尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源綜合分析

袁永才，李術(shù)才，李利平，張乾青，孫柏林，石少帥

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尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源綜合分析

袁永才1，李術(shù)才1，李利平1，張乾青1，孫柏林2，石少帥1

(1. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061；2. 湖北省保宜高速公路建設(shè)指揮部，湖北宜昌，444200)

通過采用長期預(yù)報和短期預(yù)報相結(jié)合的方式，準(zhǔn)確預(yù)報尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源的規(guī)模與空間位置，結(jié)合超前鉆探建立綜合超前預(yù)報體系。針對發(fā)生的3次突水突泥災(zāi)害，通過現(xiàn)場踏勘和水文地質(zhì)分析，查明突水突泥伴生災(zāi)害源的來源，揭示尚家灣隧道突涌災(zāi)害源的賦存特征、致災(zāi)模式及其致災(zāi)機(jī)理，提出突涌災(zāi)害是由壓力水、泥砂相結(jié)合的伴生災(zāi)害源和突涌通道2部分組成，伴生災(zāi)害源是內(nèi)在源動力，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢運移路徑。同時，建立集內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)部揭露圍巖與地表環(huán)境)、綜合預(yù)報、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評價”、動態(tài)補探、綜合治理相結(jié)合的伴生災(zāi)害源探測及防治技術(shù)，提出相應(yīng)的治理原則、治理方案及后續(xù)施工的預(yù)防 措施。

巖溶隧道；突水突泥；災(zāi)害源；綜合預(yù)報

隨著水利水電工程、交通工程等國家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，在巖溶山區(qū)尤其在西部巖溶山區(qū)將產(chǎn)生數(shù)量眾多的深長巖溶隧道[1]。突水突泥成為巖溶隧道主要災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害之一，隨著隧道和地下工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，突水突泥災(zāi)害日益嚴(yán)重[2?3]。隧道工程中發(fā)生突涌災(zāi)害的基本條件為：充足的水源(部分含有泥砂)，水源與隧道間形成了順暢的運移通道。白明洲等[4]基于齊岳山隧道，立足于研究巖溶形成控制性因素，分析了巖溶突水發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為后期隧道施工提供了指導(dǎo)；李曉昭等[5]研究了導(dǎo)致突水事故發(fā)生的斷層變形活化機(jī)制，得到突水與斷層活化之間的時空效應(yīng)特征；楊兵[6]基于馬鹿箐隧道發(fā)生的突水災(zāi)害，通過采用水文地質(zhì)分析方式查明了發(fā)生突水災(zāi)害時水的來源。近年來，研究者針對巖溶隧道突水突泥機(jī)制進(jìn)行了大量研究，李圍[7]通過識別突水通道的形成特點，研究了突水通道的形成過程和隧道突水發(fā)生模式；GISBERT等[8]通過研究隧址區(qū)水文地質(zhì)特征及降雨對突水災(zāi)害的影響，得到優(yōu)勢運移路徑的判識方法；COLI等[9]研究了巖體的滲透性、表征單元和非連續(xù)性，總結(jié)了隧道涌水量估算方法。近幾年人們關(guān)于巖溶隧道突水突泥災(zāi)害的研究主要集中在對巖溶隧道突涌災(zāi)害的風(fēng)險評價[10?12]、超前地質(zhì)預(yù)報[13?15]、隧道突涌災(zāi)害治理[16?18]等方面，而針對發(fā)生突涌災(zāi)害時伴生災(zāi)害源方面研究甚少，在綜合考慮外部環(huán)境與隧址區(qū)巖溶地質(zhì)方面未進(jìn)行細(xì)致研究，缺少一種集內(nèi)外結(jié)合(內(nèi)部隧道施工揭露地質(zhì)與外部隧址區(qū)環(huán)境)、綜合預(yù)報、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評價”、動態(tài)補探、綜合治理相結(jié)合的突水突泥伴生災(zāi)害源探測及防治技術(shù)。為此，本文作者通過對保宜(保康—宜昌)高速公路尚家灣隧道工程地質(zhì)資料進(jìn)行分析，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報的方法準(zhǔn)確預(yù)測了伴生災(zāi)害源空間位置，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，查明突涌水的來源及匯集方式；同時，闡述災(zāi)害源的賦存特征與突涌模式，分析突涌水發(fā)生機(jī)理；針對尚家灣隧道突水突泥災(zāi)害，建立集內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)部施工揭露圍巖與地表環(huán)境)、綜合預(yù)報、“循環(huán)推進(jìn)，交叉評價”、動態(tài)補探、綜合治理相結(jié)合的突水突泥伴生災(zāi)害源探測及防治技術(shù)，提出合理的治理建議和預(yù)防措施，以便為今后類似工程災(zāi)害提供借鑒。

