工程施工領(lǐng)域，根據(jù)致災(zāi)介質(zhì)組成和地質(zhì)災(zāi)害特征分為突水、突泥和塌方等[15]。不同相態(tài)的致災(zāi)介質(zhì)致災(zāi)機理不盡相同，在洞內(nèi)分布以及破壞范圍和方式等表現(xiàn)不同。突水以水為主，可能混合少量泥砂或碎石等固體成分；突泥為黏土、砂、礫石、塊石及水等形成的可流動漿體；塌方則有黏土、砂、礫石、塊石及水等形成的固體混合物，不具備流動性。液限與塑限是界定巖土體狀態(tài)的重要指標(biāo)，碎石土含水量不同則其物理力學(xué)性能不同，巖土體由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸過渡到不穩(wěn)定狀態(tài)；隨含水量增大呈水—碎石土流體狀態(tài)類似泥石流，由黏性泥石流轉(zhuǎn)變?yōu)橄⌒阅嗍鳡顟B(tài)。通過分析可知，DLII30+738處突水突泥致災(zāi)介質(zhì)類似稀性泥石流。

3.2 致災(zāi)介質(zhì)運動特征

隧洞突水突泥致災(zāi)介質(zhì)是由水與碎石土等形成可流動漿體，與泥石流災(zāi)害的物質(zhì)組成類似，但在致災(zāi)工程地質(zhì)條件存在很大的區(qū)別。Iversonl將泥石流定義為：地表物理力學(xué)性能較差的沉積物被水浸潤飽和，在重力作用下沿斜坡的向下運動。而隧道突水突泥無論式直接揭露、漸進破壞、滲透失穩(wěn)或間歇破壞[16]，均為具有高能量的致災(zāi)介質(zhì)體轉(zhuǎn)化為動能、熱能、聲光能量等，長距離裹挾、搬運物質(zhì)，隨著能量消耗固液分離分級沉淀，流速降低，沖擊力破壞力減弱。針對此類突水突泥地質(zhì)災(zāi)害，避免能量釋放才是有效的防治措施，而對其基本特征及成因的認識則是進行防治的前提。DLII30+738處發(fā)生突水突泥災(zāi)害，是由于賦存高能量的“水-致災(zāi)介質(zhì)”所致，孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、驅(qū)動要素和承災(zāi)體等致災(zāi)關(guān)鍵要素，研究各要素的屬性參數(shù)，是為更準(zhǔn)確地回答突水突泥災(zāi)害為什么發(fā)生、如何發(fā)生的根本問題。通過對致災(zāi)介質(zhì)的重度、流速、突涌量等運動特征分析，進一步探討突泥突水災(zāi)害起動過程和致災(zāi)模式。

3.2.1 致災(zāi)介質(zhì)的重度

突涌瞬時參與的致災(zāi)介質(zhì)體數(shù)量與攜帶的能量是致災(zāi)的“關(guān)鍵體”，現(xiàn)場實際估算的突泥突水量要較“關(guān)鍵體”大。特別是在災(zāi)害發(fā)生后并達到暫時穩(wěn)定狀態(tài)，由于遠端圍巖裂隙貫通地下水滲流補給，涌水量達到一定值并與區(qū)域地表水域、河流、降雨等滲流密切相關(guān)。假設(shè)現(xiàn)場在未發(fā)生二次突涌工況下，測定的突泥量Vm為參與致災(zāi)的真值；參與致災(zāi)的水量VW為突涌最大涌水量qmax與突涌后3～7 d監(jiān)測穩(wěn)定狀態(tài)的涌水量q之間的差值，Δt為突涌爆發(fā)時間。VW按式(1)計算

VW=Δt(qmax-q) 。

(1)

現(xiàn)場選取有代表性的堆積物混合攪拌代表突出泥質(zhì)體，則致災(zāi)介質(zhì)的重度可按式(2)計算。

(2)

式中：γc為致災(zāi)介質(zhì)的重度(10 kN/m3)；Gc為樣品的總質(zhì)量(103kg)；V為樣品的總體積(m3)；ρ為水的密度(10 kN/m3)。

