隧道涌突水的原因和預測預報方法

佘林輝

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

近10年來，隨著經濟的迅速發展，人民生活水平的大幅度提高，鐵路公路交通建設規模日益擴大，我國已修建了不少長隧道、特長隧道以及隧道群，隧道占鐵路公路里程比例不斷增大。預報技術在應用中不斷發展進步。但是在建隧道，涌突水事故仍然時有發生，給人民的財產安全和人身安全帶來了重大危害。為降低地質災害發生的機率和危害程度，對不良地質段進行了超前地質預報，但目前的勘察報告通常只有段落涌水量預測，沒有具體構造涌突水水量、水壓、水電導率等相關信息的報告。為了預測、預防涌突水，減少涌突水帶來的危害，需要有針對性地布置實施勘察、預報工作，進一步增大重點地段的投入，需要對隧道涌突水原因、規律進行了解。

超前地質預報通常包括常規地質法、物探法、超前鉆探、超前導坑和工程類比法等。常規地質法作為綜合超前預報技術的基礎方法，總是被不斷地應用，文獻［1－2］主要介紹了常規地質法的作用，分析了涌突水的可能性及其規模，將多解性的物探異常翻譯成地質術語。文獻［3－6］主要介紹了物探法能更準確地尋找已經推斷存在的涌突水位置，判斷地表發育的涌突水構造，尋找可能被錯過的含水構造，但物探仍然不能判定涌突水的規模，它的特點是對隧道施工干擾小，是指導鉆孔探測的方向。超前鉆探與超前導坑一方面可以探測這種可能性及其規模，另一方面可以通過鉆孔釋放壓力，將突水變成涌水，并能減少最大涌水量，但是鉆孔的斷面小且少量鉆孔，無論是在地表鉆探、洞內鉆探及導坑都不能完全代表隧道施工時的情況。而大量鉆孔則耗時過多，因此鉆孔的布置需要地質法和物探法為指導。工程類比法對整體地質情況的把握較好，但類比條件比較苛刻，需要大量工程實例的積累。

本文從地質角度出發進行研究，將涌突水進行分類，并分述其發生的條件，從水源、水匯集速度和水壓等幾個方面談隧道發生涌突水的可能性，并對幾個隧道涌突水事件進行分析，提出勘察、超前預報及施工注意事項。

1 涌突水條件

涌突水一般可分為長時間持續涌突水和短時間一次性涌突水。

涌水需要具備的條件為豐富的地下水補給源、足夠大的含水構造和能很快匯聚地下水的流動途徑。

突水需要在涌水條件的基礎上增加條件，開挖面巖體導水裂隙不發育，能形成一定水壓，且水壓超過了開挖面巖體的抵抗能力。

1.1 地下水補給源

地下水補給源主要有大氣降水、地表水和含水層之間的補給。地下水補給示意圖見圖1。

1.1.1 大氣降水補給

大氣降水補給量由降雨量、地表匯水和降水入滲能力綜合確定，且大氣降水有季節性。主要通過大氣降水補給的隧道段，可進行如下分析。

1)大氣降水補給不豐富的部分，可認定為不存在持續涌突水的可能，需提防有些地方雖年降雨量少，但日降雨量頗高，加之地表匯水面積大，可能發生短時間涌水;大氣降水補給豐富的部分，可根據季節降水量來判斷不同季節涌突水的可能，根據情況選擇避開豐水季節，切斷補給源，或者選擇合適的超前地質預報。在枯水季節施工時，判斷豐水季節情況，注意加強支護，以免豐水季節圍巖抗剪強度降低，水壓增大，導致隧道涌突水。

2)通常采用年降雨量或者月降雨量計算隧道地下水水量，不考慮地表是否有集水、積水地貌，這對于整個隧道日常涌水量計算也許合適，但是對于推測是否發生涌水或者突水事故，通常是不合適的。假設某隧道處于地下水垂直循環帶灰巖段，豎向溶洞、溶槽發育，對應隧道段附近地表為一淺溝，匯水面積大，溝內某處發育有一落水洞，隧道通過這些巖溶空隙與地表聯通，大氣降水在數小時甚至幾十min內，就匯集到落水洞進入隧道內。因此，對大氣降水補給能力強的地段，應根據地表集水能力、降水入滲能力和降水匯集速度等存在較大差異的進行分段研究，具體情況具體分析。