1 工程概況

尚家灣隧道為保宜高速公路襄陽段中的一座分離式隧道，左線長3 865 m，右線長3 859 m。隧道硐身地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質(zhì)礫巖，地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過落水洞、漏斗灌入地下，并通過地下河流向深切河谷，為典型強(qiáng)巖溶隧道，施工風(fēng)險極大。

隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，存在主體構(gòu)造規(guī)模巨大的通城河斷裂帶。該斷裂帶始于后坪，經(jīng)馬良、通城河向南延伸，基本與通城河相伴平行展布，系由一組寬為1~2 km的斷裂帶組成。地貌上沿斷裂帶普遍見由遠(yuǎn)安地塹所形成的負(fù)地形，斷裂沿線斷層陡崖和斷層三角面發(fā)育，斷層顯示上盤下降的正斷層，斷層傾向東或北東。

隧址區(qū)還發(fā)育北東向曾家溝斷裂、尚家灣斷裂，北西向的任家溝斷裂。其中，主要影響隧道的斷裂為尚家灣斷裂，如圖1所示。

2 綜合超前預(yù)報

傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)單一，難以準(zhǔn)確預(yù)報隧道掌子面前方災(zāi)害源，同時未形成長期與短期相結(jié)合的綜合預(yù)報技術(shù)體系。對此，尚家灣隧道在施工過程中采用長期超前預(yù)報(tunnel seismic prediction，TSP)與短期超前預(yù)報(地質(zhì)雷達(dá))相結(jié)合的方法，同時施作超前鉆探真實有效的揭露危險災(zāi)害源，避免突涌災(zāi)害發(fā)生。

圖1 尚家灣隧道地質(zhì)剖面圖

2.1 TSP探測

TSP是基于TSP win軟件，通過對傳感器接收的人造地震波信號進(jìn)行處理，記錄隧道前方不同巖體級別的P波和S波。TSP203 plus確定掌子面前方圍巖波速的理論和數(shù)據(jù)處理過程，以及波場分離、側(cè)向回波濾處，具體參見文獻(xiàn)[19?21]。同時計算預(yù)報范圍內(nèi)巖石的力學(xué)參數(shù)、波速、泊松比、彈性模量、抗壓強(qiáng)度等[19?21]。

設(shè)為地震波在巖層波阻抗面上的反射系數(shù)，r和f分別為入射波和反射波的振幅，和分別為介質(zhì)的密度，1和2為地震波在介質(zhì)中的傳播速度，則反射系數(shù)可表示為

反射波振幅表示為

(2)

地震波以P波和S波的形式進(jìn)行反射，其在均勻介質(zhì)中的傳播速度可表示為

式中：P為P波波速；S為S波波速；為傳播介質(zhì)的壓縮模量；為傳播介質(zhì)的剪切模量。

據(jù)此，反射波振幅越大，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大，巖性差異也越大；若P波波速下降，則裂隙密度或空隙度增加。

2013?05?18，地質(zhì)預(yù)報單位采用最新型號的隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)(TSP203 plus)對保宜高速公路尚家灣隧道進(jìn)口段左線進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報里程樁號為ZK64+855~ZK64+980。在成果解譯中，以反射層提取圖以及巖石物性參數(shù)等一系列成果進(jìn)行解譯，結(jié)合式(1)~(3)的分析結(jié)果，并遵循以下準(zhǔn)則：

1) 在硬巖地層中呈現(xiàn)正反射振幅，在軟巖地層中呈現(xiàn)負(fù)反射振幅；

2) 飽水巖層中，S波的反射強(qiáng)度比P波的反射強(qiáng)度強(qiáng)；

3) 在賦存流體區(qū)域內(nèi)，P/S和泊松比會突然增大；

4) 某一區(qū)域內(nèi)巖體裂隙增多，巖體呈破碎狀，則p降低。

利用TSP win軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得反射層提取圖以及巖石物性參數(shù)等一系列成果，如圖2和圖3所示。

圖2 反射層提取圖

(a) 速度；(b) vp/vs；(c) 泊松比；(d) 密度；(e) 動態(tài)彈性模量；(f) 靜態(tài)彈性模量

通過對成果解譯可知：ZK64+910~916范圍內(nèi)圍巖泊松比增大，反射層提取圖中負(fù)反射強(qiáng)烈，同時P波波速下降，且S波的反射強(qiáng)度比P波的反射強(qiáng)度強(qiáng)，由此表明該范圍內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體間賦存裂隙水，充填物豐富。ZK64+916~946范圍內(nèi)地震波在圍巖中傳播時的波速顯著下降，反射層提取圖中負(fù)反射強(qiáng)烈。特別是在ZK64+916~926范圍內(nèi)密度也出現(xiàn)顯著降低，P降低，表明該范圍內(nèi)圍巖風(fēng)化程度較高，含水量較高，且蝕變軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