3.2.2 突涌量

突涌規(guī)模與致災(zāi)構(gòu)造賦存特征，如凝灰?guī)r夾層厚度、傾角以及與隧洞的相互關(guān)系有關(guān)；也與致災(zāi)介質(zhì)基本特征有關(guān)，如物源巖性、富水情況、介質(zhì)相態(tài)。突涌規(guī)模較大發(fā)生與地下巖溶、暗河以及與地表水系聯(lián)通性較好的地質(zhì)構(gòu)造，而富水中小斷層、節(jié)理裂隙密集帶、層間接觸帶、背向斜構(gòu)造帶等一次突涌規(guī)模有限，一般主要集中在幾千至上萬方。測量與預(yù)測突涌量對災(zāi)害后期處理安全評估具有重要意義。實際突涌通道可近似為矩形。寬度為B，即認為坍塌寬度DLII30+738—735段；長度為L為1/2隧洞寬度。假定在隧洞外側(cè)存在泥化液化區(qū)，高度為h，則突涌范圍隧洞兩側(cè)與水-碎石土混合體的抗剪強度參數(shù)(c，ψ)相關(guān)；高度范圍包括泥化區(qū)和凝灰?guī)r塌落拱高Δh。按塌落拱原理可推算出失穩(wěn)體體積，且認為攜帶能量的失穩(wěn)體是主要致災(zāi)介質(zhì)體。

3.2.3 突涌速度

根據(jù)水痕調(diào)查法，采取曼寧公式按式(3)計算瞬間流速v。

(3)

式中:n為曼寧系數(shù)，取值0.012；R為水力半徑，由過水?dāng)嗝婷娣e與濕周的比值計算得到水力半徑；S為水力坡度。

3.3 致災(zāi)動力

隧洞突水突泥表現(xiàn)為爆發(fā)式涌出攜帶能量巨大。按照動能公式(式(4))分析，當(dāng)潰口面積和致災(zāi)介質(zhì)物質(zhì)總量一定時，則突涌能量取決于S。

(4)

式中:EK為突涌能量(J)；m為突涌物質(zhì)總量(103kg)。

在未突涌前，地下水以靜水壓力形式作用于隧洞圍巖安全承載體。在發(fā)生突涌過程中，形成以涌水通道為中心的泄水漏斗。此時，在裂隙通道內(nèi)的水力坡度最大，至裂隙通道中心的距離越遠,水力坡度越?。涣严锻▋?nèi)的水力坡度可用無補給的承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流計算公式，即泰斯公式來計算[17]。假定裂隙通道為半徑rw的圓形，則裂隙通道可近似看作半徑為rw的抽水井。含水層向裂隙通道的充水過程，可看作是承壓含水層單井定流量抽水。裂隙通道內(nèi)的水力坡度按式(5)計算。

(5)

式中:S為突水突泥裂隙內(nèi)的水力坡度(m)；M為含水層厚度(cm);H為含水層的水頭高度(m)；R為突水突泥影響半徑(m)；rw為假設(shè)裂隙通道為圓形截面半徑(m)。在實際的突涌潰口斷面近視為矩形，B為寬度，L為長度，可將其轉(zhuǎn)化為圓形截面，rw按式(6)計算。

(6)

4 突水突泥致災(zāi)分析

4.1 變形-時空效應(yīng)-致災(zāi)分析

隨著工作面的推進,接近烏龍壩向斜構(gòu)造核部致密玄武巖和凝灰?guī)r互層時，在卸荷效應(yīng)和開挖擾動作用下圍巖變形。當(dāng)工作面推進到DLII30+735時，導(dǎo)致構(gòu)造下盤破碎圍巖應(yīng)力集中，堅硬巖層破斷塌方形成裂隙空腔積水，為致災(zāi)介質(zhì)形成發(fā)育提供了空間。在隧洞回填反壓→渣體注漿加固→二次開挖，為突涌形成發(fā)展提供了時間和能量積累，致災(zāi)過程如圖6所示。

圖6 變形-坍塌-積水致災(zāi)過程Fig.6 Deformation-collapse-flooding process

4.1.1 下盤碎裂圍巖變形

從獅子山隧洞突涌演變發(fā)展的過程分析來看，受構(gòu)造擠壓影響下盤DLII30+745—732段圍巖呈碎裂狀，隧洞開挖前巖體處于三向穩(wěn)定且較高應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；在開挖卸載和高地應(yīng)力作用下，圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，結(jié)構(gòu)面錯動、滑移，圍巖強度下降并持續(xù)擴容松弛發(fā)生變形。凝灰?guī)r條帶軟巖層在強烈構(gòu)造應(yīng)力的作用下表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)流變特征，并與上盤巖層間裂隙擴大形成積水空間。上盤玄武巖節(jié)理裂隙密集富水構(gòu)造內(nèi)裂隙向深層發(fā)展貫通，水順孔隙、裂隙匯入層間裂隙開始積水，如圖6(a)所示。

