湖北某隧道突涌水災(zāi)害防治研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

突涌水是泛指隧道及地下工程所處地層原先的平衡狀態(tài)因工程因素或氣候因素被破壞[1-2]。隔水結(jié)構(gòu)不斷被侵蝕、劈裂破壞，最終突水通道形成，所處地層原先的平衡狀態(tài)被打破，是包含有水動(dòng)力學(xué)、斷裂與損傷力學(xué)以及流體力學(xué)的動(dòng)力災(zāi)變的復(fù)雜演化過(guò)程。隧道突涌水災(zāi)害的組成部分包括災(zāi)害源、突水通道與隔水阻泥結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度對(duì)突涌水類型進(jìn)行了劃分，以下為幾個(gè)典型的劃分：袁永才根據(jù)不同隔水阻泥結(jié)構(gòu)的性質(zhì)將突涌水災(zāi)害歸納為隔水巖體破壞和充填介質(zhì)失穩(wěn)兩類；李術(shù)才和王康等[3]依據(jù)不良地質(zhì)體的類型特點(diǎn)，將不良地質(zhì)體分為裂隙、斷層、地下河及管道、膏溶角礫巖等，結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)劃分為五種致災(zāi)模式；羅雄文[4]等通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外隧道突涌水災(zāi)害產(chǎn)生原因，提出了五種突涌水致災(zāi)構(gòu)造及其致災(zāi)模式；王國(guó)斌[5]根據(jù)隧道水文地質(zhì)特征分為巖溶管道充填物滲透失穩(wěn)模型、斷層及其充填體失穩(wěn)模型及復(fù)合式突涌水模型等等。

二、演化機(jī)理

以單位水體在空間中位置的變化來(lái)看，水體形成突涌水過(guò)程大致為：大氣降雨和地表徑流(水源)、地形地貌匯水、地質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)水、地層巖性加大水體儲(chǔ)量、施工或降雨擾動(dòng)圍巖，最終形成突涌水。

由于不同隧道圍巖體的地質(zhì)條件不同，因此各突涌水災(zāi)害的形成過(guò)程及涌水機(jī)理不盡相同，但都屬平衡狀態(tài)的破壞，破壞必須滿足三個(gè)方面的條件：

1.儲(chǔ)水條件→災(zāi)害源，這是災(zāi)害源的初發(fā)之地，褶皺、向斜、巖溶溶腔、斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造是良好的儲(chǔ)水體。

從突涌水災(zāi)害源形成到釋放過(guò)程中，災(zāi)害源的形式、擾動(dòng)形式、隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成有多種情況，主要有：

①斷層破碎帶儲(chǔ)水，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成，水體涌入隧道。

②巖溶儲(chǔ)水，不斷溶蝕隔水結(jié)構(gòu)，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成，水體涌入隧道。

③其他含水構(gòu)造，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)最終突水通道形成，在水壓作用下，水體涌入隧道。

2.釋放條件→隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成，突水通道形成后，使得水源夾帶巖土顆粒形成災(zāi)害源有了釋放的通道和方向。

3.誘發(fā)條件→擾動(dòng)，工程施工和降雨對(duì)地層穩(wěn)定性產(chǎn)生，擾動(dòng)誘發(fā)隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成，尤其是工程施工中的爆破振動(dòng)，影響較遠(yuǎn)(1-3m左右)。

三、工程概況

(一)工程簡(jiǎn)介

湖北某隧道在DK365+010～DK365+263段穿越斷層，此斷層橫向長(zhǎng)達(dá)45km.縱向?qū)?53m，近乎于垂直將齊岳山山脈切斷，一經(jīng)擾動(dòng)，非常容易發(fā)生突涌水，并且水壓很高，工程實(shí)際測(cè)試達(dá)2.6-3.6MPa，相當(dāng)于260-360m的水頭。