2.2 超前鉆探

針對現(xiàn)場施工揭露圍巖巖體裂隙水逐漸增多現(xiàn)象，結(jié)合前期TSP預(yù)報結(jié)果，為防止大型突水事故的發(fā)生，2013?05?31對尚家灣隧道進(jìn)口左線ZK64+916掌子面開展了一次短距離超前鉆探工作。現(xiàn)場布設(shè)3個鉆孔，鉆孔位置布設(shè)于掌子面中部及兩側(cè)，如圖4所示，距離地面約1.2 m處，每根鉆桿長度為1 m。

圖4 鉆孔布設(shè)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場鉆桿鉆進(jìn)記錄情況可得：鉆至ZK64+ 918~920時，鉆探聲音較小，鉆進(jìn)速度較快，且鉆桿存在突進(jìn)現(xiàn)象，掌子面有水流出，推測此段圍巖較破碎，可能存在含水溶腔；鉆至ZK64+920~922時，鉆探聲音小，鉆探速度快，鉆進(jìn)過程中鉆桿出現(xiàn)多次明顯突進(jìn)，鉆孔流水繼續(xù)增大，推測此段圍巖可能存在含水夾泥溶腔，巖體破碎。

各鉆孔內(nèi)鉆桿的鉆進(jìn)時間記錄如圖5所示。其中在ZK64+919~920段，流出水量最大，存在突水現(xiàn)象，如圖6所示。

1—P1；2—P2；3—P3。

圖6 鉆孔突水

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測

2013?05?31 T01:00，尚家灣隧道施工至ZK64+ 918時，掌子面施作炮孔鉆探過程中，左側(cè)拱肩處炮孔發(fā)生涌水，水質(zhì)渾濁，水壓達(dá)2 MPa，涌水量約為200 m3/h。為準(zhǔn)確探清掌子面前方是否存在大型巖溶含水構(gòu)造，對ZK64+918掌子面開展了一次短距離地質(zhì)雷達(dá)超前探測。

1) 雷達(dá)測線布置。地質(zhì)雷達(dá)天線頻率為100 MHz，采集樣本點為512。測線布置如圖7所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)測線

2) 探測分析。地質(zhì)雷達(dá)探測范圍為ZK64+918~ 938。根據(jù)雷達(dá)測試結(jié)果如圖8所示：1) 左邊墻后方3~6 m范圍內(nèi)，雷達(dá)信號反應(yīng)強(qiáng)烈，且下方信號突然減弱，主頻降低，同相軸出現(xiàn)異常，據(jù)此推測該處含水量較高，可能存在導(dǎo)水裂隙；2) 掌子面前方ZK64+ 922~ZK64+936段雷達(dá)反射信號反應(yīng)強(qiáng)烈，下方信號逐漸減弱，同相軸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，波形出現(xiàn)反向位特征，據(jù)此表明該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，含水量較高，根據(jù)隧道掌子面涌水情況，分析該處裂隙含水，且夾泥量較多。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

同時，建議施工單位密切觀察涌水情況：水質(zhì)是否變清；水量是否逐漸減小；若出現(xiàn)強(qiáng)降雨，涌水量是否有增大趨勢等信息。此外，施工單位應(yīng)結(jié)合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，進(jìn)行超前水平鉆探工作，查明左邊墻及掌子面前方含水情況、涌水通道情況。探清該段地質(zhì)情況后，再進(jìn)行施工。

2.4 開挖揭露

尚家灣隧道ZK64+920掌子面左側(cè)溶洞高1.6~3.5 m，寬1.5~4.0 m，縱深達(dá)10 m，淤泥較厚，無明顯出水口，內(nèi)壁光滑；掌子面右側(cè)溶洞高1.6~3.5 m，寬1.5~4.0 m，縱深達(dá)30 m以上，水流一直向前延伸，但由于掉落石塊堵塞通道，人員無法繼續(xù)向前通行，洞內(nèi)淤泥較多，內(nèi)壁光滑，為常流水通道，ZK64+920處溶洞發(fā)育情況如圖9所示。