4.1.2 時空效應(yīng)形成致災(zāi)介質(zhì)

該段隧洞為向斜軸部擠壓破碎帶，埋深522～527 m，圍巖巖性Р2β3深灰色強風(fēng)化玄武巖，發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面，間距5～20 cm，較發(fā)育，延伸長度>10 m，延伸長，微張，1～2 mm，泥質(zhì)充填，起伏粗糙；主要結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角27°～87°，傾角14°～75°。隧洞右側(cè)首先開挖接近凝灰?guī)r條帶，在右拱肩產(chǎn)生應(yīng)力集中，破碎巖體卸荷作用下失去自穩(wěn)能力導(dǎo)致塌方。坍塌位置為下盤硬質(zhì)破碎圍巖與軟質(zhì)巖接觸位置，在空間上呈“漏斗型”。承載關(guān)鍵塊失穩(wěn)，導(dǎo)致上覆隔水層凝灰?guī)r夾層應(yīng)力釋放崩解，且在上盤儲水構(gòu)造水壓力作用下崩塌，表現(xiàn)為有干燥砂狀巖體涌出并伴隨氣體突出的動力現(xiàn)象。隧洞坍塌后采取回填反壓措施抑制了圍巖向隧洞擠出，軟弱夾層內(nèi)形成三角拱達到暫時平衡。坍塌空腔充水過程是地下水向完整井的非穩(wěn)定運動并快速充滿。

由于硬質(zhì)玄武巖與凝灰?guī)r巖層厚度、抗拉強度不同，層間裂隙擴展形成空腔。含水層圍巖裂隙逐步向深層發(fā)展貫通，充水范圍擴大，滲透性改變。凝灰?guī)r條帶內(nèi)形成三角拱平衡在地應(yīng)力和滲流的作用下平衡被打破，形成坍塌→平衡→坍塌的循環(huán)過程，直至水—碎石土填滿達到新的平衡點。在水力作用下凝灰?guī)r崩解形成的碎石土達到含水飽和狀態(tài)，呈水—碎石土流塑體,如圖6(b)所示。

4.1.3 裂隙通道貫通，關(guān)鍵塊崩塌致災(zāi)

如圖6(c)所示,坍塌空腔及層間裂隙積水后，由于水的不可壓縮性，上盤巖層的荷載作用于水體使下盤巖層的裂隙在荷載作用下開始逐漸向隧洞方向擴展。當(dāng)工作面臨近致災(zāi)介質(zhì)體時開挖擾動對圍巖影響增大，圍巖裂隙階段性擴張的頻率增大。隨著隧洞開挖推進至DLII30+738處，在隧洞拱部產(chǎn)生連通裂隙。在致災(zāi)介質(zhì)荷載、動水壓與開挖擾動作用下，其荷載達到安全巖盤強度極限時圍巖壓潰形成突水突泥通道，富水凝灰?guī)r介質(zhì)體的勢能轉(zhuǎn)化為動能并瞬間釋放致災(zāi)。

4.2 致災(zāi)介質(zhì)泥化荷載與動水壓協(xié)同致災(zāi)

如圖1、圖6所示，凝灰?guī)r與玄武巖層間接觸帶為30～50 cm泥化層，靠近層間接觸面3～5 m玄武巖受擠壓產(chǎn)生節(jié)理裂隙發(fā)育密集帶，部分為鈣質(zhì)膠結(jié)。分析認為，在水-巖的作用下凝灰?guī)r軟弱夾層發(fā)生風(fēng)化向泥或松散性轉(zhuǎn)化。由于層間錯動帶是地下水流通途徑，在水-巖相互作用下凝灰?guī)r中的Na+、Ca+被分解溶入地下水形成了黏土礦物。隨黏土礦物含量增加，透水性減弱，使地下水滯留在層間錯動帶，地下水與基巖在層間錯動帶上部和下部發(fā)生化學(xué)作用形成風(fēng)化帶泥化層。因此，在結(jié)構(gòu)未擾動破壞前，凝灰?guī)r夾層蝕變含黏土并在擠壓下致密形成隔水層。

