隧道突水突泥災害控制技術研究現狀分析

韋 鋒

（榆林學院建筑工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

突水突泥是制約隧道建設的嚴重地質災害，開展富水全強風化花崗巖地層隧道突水突泥控制技術研究至關重要。在隧道突水突泥災害防控理論方面，最常用的手段是水源探測、疏水降壓和堵水加固。其中水源探測是決策依據，疏水降壓和堵水加固是控制方法。

1 水源探測

準確確定突水突泥災害水源位置及大小，是災害預測及防治的關鍵，目前常用的突水水源判別及探測方法是水化學方法及地球物理探測方法。水化學方法是通過分析水化學數據特征（包括離子含量、礦化度、硬度、堿度、PH 值等）來判斷突水水源，具有快速、準確、經濟的特點。國內學者在應用水化學特征方面已做了大量研究，并從以往簡易的水化學分析方法，逐漸發展到今天的多元統計學方法、非線性分析方法等。地球物理探測方法是基于水與地層巖性間的磁性、電性等物理性質的差異，推測含水構造的空間賦存位置，主要有電法勘探、磁場勘探等。

簡單的水化學方法包括對水源的特征分析、同位素分析、水質類型對比分析。通過對突水水樣指標（包括物理化學指標）進行分析，結合地層地質條件判斷突水水源。此外，很多學者將數學方法應用至突水水源判別中，形成了多元統計學方法和模糊數學、灰色系統、人工神經網絡等眾多非線性分析方法。此外，多云混合模型、可拓識別法、SVM 支持向量機、投影尋蹤法等非線性分析方法均成功應用至水源探測中。

近幾十年來，地球物理探測方法得到快速發展。為水源探測提供更直接有效的無損探測，王書剛等引進紅外線探測技術對隧道突水突泥災害水源進行探測，并在龍潭特此隧道進行實踐驗證，韓德平等采用電法探測技術對采煤工作面頂板水源進行有效探測，林君等采用地下磁共振探測方法（UMRS）至地下工程地下水超前探測，實現隧道工程及煤礦開采等狹小空間探測要求，武軍杰、張春光、張平松介紹了瞬變電磁技術在隧道地層含水體探測中的應用，可實現對水源快速準確地識別。

2 疏水降壓

在富水高壓地層，需要采取合理的防治水措施來控制突水災害發生，疏水降壓作為最為常用有效的防治水方法，已被廣泛應用至煤層開采、隧道等工程突水災害防治中。張文泉等[1]針對煤層底板突水災害防治指出：在淺部水頭壓力較低時，可采用疏水降壓技術，降低壓力水頭至開采水平以下，進而消除突水災害動力來源。楊善安指出可從礦井水文地質方法和特殊開采的采煤方法兩方面采取防治水措施，來防治煤層底板斷層的突水，礦井水文地質方法是指疏水降壓、薄弱帶加固、預留防水煤柱等方法，而特殊開采的采煤方法中最常用、最有效的方法是通過縮短工作面尺寸的短壁采煤法。呂保民將礦井突水通道分成巖溶陷落柱、斷裂帶、裂隙等天然導水通道，及采煤形成的冒落帶、導水裂隙帶等人為導水通道，并總結導水通道突水的防治，需要采取物探、鉆探、留設煤柱、疏水及注漿等綜合措施。徐瑞英系統介紹礦井疏水降壓防治技術的適用條件及分類，指出疏水降壓防治技術主要適用含水層，屬于自身充水含水層、直接充水含水層、充水含水層以靜儲水為主、煤層底板存在高壓含水層且隔水層厚度較薄情形下，通過疏水降壓可降低含水層的壓力水頭、消減峰值水量。

吳銳等針對隧道斷層帶高壓富水特性，提出疏水降壓方法進行治理，并對比井點降水和兩側排水洞降水兩種方案效果，指出采用兩側設置排水洞降水方案能夠有效降低水位，較井點降水效果要好，但排水洞降水方案受降雨滲入影響，實際實施過程中還需考慮降雨的影響。王心義等針對平煤股份八礦煤底板寒武灰巖水壓高、水溫高及富水性不均勻的特點，依據地質構造、隔水層、含水層、物探等綜合勘探信息，分析了含水層賦存規律，并通過布置7 個排水孔將含水層水位降低了17m 以上。楊兵等分析宜萬鐵路馬鹿箐隧道歷次突水特征，介紹了“泄水釋能工法”在巖溶水處治中的應用，并指出該工法具有一定的適用條件：在特大體量富水溶腔采用該工法能取得較好效果，而在高壓管道流、裂隙帶、破碎帶，則宜采用“以堵為主、限量排放”的治理方法。