同時揭露了尚家灣隧道右線YK64+957掌子面溶洞從左側(cè)拱腰部位一直延伸至左線溶洞處。左右線溶洞揭露情況表明，此處為一大型巖溶管道。

(a) 隧道橫斷面圖；(b) 平面圖

3 突水突泥伴生災(zāi)害源

3.1 突涌災(zāi)害簡況

1) 第1次突水突泥。2013?06?04T09:30放炮結(jié)束，對掌子面檢查，溶洞暴露，與之前估計位置基本相符，沒有增加新的涌水點，繼續(xù)進(jìn)行出渣；13:05掌子面右下部出渣中有泥水流出，為新增涌水點，隨即停止出渣，迅速通知洞內(nèi)作業(yè)人員全部撤離，隨即涌泥量增加，流速增大；13:12人員全部撤離出洞，涌泥同時迅速涌至洞口，涌泥漲落高度為30~60 cm，同時部分流入隧道兩側(cè)水溝中，通過之前在洞口埋設(shè)的直徑為60 cm鋼管排出；瞬間突水、突泥量達(dá)到7 700 m3，50 cm深的泥水頃刻間涌出洞口。

2013?06?07，洞內(nèi)清淤后，對掌子面溶洞進(jìn)行勘察，左線右側(cè)溶洞內(nèi)仍有大量的淤泥，水、泥夾雜砂粒往外流出。

2) 初步處置方案。結(jié)合溶洞情況，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位聯(lián)合研究決定，對左線洞身兩側(cè)溶洞進(jìn)行混凝土回填封堵，預(yù)留直徑為10 cm鋼管排水，引入隧道邊溝，對ZK64+919~ZK64+923段拱底溶腔通道，采用C10混凝土進(jìn)行回填封閉，溶洞段ZK64+919~ZK64+931原設(shè)計ST3復(fù)合襯砌，調(diào)整二襯厚度為50 cm，增設(shè)二襯鋼筋。

3) 第2次突水突泥。2014?04?20T03:00尚家灣隧道進(jìn)口左線ZK64+920處溶洞再次發(fā)生突水突泥，泥水從漿砌擋墻中間的預(yù)留排水管中噴出，水壓較大，噴射距離達(dá)5 m，涌水較為渾濁，攜帶大量細(xì)質(zhì)泥沙；2014?04?21水量有所增大，從溶洞頂側(cè)壁邊噴出；2014?04?22水量有所減小；2014?04?23T21:00，大量泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚度達(dá)1 m左右；2014?04?24泥水從溶洞底部預(yù)留排水管中排出，水量較小。

4) 第3次突水突泥。2014?08?24—2014?09?02，隧址區(qū)連續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致尚家灣隧道ZK64+920處溶洞再次發(fā)生突水突泥事故。泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚度為1.0~1.2 m，泥水迅猛涌出，水壓較高、流速較快，在隧道內(nèi)形成小型水浪，迅速涌至隧道洞口，預(yù)先埋設(shè)的直徑為60 cm排水管處于滿管排水狀態(tài)。

3.2 伴生災(zāi)害源的賦存特征

通過對近50年100余例隧道突涌案例的統(tǒng)計分析，將突水突泥伴生災(zāi)害源劃分為裂隙蓄水型、斷層蓄水型、溶洞蓄水型、巖溶管道蓄水型和地下暗河蓄水型[2?3, 17, 22?28]。

尚家灣隧道地表巖溶發(fā)育，分布大量的洼地、落水洞、漏斗，大氣降水直接通過落水洞、漏斗灌入地下，并通過地下河流向深切河谷，受北東向尚家灣斷裂帶影響，地下形成暗河與巖溶通道。隧道地貌區(qū)出露地層為白堊紀(jì)系紫褐紅色厚層砂巖、砂礫巖、礫巖、泥巖、鈣質(zhì)泥灰?guī)r。由于礫巖多為泥質(zhì)膠結(jié)的石灰質(zhì)礫巖，氣候溫和多雨有利于巖溶、垂直與水平管道發(fā)育，漏斗、溶洞、落水洞、地下河常連成一體。結(jié)合尚家灣隧道施工現(xiàn)場揭露情況可判定，此突涌災(zāi)害源為巖溶管道與地下暗河復(fù)合蓄水型。

隧址區(qū)發(fā)育的溶洞、巖溶管道及地下暗河，受施工開挖影響改變了其原有泥水流動方式，產(chǎn)生伴生突涌災(zāi)害。

3.3 突涌災(zāi)害模式

突涌災(zāi)害是由伴生災(zāi)害源、突涌通道兩部分組成。伴生災(zāi)害源主要為水與泥砂相伴而成，有壓水裹挾泥砂噴涌而出，是內(nèi)在源動力；隧道開挖擾動引起圍巖應(yīng)力重分布，改變了圍巖應(yīng)力狀態(tài)和地下水的流動狀態(tài)，打破了原有地表水下滲和地下水徑流的通道，加速了水循環(huán)，揭露的巖溶管道成為最有利于水源運移的通道和路徑，因此，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢運移路徑。