(二)涌水過(guò)程機(jī)理分析

以此斷層突涌水的過(guò)程為例：

1.掌子面出現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)線狀裂縫涌水→突水通道首次形成，災(zāi)害源水體與隧道聯(lián)通；

2.12h后，涌水成間隙性噴射，渾黃泥水→破碎帶巖石被涌水運(yùn)移，增大突水通道；

3.12h30min，出現(xiàn)0.6m2豁口，伴有噴砂，突水1000m3/h→出水點(diǎn)沖潰，形成更大突水通道；

4.13h30min，650m3/h；

5.14h30min，出現(xiàn)新裂縫，突水1000m3/h→水力劈裂持續(xù)作用；

6.15h30min，465m3/h；

7.15h50min，渾濁、伴有泥沙→水體繼續(xù)沖刷突水通道，增大突水通道；

8.22h30min，出現(xiàn)0.5m2沖洞，突水陡增，10000m3/h，攜帶泥渣→形成重大突涌水。

此斷層最典型的突涌水過(guò)程及形式大致如上述，屬斷層破碎帶儲(chǔ)水，工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)，在水壓作用下，水體不斷侵蝕隔水結(jié)構(gòu)直至突水通道形成，水體涌入隧道，水體變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，侵蝕作用加大，不斷沖刷突水通道，逐漸形成重大突涌水[6]。

(三)數(shù)值模擬

1.計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

本文采用FLAC2D對(duì)此大斷層突涌水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。巖土體材料破壞選用Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則。

計(jì)算模型范圍選擇：寬×高=40m×40m，劃分成1600個(gè)單元。溶管直徑取9m，開(kāi)挖隧道的直徑為8m。隧道圍巖水平應(yīng)力為18MPa，模型上邊界模擬埋深600m時(shí)的自重應(yīng)力為15MPa。模型下部固定，左右邊界限制水平移動(dòng)。材料破壞選用Mohr-Coloumn破壞準(zhǔn)則。

從此大斷層突涌水過(guò)程的模擬結(jié)果可知，隔水結(jié)構(gòu)厚度越小，其侵蝕沖刷的破壞速率越快。說(shuō)明了隧道突水是受水壓、巖溶充填物與隧道圍巖塑性區(qū)范圍等多因素影響的漸進(jìn)破壞過(guò)程。

(四)處治措施

結(jié)合此隧道工程地質(zhì)情況(采用地質(zhì)與物理探查技術(shù)結(jié)合，探明突涌水處后方地層情況為斷層破碎儲(chǔ)水)，綜合考慮制定出反坡排水為主與帷幕注漿加固堵水為輔的方案。

反坡排水：設(shè)置泵站機(jī)械方式將突涌水排出洞外；監(jiān)測(cè)涌水速度等參數(shù)以預(yù)計(jì)涌水量大小，設(shè)置臨時(shí)泵站水倉(cāng)、臨時(shí)集水坑并及時(shí)更改排水設(shè)備參數(shù)，確保排水暢通和洞內(nèi)不積水。

帷幕注漿加固堵水：綜合已有災(zāi)害相關(guān)參數(shù)確定注漿相關(guān)參數(shù)，采用分段式前進(jìn)注漿，材料選用水泥漿加控制漿液，由淺入深，分級(jí)分序，同孔分步注漿堵水。

四、結(jié)語(yǔ)

①以地下水單位水體在空間中位置的變化，描述突涌水災(zāi)害的形成過(guò)程，體現(xiàn)了形成過(guò)程多樣性，但都滿足儲(chǔ)水、釋放、誘發(fā)三個(gè)條件。

②以湖北某隧道為例，著重分析斷層破碎帶突涌水演化工程及機(jī)理和防治措施。

③通過(guò)FLAC2D對(duì)斷層突涌水做了簡(jiǎn)單數(shù)值模擬，分析其破壞場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)變化規(guī)律，分析其災(zāi)害形成過(guò)程。