3 注漿堵水加固

注漿作為隧道突水突泥災害防治的關鍵堵水加固技術手段，其理論現狀及其工程應用效果是注漿設計、實施及效果評估的基礎。在理論上，注漿研究重點是漿液的擴散及加固規律，并建立漿液擴散半徑、注漿壓力、注漿流量、注漿時間等各因素間的關系，由于地層介質、注漿材料及注漿壓力等參數的不同，漿液在地層的擴散具有滲透、擠密、充填及劈裂等不同形式，并由此逐漸形成相應滲透注漿理論、壓密注漿理論、劈裂注漿理論等。

滲透注漿是在不破壞地層結構構造的壓力下，將低粘度漿液注入巖土體介質孔隙或裂隙中。滲透注漿理論最先出現在多孔介質滲透注漿中，將漿液作為牛頓流體，Maag 基于Darcy 定律建立砂土中的球形擴散公式，Karol、Raffle 等導出球形擴散半徑、漿液流量及壓力間的關系，形成了相應的球形擴散理論及柱形擴散理論。此后，考慮漿液的非牛頓特性，不少學者將漿液看作為賓漢姆流體、冪律流體，并考慮漿液的粘度時變特性，建立非牛頓特性下的滲透注漿理論，推動了滲透注漿理論的發展。

壓密注漿是將濃稠的漿液注入土體，通過注漿孔向土體擠壓，在土體形成球狀或柱狀的漿泡，并隨著漿液的持續進行而形成圓柱狀漿液結石體，從而擠壓周圍土體而提高強度，達到加固效果。Graf 最早介紹壓密注漿的基本理論及其施工流程，并結合實際工程介紹其實施效果。Brown 等研究了壓密注漿的試驗過程及實際應用情況。Wang 等研制了土體壓密注漿試驗儀器，對全風化花崗巖開展不同圍壓的壓密注漿試驗。壓密注漿的理論是圓孔擴張理論，目前關于圓孔擴展理論已有不少成果，EI-Kelesh 等基于擴孔理論及土體錐形剪切破壞建立了壓密注漿理論模型，并提出壓密注漿設計方法。

在致密的土體中注漿，如全強風化花崗巖，經常出現另一種漿液擴散模式，即劈裂注漿，劈裂注漿是通過施加較大的注漿壓力，使土體產生劈裂，漿液進入劈裂縫內，以漿脈形式擴散，漿脈擠壓土體及形成骨架進而對地層進行加固。土體的啟裂壓力是土體發生劈裂破壞的臨界條件，Wong 等在分析巖土體劈裂注漿過程的基礎上，認為劈裂縫是注漿壓力引起的拉應力超過巖土體抗拉強度后產生的，指出土體啟裂壓力與所受到的地應力相當，而巖體啟裂壓力則相當于地應力水平與抗拉強度之和。Jaworski 等通過水壓致裂試驗指出啟裂壓力與土體密度、地應力狀態、含水量等因素有關。Mori 和Tamura 通過對不同粘性土進行水力劈裂試驗，將劈裂破壞模式分成張拉劈裂、剪切劈裂及其它破壞準則，并認為黏性土中的劈裂主要是剪切破壞模式。結合試驗結果，白云和侯學淵[2]、陳愈炯及譚毓浚等學者指出劈裂注漿是一個先壓密后劈裂的過程，并將漿液在土體中流動分成鼓泡擠密、劈裂流動及被動土壓力三階段。張忠苗和鄒健通過理論分析，導出劈裂注漿時漿液流量、壓力及最大擴散半徑的計算公式。鄒金峰等根據塑性力學和大變形理論，分析土體劈裂力學機理，導出劈裂注漿初始階段的最終注漿壓力。