突涌災(zāi)害發(fā)生過程是含水介質(zhì)系統(tǒng)、水動力系統(tǒng)以及圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因隧道開挖而發(fā)生急劇變化，存貯在地下的水體能量瞬間釋放，以流體的形式攜帶泥砂、巖屑等高速地向開挖臨空面內(nèi)運移的一種動力破壞模式。其中，瞬間釋放的水體裹挾泥砂、巖屑形成復(fù)雜介質(zhì)的伴生災(zāi)害源，由伴生災(zāi)害源引發(fā)的災(zāi)害為伴生災(zāi)害。

3.4 突涌災(zāi)害機(jī)理

2013?05?31發(fā)生突涌災(zāi)害前2 d內(nèi)曾出現(xiàn)強(qiáng)降雨，涌出泥砂中含有松子，推測該處突水涌泥水源的一部分來源于地表。2014?04?10—2014?04?19和2014?08?24—2014?09?02，尚家灣隧道隧址區(qū)均出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨現(xiàn)象。3次突涌災(zāi)害都是發(fā)生在強(qiáng)降雨后，同時隨著降雨結(jié)束，突涌水量減小，進(jìn)一步說明突涌災(zāi)害源的一部分來源于地表。

從水文地質(zhì)特征看：尚家灣隧道地下巖溶水系統(tǒng)主要以巖溶管道為儲存空間和運移通道，接受大氣降水補給，其補給方式為：大氣降雨—巖溶洼地匯集—巖層間裂隙灌入—地下巖溶水體，且徑流排泄暢通，流量季節(jié)性變化明顯。同時，位于尚家灣斷裂帶地表處，存在一特大型洼地，降雨時，周圍各處水流都匯聚于此，通過洼地補給地下徑流，導(dǎo)致地下水流量大幅度增加。

外因則為尚家灣隧道的開挖擾動，隧道爆破開挖導(dǎo)致隔水阻泥層強(qiáng)度與整體性降低，打破了該處巖溶管道原有的流動模式，積蓄已久的泥水伴生災(zāi)害源發(fā)生能量釋放，向隧道內(nèi)運移造成突涌災(zāi)害。

4 治理與預(yù)防措施

4.1 治理

隧道工程中突遇巖溶管道時，常常采用引排水法、堵填法、跨越法、繞避法等對巖溶管道進(jìn)行治理。治理過程遵循以下原則：1) 管道型突涌水治理與伴生裂隙涌水治理相結(jié)合；2) 治理過程中應(yīng)特別注意生態(tài)環(huán)境保護(hù)，避免對地下水生態(tài)環(huán)境造成污染和危害； 3) 限量排放與跟蹤監(jiān)控相結(jié)合。

尚家灣隧道左線ZK64+920處巖溶管道水流主要來源于大氣降水的匯集，持續(xù)強(qiáng)降雨水是導(dǎo)致隧道巖溶管道突水突泥的主要原因，屬于季節(jié)性強(qiáng)補給型巖溶管道。

針對季節(jié)性強(qiáng)補給大型巖溶管道發(fā)生突水涌泥災(zāi)害時壓力高，流量大，突水過程中夾雜大量泥砂、塊石，容易形成成分復(fù)雜的伴生災(zāi)害源，且其水量補給廣，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境聯(lián)系緊密的特點，采取引排為主，攔排結(jié)合的治理方案。

首先，保持利用好原巖溶管道的排泄管道，不能隨意封堵。隧道采用跨越法穿過巖溶管道區(qū)，并在與巖溶管道相交的隧道底板處設(shè)置大孔徑排泄管道，以維持原有巖溶地下水的流動方式。

其次，在隧道巖溶管道內(nèi)設(shè)置緩沖層，攔截大粒徑塊石，防止引起排泄管道堵塞及地表塌陷，保證山嶺隧道址區(qū)生態(tài)環(huán)境。

再次，巖溶管道與左、右隧洞相交處施作混凝土擋墻，使巖溶水不能通過下游管道流向左、右線洞內(nèi)，減小巖溶水對隧洞的危害。

最后，采取巖溶管道防護(hù)層、結(jié)構(gòu)保護(hù)層、初支加強(qiáng)層等綜合措施治理。

對于地下水與地表水有直接水力聯(lián)系的隧道，由于地下水水量及水壓隨降雨量變化，施工中應(yīng)盡快將圍巖自身承載力、初期支護(hù)和二次襯砌有機(jī)地結(jié)合起來，共同抵御水壓，避免各工序間隔時間過長，造成單一支護(hù)方式抵抗水壓。此外，當(dāng)二次襯砌不能緊跟時，應(yīng)考慮提高初期支護(hù)強(qiáng)度。