地下水滲流對蝕變凝灰?guī)r具有顯著的弱化作用[18]。主要表現(xiàn)：①由于隧洞開挖卸載效應(yīng)，凝灰?guī)r條帶內(nèi)已有的裂隙發(fā)生擴展相互貫通，隨著含水率的提高，水與巖土介質(zhì)結(jié)合形式發(fā)生很大改變，致災(zāi)介質(zhì)體抗剪強度及內(nèi)摩擦角等參數(shù)都呈現(xiàn)減小趨勢。②爆破震動致使巖體內(nèi)裂隙貫通，圍巖滲透性發(fā)生改變，遠端地下水向隧洞向滲透使其產(chǎn)生動水壓力。同時，也對富水蝕變凝灰?guī)r地層產(chǎn)生液化影響[19-20]。③烏龍壩構(gòu)造向斜上盤節(jié)理裂隙密集帶儲水構(gòu)造對下位凝灰?guī)r軟巖層產(chǎn)生侵蝕分割和水壓作用，凝灰?guī)r層內(nèi)的裂縫逐漸向上擴展發(fā)育崩解軟化、泥化。

假定在卸荷效應(yīng)致災(zāi)介質(zhì)液化與泥化在隧洞四周形成泥漿體，深度為凝灰?guī)r厚度，可建立致災(zāi)介質(zhì)體在隧洞上的力學(xué)模型，作用于下部巖體的壓強按式(7)計算[21]。

(7)

式中:PS為致災(zāi)介質(zhì)體產(chǎn)生的壓強(MPa)；PW為動水壓強；γC為致災(zāi)介質(zhì)重度(10 kN/m3)；h為致災(zāi)介質(zhì)液化等效高度(m)；H為水頭高度(m)；β為水頭折減系數(shù)，按強透水取0.55～1.0。

動水壓力作用于下部凝灰?guī)r，使凝灰?guī)r夾層內(nèi)的張拉裂隙向上擴展快速連通上覆儲水構(gòu)造，致災(zāi)介質(zhì)荷載與動水壓協(xié)同作用突破巖盤向隧洞突出。由式(7)可知，在原始較高的水頭情況下，隧洞工作面接近或直接揭露富水構(gòu)造易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。因此，消能降壓是防治突水突泥的關(guān)鍵技術(shù)。采取物探分析隧洞可能穿越或接近富水構(gòu)造，隧洞坍塌后注漿加固，突水突泥帷幕注漿后等情況下，有必要采取遠距離鉆孔排水泄壓措施。

5 結(jié) 論

以滇中引水工程獅子山DLII30+738處突水突泥案例為依據(jù)，通過現(xiàn)場踏勘及調(diào)查突涌情景，對突涌物取樣進行顆粒組成和隧洞開挖揭露的凝灰?guī)r條帶地質(zhì)特征分析，進一步研究突涌介質(zhì)特征、致災(zāi)動力、致災(zāi)模式等各要素的屬性，揭示其致災(zāi)機理。

(1)隧洞DLII30+738處突水突泥致災(zāi)介質(zhì)物源主要為蝕變凝灰?guī)r夾層風(fēng)化-水解產(chǎn)物，包含大量粉質(zhì)成分及巖石碎屑混合物，細料占55.5%，粗料占44.5%，具有碎石土特征。富水狀態(tài)類似稀性泥石流，突涌瞬時爆發(fā)，攜帶巨大能量。

(2)隧洞卸荷坍塌、地下水作用及應(yīng)力釋放等導(dǎo)致介質(zhì)體賦存空間、物理力學(xué)性能等改變而具有致災(zāi)特性；塌方形成裂隙空腔積水為致災(zāi)介質(zhì)形成發(fā)育提供了空間。水力作用下凝灰?guī)r崩解形成的碎石土達到含水飽和狀態(tài)，呈水-碎石土流塑體。水動力條件是災(zāi)害發(fā)生的動力源，是主控因素。致災(zāi)介質(zhì)荷載與動水壓協(xié)同作用壓潰巖盤形成突涌通道。