總體上，關于注漿機理及注漿理論，特別在滲透注漿、擠密注漿、劈裂注漿等注漿理論研究方面已取得了較大進展，許多學者已經開展了一系列的注漿仿真試驗，初步建立了簡化的注漿擴散理論模型。但以上研究均針對靜水條件下的超前預注漿和巖體、土體的防水及加固，并未考慮突水災害過程的復雜動水環境，為此，動水注漿理論成為近些年隧道注漿理論的新方向。在動水注漿方面，任克昌基于流場疊加原理研究了動水條件下漿液擴散形態，并獲得了動水條件下漿液擴散圖像方程。湛鎧瑜等采用自制的注漿試驗設備開展動水條件下漿液的擴散規律研究。張霄設計了準三維裂隙動水注漿試驗平臺，提出動水條件下漿液U 型擴散規律。劉人太基于單一平板裂隙注漿擴散理論模型，建立了漿液動水擴散方程。但以上研究均未涉及三維條件下的動水環境和其他含導水構造。動水注漿理論總體發展不成熟，還無法對動水條件下的漿液擴散、運移及封堵過程進行合理分析，尚未建立災變演化階段的注漿封堵、加固與效果評價模型。目前在針對突水突泥災變演化過程的注漿控制理論研究方面，國內外研究仍然很少。

在工程實踐上，吳治生和付伯森介紹衡廣復線南嶺隧道巖溶治理情況，指出該隧道突出的問題是突水涌泥災害，隧道在施工期間先后發生六次大規模突水涌泥災害。針對突水涌泥災害治理，隧道最終采用洞內注漿、地表注漿、地表與洞內相結合的注漿方式等大規模復合注漿方案，工程實踐表明高壓注漿在南嶺隧道中是較為可行的施工方法。張頂立等、劉招偉等在深入了解圓梁山隧道高風險區域的巖溶水類型及其特征，結合大瑤山隧道、南嶺隧道的建設經驗，在考慮高水壓及環境保護的要求下，按照“以堵為主，限量排放”的原則，對隧道的注漿加固范圍、注漿流量、注漿壓力等注漿參數的確定進行了研究。劉欽等從地質學角度分析了滬蓉西高速龍潭隧道斷層突水突泥發生機理，認為快速補給的地下水、巖溶洞穴堆積物為突水突泥災害創造了必要條件，開挖擾動是誘發災害的關鍵因素，并基于災變機理分析提出超前小導管注漿、前進式分段高壓注漿等治理措施。

宜萬鐵路是目前國內外工程中巖溶及巖溶水最為發育、最為復雜的工程，穿越的白云山隧道、齊岳山隧道、野三關隧道、馬鹿箐隧道多次面臨或發生大型突水突泥災害，在經過大量地質勘察、物探等先期工作基礎上，提出并采用超前地質預報、排水減壓、特殊結構設計、防災報警系統設計及帷幕注漿等復合復雜治理技術。

然而，在富水全強風化花崗巖中，漿液擴散通道因動水沖刷作用，其擴徑效應顯著，在此類地層的注漿過程與裂隙巖體動水注漿存在顯著不同，特別是漿液擴散機理與擴散形式、注漿體強度變形參數與滲透系數變化規律更為復雜。受限于此，注漿技術設計所需的關鍵指標如注漿量、帷幕注漿圈厚度、漿液擴散半徑等也異常復雜，以及注漿后隧道開挖所需的最小防突厚度取值，尚難以從理論層面對富水全強風化花崗巖隧道突水突泥災害的防治進行有效指導，沒有形成完整的防控理論，注漿堵水加固技術多依賴經驗，存在很大的盲目性，不僅不能有效保障隧道安全施工，還有可能造成巨大的資源浪費。

4 突水突泥防控技術研究方向

通過以上研究現狀分析可以看出，盡管在突水突泥災害防控技術理論等方面已經開展了大量研究，并取得了一定的研究成果，但在富水全強風化花崗巖隧道突水突泥致災機理與防控技術理論方面，仍亟需解決以下兩個關鍵問題：

（1）富水全強風化花崗巖隧道突水突泥災害變質量滲流突變行為及其理論模型。

（2）考慮變質量滲流行為的富水全強風化花崗巖隧道突水災害防控技術體系建立，包括隧道帷幕注漿設計、隧道最小防突厚度。

5 結束語

本文對富水全強風化花崗巖地層隧道突水突泥控制技術進行研究，主要結論為：

（1）隧道突水突泥災害防控主要包括水源探測、疏水降壓和堵水加固三種手段。

（2）盡管在富水全強風化花崗巖突水突泥災害防控技術上取得了一定的研究成果，但考慮變質量滲流行為的富水全強風化花崗巖隧道突水災害防控技術體系尚未建立，需進一步研究和總結。