尚家灣隧道左線ZK64+920處巖溶管道的治理方案，如圖9所示，其中：

1) 采用疏通方案，將溶腔內(nèi)巖溶水引排至路基側(cè)向盲溝內(nèi)排出至洞外。

2) ZK64+917~931段由ST3b復(fù)合式襯砌調(diào)整為ST3a復(fù)合式襯砌。

3) 在ZK64+920路基兩側(cè)增設(shè)盲溝檢查井，檢查井需定期清淤。

4) 直徑為30 cm排水鋼管打孔段布置與襯砌拱腳處，打孔段長約1 m，孔徑為4 cm，梅花形布置，打孔段鋼管外裹350 g/m2無紡布。

4.2 預(yù)防措施

1) 內(nèi)外結(jié)合(隧道內(nèi)圍巖揭露情況與外部隧址區(qū)環(huán)境相結(jié)合)。在隧道施工過程中，動態(tài)分析圍巖變化情況，根據(jù)地質(zhì)勘查資料全面把握掌子面前方圍巖可能存在的災(zāi)害源賦存環(huán)境。

2) 綜合預(yù)報。在隧道開挖過程中，采用長期與短期相結(jié)合的綜合物探技術(shù)進(jìn)行連續(xù)超前地質(zhì)預(yù)報。針對災(zāi)害源賦存明顯區(qū)域開展超前鉆探，提高災(zāi)害源辨識度。采用激發(fā)極化法和瞬變電磁法探測隧道前方含水構(gòu)造的位置和規(guī)模，提高對含水體水量的辨識度。

3) 循環(huán)推進(jìn)，交叉評價。仔細(xì)研究施工前方地質(zhì)勘查資料，結(jié)合最新的超前物探資料，采用循環(huán)推進(jìn)、交叉評價的層位及構(gòu)造探控方式，進(jìn)一步查明施工前方的地質(zhì)構(gòu)造情況，重點評價地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)、物探解釋的災(zāi)害源賦存區(qū)，保證施工安全。

4) 動態(tài)補探。在發(fā)現(xiàn)災(zāi)害源賦存后，及時采取補探，以明確災(zāi)害源走勢與規(guī)模。準(zhǔn)確判定災(zāi)害源的三維空間位置，便于提前采取預(yù)防措施。

5) 綜合治理。建立一套完整的災(zāi)害防治技術(shù)，針對發(fā)生的突涌災(zāi)害進(jìn)行綜合治理。

5 結(jié)論

1) 尚家灣隧道突涌災(zāi)害源主要來自地表降水匯集，隧道施工開挖擾動和持續(xù)強(qiáng)降雨水是導(dǎo)致隧道巖溶管道發(fā)生突涌災(zāi)害的主要原因，屬于季節(jié)性強(qiáng)補給型巖溶管道突涌災(zāi)害。

2) 揭示了尚家灣隧道突涌災(zāi)害源的賦存特征，同時提出了突涌災(zāi)害是由伴生災(zāi)害源、突涌通道兩部分組成。伴生災(zāi)害源是內(nèi)在源動力，突涌通道是災(zāi)害源的優(yōu)勢運移路徑。

3) 施工采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報手段是可靠有效的，準(zhǔn)確預(yù)報了災(zāi)害源的位置與走勢。

4) 針對突涌災(zāi)害事故，提出了相應(yīng)的治理原則、治理建議、治理方案及后續(xù)施工的預(yù)防措施。

[1] 佘詩剛, 林鵬. 中國巖石工程若干進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 33(3): 433?457. SHE Shigang, LIN Peng. Some developments and challenging issues in rock engineering field in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(3): 433?457.

[2] 李利平, 路為, 李術(shù)才, 等. 地下工程突水機(jī)理及其研究最新進(jìn)展[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2010, 40(3): 104?118. LI Liping, LU Wei, LI Shucai, et al. Research status and developing trend analysis of the water inrush mechanism for underground engineering construction[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2010, 40(3): 104?118.

[3] 李利平, 李術(shù)才, 張慶松. 巖溶地區(qū)隧道裂隙水突出力學(xué)機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(2): 523?528. LI Liping, LI Shucai, ZHANG Qingsong. Study of mechanism of water inrush induced by hydraulic fracturing in karst tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2): 523?528.

[4] 白明洲, 許兆義, 王連俊, 等. 復(fù)雜巖溶地區(qū)隧道施工突水地質(zhì)災(zāi)害研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2006, 16(1): 114?118. BAI Mingzhou, XU Zhaoyi, WANG Lianjun, et al. Study on water outburst geological disaster of tunnel construction at complicated karst zone[J]. China Safety Science Journal, 2006, 16(1): 114?118.