1.1.2 地表水補給

地表水補給與地表水系的分布形態、規模及流動途徑有關。

通常根據調查段內下降泉流量及地下水對河流的補給來計算地下水補給量，但實際上隧道處于地表徑流以下，即使這種相互補給是零，當隧道開挖后地表水都會進入隧道內。另外，采用滲透系數進行分析，這種隨機試驗取得的數據，未必能代表個別的導水能力強的管道，這種情況還需要注意的是，地表水體底部的裂隙往往為泥土填充，導水能力差，但是雨水季節，水量上漲，地表水體通過中部及上部對地下水進行數倍甚至數十倍的補充，那么更長的，尤其是數十年或者百年一遇的洪水季節的觀察才具有說服力。

此外，由于大雨沖刷、地表崩塌、地下通道坍塌或淤積堵塞等，可能改變地表降水的匯集地點和流動途徑，預報時應注意保持定期不定期地進行地表調查和水文觀測。

1.1.3 含水層之間的補給

處于隧道以上的含水體都可能對隧道進行地下水補給。需要注意的是補給源不是一成不變的，隧道開挖后，水勢水位的變化會讓原來的排泄區成為補給源地。地下水途徑可能因為局部堵塞而發生。

1.2 含水構造

通常含水構造指巖體空隙中含水。只有水量到達一定的程度之后才可能發生涌突水，對隧道造成危害，而含水時間是否長久與地下水補充速度和流失速度有關。因此定義含水構造為:某部分巖土中的空隙，某段時間內，地下水的補充比地下水的流失速度快，導致地下水在這部分空隙中儲存起來;或者某段時間內，雖然地下水的補充比地下水的流失速度慢，導致這部分空隙中含水量降低，但這種變化速度緩慢，地下水在這部分空隙中能保持一定長的時間。圖1(b)是一個向形構造，且上部為透水層，下部為相對隔水層，通常認為這是個含水構造，實際上這種分析還遠遠不夠，這個向形構造是否能成為含水構造，還應該從地下水補充、流通、儲存等幾個方面分析。比如說儲存能力就需要調查上部透水層的孔隙率，而是否能儲存水還應該看它軸線坡面圖的形狀。若如圖1(b)狀則儲存能力強，若是水平狀則保持水能力減弱，若如圖1(a)狀則保持水能力更為減弱。可以從區域上研究分析段內含水構造的規模，結合地表物探手段，來判斷涌突水的可能性。

1.3 地下水流動途徑

地下水流動途徑指巖土中的空隙。巖土中的空隙包括土中的孔隙、巖石中的裂隙和可溶巖中的溶隙。巖土因空隙的大小及數量不同導水能力相差甚遠，需要提醒的是，受孔壁摩擦的影響，空隙增大1倍，導水能力增加遠不止1倍。

其中能很快地匯聚地下水的流動途徑有:孔隙發育的碎石土、節理密集帶的裂隙帶、斷層破碎帶、溶洞和巖溶管道等構造。

1)碎石土。通常埋深較淺，孔隙分布較均勻，通過物探查詢含水層分布情況，并通過鉆孔驗證，試驗提取數據，水量計算往往比較準確。需要提醒的是，補給源區水量突然增大。比如，通過承壓水層以泉水方式補充，承壓水頭突然增高，那么補給水流速流量都可能增加;通過大氣降水補給，突降大雨;通過地表水補給的，干瘦的河道上游發生大水。

2)節理密集帶。空隙大小及數量有限，通常發生涌水的水量比較小，需要注意的是，如果隧道反坡開挖，數十m3/h的水量也可能淹井。是否有這種可能應根據區域經驗，結合補給源的情況進行分析確定，提前做好準備工作。

3)斷層破碎帶、溶洞和巖溶管道。通常這些構造的導水能力強，發生涌突水的可能性比較大。分析是否有豐富的水源補給，查明斷層破碎帶的導水阻水性質，巖溶發育規律，推斷是否存在涌突水的可能及其規模。