[5] 李曉昭, 羅國煜, 陳忠勝. 地下工程突水的斷裂變形活化導(dǎo)水機(jī)制[J]. 巖土工程學(xué)報, 2002, 24(6): 695?700. LI Xiaozhao, LUO Guoyu, CHEN Zhongsheng. The mechanism of deformation and water conduction of fault due to excavation in water inrush in underground engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(6): 695?700.

[6] 楊兵. 宜萬鐵路馬鹿箐隧道巖溶災(zāi)害的工程處治技術(shù)[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2011, 7(3): 581?586. YANG Bing. Treatment techniques for karst disaster of Maluqing tunnel on Yichang?Wanzhou railway[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011, 7(3): 581?586.

[7] 李圍. 巖溶山區(qū)公路隧道施工突水的機(jī)理和模式分析[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 26(6): 125?128. LI Wei. Analysis on mechanisms and modes of water inflow behavior with highway tunnel constructed in karst mountainous areas[J]. Journal of Guizhou University (Natural Sciences), 2009, 26(6): 125?128.

[8] GISBERT J, VALLEJOS A, PULIDO-BOSCH A. Environmental and hydrogeological problems in karstic terrains crossed by tunnels: a case study[J]. Environmental Geology, 2009, 58(2): 347?357.

[9] COLI M, PINZANI A. Tunneling and hydrogeological issues: a short review of the current state of the art[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(3): 839?851.

[10] 周宗青, 李術(shù)才, 李利平, 等. 巖溶隧道突涌水危險性評價的屬性識別模型及其工程應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(3): 818?826. ZHOU Zongqing, LI Shucai, LI Liping, et al. Attribute recognition model of fatalness assessment of water inrush in karst tunnels and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(3): 818?826.

[11] 許振浩, 李術(shù)才, 李利平, 等. 基于風(fēng)險動態(tài)評估與控制的巖溶隧道施工許可機(jī)制[J]. 巖土工程學(xué)報, 2011, 33(11): 1715?1725. XU Zhenhao, LI Shucai, LI Liping, et al. Construction permit mechanism of karst tunnels based on dynamic assessment and management of risk[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1715?1725.

[12] 劉超, 唐春安, 李連崇, 等. 基于背景應(yīng)力場與微震活動性的注漿帷幕突水危險性評價[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(2): 366?372. LIU Chao, TANG Chunan, LI Lianchong, et al. Analysis of probability of water inrush from grout curtain based on background stress field and micro seismicity[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(2): 366?372.

[13] 李術(shù)才, 劉斌, 李樹忱, 等. 基于激發(fā)極化法的隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(7): 1297?1309. LI Shucai, LIU Bin, LI Shuchen, et al. Study of advanced detection for tunnel water bearing geological structures with induced polarization method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1297?1309.

[14] 劉斌, 李術(shù)才, 李樹忱, 等. 電阻率層析成像法監(jiān)測系統(tǒng)在礦井突水模型試驗中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(2): 297?307. LIU Bin, LI Shucai, LI Shuchen, et al. Application of electrical resistivity tomography monitoring system to mine water inrush model test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(2): 297?307.

[15] 王鷹, 陳強(qiáng), 魏有儀, 等紅外探測技術(shù)在圓梁山隧道突水預(yù)報中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(5): 854?857. WANG Ying, CHEN Qiang, WEI Youyi, et al. Application of infrared acquisition technology in prediction of water gushing in Yuanliangshan tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(5): 854?857.

[16] 張梅, 肖廣智, 趙西民, 等. 張集鐵路舊堡隧道F3斷層帶突水突泥處治技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2011, 48(4): 1?5. ZHANG Mei, XIAO Guangzhi, ZHAO Ximin, et al. Water and mud outburst treatment for F3 fault of the Jiubao Tunnel on the Zhangjiako?Jining Railway[J]. Modern Tunnelling Technology, 2011, 48(4): 1?5.

[17] 李利平, 李術(shù)才, 崔金聲. 巖溶突水治理漿材的試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 32(12): 3642?3648. LI Liping, LI Shucai, CUI Jinsheng. Experimental research on chemical grout for treating waer inrush in rock mass[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 32(12): 3642?3648.

[18] 張民慶, 孫國慶. 隧道工程突泥突水災(zāi)害處治技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2011, 48(6): 117?123. ZHANG Minqing, SUN Guoqing. Technology for treating mud and water bursts in tunneling[J]. Modern Tunnelling Technology,2011, 48(6): 117?123.

[19] 周文峰. 地震反射波法(TSP)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用研究[D]. 成都: 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院, 2009: 47?49. ZHOU Wenfeng. The application and research of seismic reflection wave method (TSP) in the tunnel geological prediction[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology. School of Geophysics, 2009: 47?49.

[20] 許振浩, 李術(shù)才, 張慶松, 等. TSP超前地質(zhì)預(yù)報地震波反射特性研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2008, 4(4): 640?644. XU Zhenhao, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Reflection characteristic of seismic wave in TSP advance geological prediction[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2008, 4(4): 640?644.

[21] 薛詡國, 李術(shù)才, 張慶松, 等. TSP203超前預(yù)報系統(tǒng)探測巖溶隧道的應(yīng)用研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2007, 3(7): 1187?1191. XUE Yiguo, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Application of TSP203 advanced prediction to tunnel in karst areas[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007, 3(7): 1187?1191.

[22] 周軍偉. 白云隧道突水、突泥段施工技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2011, 31(4): 504?509. ZHOU Junwei. Coping with mud/water bursting in tunnel construction: case study on Baiyun Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2011, 31(4): 504?509.

[23] 許文鋒. 海底隧道突水涌泥機(jī)理及對策研究[J]. 海洋技術(shù), 2009, 28(2): 73?76. XU Wenfeng. Study on mechanism and countermeasure of water inrush and burst mud in subsea tunnel[J]. Ocean Technology, 2009, 28(2): 73?76.

[24] 劉寶臣, 向志坤, 林玉山, 等. 錦屏二級水電站隧洞工程巖溶涌突水機(jī)理[J]. 桂林工學(xué)院學(xué)報, 2008, 28(4): 484?488. LIU Baochen, XIANG Zhikun, LIN Yushan, et al. Karst tunnel water gushing mechanism in Jinping stage 2 hydropower station[J]. Journal of Guilin University of Technology, 2008, 28(4): 484?488.

[25] 姜云, 王蘭生. 深埋長大公路隧道高地應(yīng)力巖爆和巖溶涌突水問題及對策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(9): 1319?1323. JIANG Yun, WANG Lansheng. Problems of high stress rock burst and water outburst and countermeasures in deep and long tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(9): 1319?1323.

[26] 陳紹林, 李茂竹, 陳忠恕, 等. 四川廣(安)—渝(重慶)高速公路華鎣山隧道巖溶突水的研究與整治[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2002, 21(9): 1344?1349. CHEN Shaolin, LI Maozhu, CHEN Zhongshu, et al. Study and treatment on karst water outburst in Huangyingshan Tunnel for Anyu expressway from Guangan of Sichuan to Chongqiong[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(9): 1344?1349.

[27] 佘林輝. 隧道涌突水的原因和預(yù)測預(yù)報方法[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(2): 164?168. SHE Linhui. Causes for water inflow/bursting in tunneling and its prediction methods[J]. Tunnel Construction, 2012, 32(2): 164?168.

[28] 王國斌, 晏鄂川, 楊文東. 烏池壩隧道巖溶發(fā)育特征與突水機(jī)理研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2008, 32(8): 152?156. WANG Guobin, YAN Echuan, YANG Wendong. Research on development and water burst mechanism of karst in Wuchiba Tunnel[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 32(8): 152?156.

(編輯 楊幼平)

Comprehensive analysis on disaster associated by water inrush and mud gushing in Shangjiawan karst tunnel

YUAN Yongcai1, LI Shucai1, LI Liping1, ZHANG Qianqing1, SUN Bolin2, SHI Shaoshuai1

(1. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Baoyi Expressway Construction Headquarters of Hubei Province, Yichang 444200, China)

By combining the application of long-term prediction and short-term prediction in the Shangjiawan Tunnel, the spatial scale and location of associated disaster sources were accurately predicted. A comprehensive prediction system based on advanced drilling results was established. For the three occurring water inrush disasters, detailed hydrogeology analysis and site survey were carried out to identify the source of inrush water, and the distribution and occurrence characteristics of inrush disaster sources and their inrush mode were successfully revealed. The water inrush disaster was composed of associated disaster sources and inrush channel. Associated disaster sources were the source of power and inrush channel was the dominant migration path of disaster source. Furthermore, a set of associated disaster sources detection and prevention technology were established including the internal and external integration (combined the exposing situation of tunnel surrounding rock and the external environment of tunnel site), comprehensive prediction, cycle forward, cross-evaluation, dynamic detection and comprehensive treatment. The corresponding treatment principles, treatment scheme and preventive measures of the subsequent construction aiming at inrush disasters were presented.

karst tunnel; water inrush and mud gushing; disaster sources; comprehensive prediction;

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.028

U452

A

1672?7207(2017)01?0203?09

2016?01?24；

2016?03?18

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB036000)；國家自然科學(xué)基金重點資助項目(51139004)；國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51479106)(Project(2013CB036000) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51139004) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China; Project(51479106) supported by the General Program of the National Natural Science Foundation of China)

袁永才，博士研究生，從事地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報與防治研究；E-mail: yuanyc924@163.com