需要注意的是，通常節理密集帶、斷層以及巖溶管道的涌水量，在勘察報告中往往沒有單獨給出，而這些構造帶中的空隙比較大，一般采用達西定律，或者采用滲透系數的計算方法，進行這些構造段的涌水量計算是不合適的;在水量的計算時，把這些比較大的空隙看成類似隧道的導水通道，它的補水通道是一些比較小的裂隙，那么它的匯水能力可以通過達西定律進行計算［7］，而它的導水能力可以參考各種排水規范計算。

垂直鉆探或者水平鉆探時，可能沒有鉆到溶洞，且孔內地下水不發育，但實際上，溶洞發育不均勻，大多裂隙被泥、黏土填充，導水能力差，導致鉆孔結論不能代表實際情況;鉆到了斷層，但處于斷層泥含量比較多的一段，阻隔了地下水，也不能真實反映斷層內地下水發育情況。因此，宜增加鉆孔。

圖2和圖3分別為正斷層和逆斷層示意圖。

如某隧道從a開挖到b，先遇到頁巖，頁巖遇水軟化使裂隙密閉，導水能力差，為隔水層，從a到斷層間巖層明顯變得破碎、風化程度增加、巖層產狀變陡、濕化、軟化。再遇正斷層，通常正斷層裂隙發育多寬張，導水能力強，發生涌突水的可能就很大，且突涌水的危險是潛在的，需更大范圍的超前探測，探明情況。

如隧道從b開挖到a，采用常規地質預報，溶隙裂隙逐漸增加，多夾泥黏土，普遍濕潤。當裂隙為泥黏土完全填充時，地下水被較好地封堵在導水斷層和巖溶管道內，突涌水的危險是潛在的，發生時可能造成更大的危害，需更大范圍的超前探測，探明情況;當裂隙為泥黏土不完全時，局部出水渾濁，泥沙含量高，且水量水壓都會不斷增加，這時突涌水的危險提前暴露，可針對性地做進一步的超前探測工作。

bc段，依次穿過隔水層頁巖、透水層砂巖、阻水逆斷層和透水層砂巖。前一段砂巖若為含水層，其裂隙發育，兩側隔水性能好，無論隧道從b開挖到c，或者從c開挖到b，發生涌突水的可能極大;而后一段砂巖若為含水層，一側隔水性能好，隧道從c開挖到b，地下水從裂隙中逐漸涌出，發生涌突水的可能較小，隧道從b開挖到c，地下水與隧道間有隔水層阻礙，地下水得不到排泄，聚集在隔水層發生涌突水的可能較大。

短時間一次性涌突水發生的條件通常有2種可能:1)采空區內的地下水，且采空區處于潛水水位以下，或下伏隔水巖土層;2)含有一定黏土量的含水巖土層，這種巖土層包括第四系土層、斷層破碎帶、填充型溶洞，且含水體周圍裂隙大多為黏土填充，排水能力差。

長時間持續涌突水的發生條件是隧道通常處于潛水或承壓水水體以下，且發育斷層或者巖溶管道。斷層為正斷層，處于水平循環帶以下。巖溶管道通常為長時間的一定流量的導水通道，通道內某些水平段或者被堵塞而改道的地方往往被砂土填充，也可能是垂直循環帶發育的溶洞，因地殼下沉處于水平循環帶以下。

1.4 水壓超過開挖面巖體的抵抗能力

1)某開挖面抵抗能力剛好略大于背后的水壓，開挖后隨著時間的推移，圍巖應力重分布、不斷松動，開挖面抵抗能力不斷降低，直到發生突水涌泥。當然這種情況比較少，通常這種事情的發生具有以下前兆:開挖面附近地下水不是很發育，即裂隙不發育或者裂隙為黏土充填，裂隙中黏土逐漸擠出;干燥圍巖突然出水，水量不斷增大，水從流出到噴出，水中往往帶有泥沙、黏土，圍巖掉塊;圍巖掉塊或裂縫逐漸擴大;巖石發生異常聲響;初期支護開裂掉塊、支撐拱架變形或者發生聲響［7］。

2)掌子面爆破時，迅速減弱了巖體的抵抗能力，打破原有的平衡，即發生突水涌泥。相對前者，這種可能性比較大。不過通常為了躲炮，人員遠離，造成人員傷害的可能性比較小。

2 預測案例

2.1 案例1

某鐵路隧道洞口土質段，為第四系坡積碎石土層，稍密，洞上方地表坡面圓順，兩側有流水溝，超前探測采用物探，長距離80 m，短距離30 m，均表明地下水不發育。完成超前預報工作一段時間之后，天降大雨，發生掌子面涌出、塌方冒頂。

1)原因分析。預報后，降雨導致地表沖積形成臨時積水坑，積水入滲，地下水變化，局部土體飽和，降低了土體穩定性。

2)建議。這里地下水補給主要是大氣降水，預報工作完成后，需要關注大氣降水等可能引發的地下水變化。

3)引申。土質隧道通常被認為地質簡單，而且通常都是Ⅴ級圍巖，安全系數較大，預報工作往往容易被人忽視，有些做了預報，也不會去長期關注。預報工作應該貫穿整個隧道施工。

2.2 案例2

某鐵路隧道土質段開挖完成初期支護數小時后，在初期支護和掌子面接觸地段發生泥石流狀塌方。掌子面附近地質情況如圖4所示，掌子面上部為塊石土，下部為黏土，層狀分布，傾向后方。初期支護后，從掌子面與初期支護交接處B點，發生塌方。

1)原因分析。前方隔水層和初期支護形成匯水面，地下水在初期支護背后聚集，壓力增大，到一定程度，從薄弱處涌出。

2)建議。這里地下水補給是潛水層內部流通，需注意地下水流通途徑的變化。自掌子面發現下部有相對隔水層開始，在AB段布置一些排水管，防止水量聚集。

3)引申。洞內水處理時，應結合實際情況，確定排水堵水位置和時間。

2.3 案例3

某隧道一可溶巖段，隧道一側有地表河流，隧道高程處于河流季節變動帶內，施工前超前預報顯示該段地下水不發育，開挖證明地下水不發育，但有少量溶孔、溶隙。一段時間后，在施工二次襯砌前，天降大雨，河流水位暴漲，干涸的溶隙出水如注，導致隧道內漲水，影響施工。

1)原因分析。河水上漲，從原來干涸的溶隙進入隧道。

2)建議。這里地下水補給是地表水系，與地表水相聚較近，溶隙、裂隙發育的，需加強調查，研究空隙與地表水體間的連通性;裂隙處于高水位與低水位之間且連通性強的，需要觀察水位變化情況，枯水季節開挖后，宜做好堵水措施。

3)引申。地下水是動態變化的，干涸的透水層可能很快成為地下水豐富的含水層;從地下水的補充、流通、排泄等著手研究，找出其發展變化規律才能作出相應合理的措施。

3 結論與討論

隧道涌突水是常見的施工災害之一，造成涌突水的原因很多。為準確地找出某隧道涌突水的可能原因，應對涌突水條件進行充分的掌握和全面分析，這樣才能更好地運用各種隧道涌水的計算方法并選用合適的預報方法，制定合適的預報方案，避免勘察、預報時出現漏洞。超前地質預報不僅僅是對掌子面前方地質情況進行預報，也應該對已經開挖段、可能存在的危害進行預測預報。因埋深淺、寬張裂隙或巖溶管道發育等原因，隧道與地表聯系密切的，應考慮水文與氣候的變化;地下水發育是季節性變化的，預報手段在不同季節也應有所差別，水量計算也應在不同季節做調整;不同性質的斷層，相同隧道段不同的開挖方向遇到的情況可能會有變化，預報方法也應有所不同等。

由于目前的認知能力有限，勘察和地質預報的結論與實際情況常有一定的誤差，尤其是對地下水水量及涌水形式判斷不準會造成比較嚴重的危害。勘察工作中應增加對地下水調查的投入，勘察報告中應對涌水構造做專門的涌突水分析報告，包括含水量、水壓等定量指標;對應的施工超前地質預報方案建議，應該建立在具體物性指標的基礎上;應進一步研究鉆探技術，選用新型鉆探設備，廣泛使用孔內成像技術，提高物探方法定量判斷的能力，建立物探指標與空隙率和含水率等地質參數之間的關系;成立區域地質資料庫，不斷豐富匯集區域工程地質資料，為工程類比提供依據。

［1］ 鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊［K］.北京:中國鐵道出版社，1999.

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