巖溶隧道涌突水災(zāi)害源類型及災(zāi)害防治分析

胡迪勇, 徐 鐘, 王坤云, 楊 竹, 王夢斐, 黃真璞

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610059)

1 引言

在復(fù)雜巖溶區(qū)隧道施工期間常遇到涌突水災(zāi)害問題，涌突水災(zāi)害問題在一定程度上制約著工程進(jìn)度。近年來，由于隧道涌突水災(zāi)害造成的人員傷亡、設(shè)備損壞、工期延誤的安全事故眾多[1]。研究表明，隧道涌突水已成為最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何防治隧道涌突水災(zāi)害是我國當(dāng)前面臨的一大難題。目前隧道涌突水災(zāi)害防治以“以防為主，防治結(jié)合”為方針，以“遠(yuǎn)程控制，中程防治，近距加固”為步驟[2]。如鄒靜嫻等[3]從防、排、堵、截4個方面，闡述了隧道施工時誘發(fā)的涌水災(zāi)害可采取的防治措施。

2 涌突水災(zāi)害劃分

隧道涌突水由災(zāi)害源、突涌水通道和防突結(jié)構(gòu)三部分組成[4]，災(zāi)害源是指突涌水災(zāi)害發(fā)生需要的源動力和物質(zhì)基礎(chǔ)，涌突水災(zāi)害源的合理分類對制定對應(yīng)的防治措施有著重要指導(dǎo)作用。通過研究巖溶隧道突涌水災(zāi)害案例，從災(zāi)害源的角度將突涌水災(zāi)害劃分為裂隙型、管道型、溶洞型、其他型4種類型，其中其他型主要分為斷層型、巖層分界型、暗河型。災(zāi)害源類的典型案例、涌水性特征及示意圖見表1。

表1 災(zāi)害源類的典型案例、涌水性特征及示意圖

3 隧道涌突水防治原則

現(xiàn)有隧道涌突水防治原則為：封堵與導(dǎo)排結(jié)合原則；超前地質(zhì)預(yù)報與預(yù)警機(jī)制相協(xié)同原則；實(shí)時監(jiān)測、信息化跟蹤、隨偏隨糾動態(tài)調(diào)控原則，同時滿足防治措施合理、適用、高效，結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)原則。

4 隧道涌突水防治措施

巖溶隧道突水災(zāi)害防治總體上可采取“避、繞、堵、排、固”的防治措施，針對不同災(zāi)害源引發(fā)的隧道突水災(zāi)害提出了引排、泄水洞設(shè)計、填充物加固、水通道封堵、選線避繞、涌水突防層注漿加固及釋能降壓7種具體的巖溶隧道涌突水災(zāi)害防治措施。對于復(fù)雜的地質(zhì)含水體，可采取多種防治措施相結(jié)合的綜合治理方案。巖溶隧道涌突水綜合防治方案流程見圖1。

圖1 巖溶隧道涌突水綜合防治方案流程圖

4.1 前期工作

4.1.1 工程地質(zhì)勘探

涌突水地質(zhì)災(zāi)害最主要的因素與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)，尤其與斷層、溶洞等不良地質(zhì)位置分布有關(guān)。工程地質(zhì)勘探通常采用地質(zhì)鉆探、坑探和物探深入巖層取得工程地質(zhì)資料，探明涌突水的地質(zhì)條件：巖層巖性及地質(zhì)構(gòu)造條件；探明斷層、分界面、破碎帶的空間分布和變化；水文地質(zhì)條件主要有地下水分布、地下暗河等。

4.1.2 水力聯(lián)通試驗

通過對地下含水區(qū)域進(jìn)行水力聯(lián)通試驗，探查明涌水治理區(qū)間涌水通道的相互聯(lián)系，探明地下水主要流通路徑，為巖溶涌水災(zāi)害的封堵、引排等防治措施提供詳細(xì)資料，有利于實(shí)現(xiàn)在涌突水防治方案中對主要涌水通道的重點(diǎn)封堵，可以減少工作量，節(jié)約施工材料及縮短防治工期，同時為災(zāi)害防治措施的注漿設(shè)計、材料選取及改進(jìn)提供依據(jù)。

4.2 事前控制

4.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

由于巖溶地質(zhì)情況的復(fù)雜性和災(zāi)害突變性，圍巖中存在的隱伏溶腔和承壓水影響著隧道安全，超前地質(zhì)預(yù)報可探測掌子面及周邊破碎帶、富水區(qū)域、隱伏溶洞等不良地質(zhì)情況，提前根據(jù)預(yù)報資料進(jìn)行必要的災(zāi)害防治措施，能大大減少涌突水等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。超前地質(zhì)預(yù)報、巖溶情況探查等地質(zhì)勘探工作已成為隧道開挖前必不可少的工序。

4.2.2 動態(tài)預(yù)警機(jī)制

動態(tài)預(yù)警機(jī)制通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警、應(yīng)急處理四大流程建立。對涌突水前兆信息的收集、識別及規(guī)律分析，進(jìn)行及時預(yù)警，如果達(dá)到隧道安全設(shè)計的預(yù)警值，應(yīng)及時啟動應(yīng)急預(yù)案，排除危險因素后才能正常施工。通常采用傳感器對應(yīng)力場、位移場、溫度場、巖體水壓進(jìn)行數(shù)據(jù)信息收集，根據(jù)收集的信息結(jié)合地質(zhì)勘察報告資料、現(xiàn)場施工條件信息、超前地質(zhì)預(yù)報信息等分析涌突水的演化規(guī)律，建立隧道突涌水動態(tài)預(yù)警機(jī)制。動態(tài)預(yù)警機(jī)制的整套流程有利于實(shí)現(xiàn)對涌突水災(zāi)害的主動防控。

4.3 巖溶隧道涌突水處理措施

4.3.1 裂隙型涌突水防治

裂隙型涌突水宜采用以封堵和注漿加固為主的防治方案，具體如下：

(1)密集鉆孔封堵。由于裂隙型涌突水的點(diǎn)較分散、范圍較廣的特征，注漿治理區(qū)域中應(yīng)增大鉆孔注漿設(shè)計密度，實(shí)現(xiàn)對涌水裂隙通道整個區(qū)域的封堵與加固。

(2)注漿量應(yīng)與壓力相協(xié)調(diào)。由于裂隙型涌突水在注漿封堵過程中，裂隙通道會慢慢封堵，注漿壓力應(yīng)與注漿量相協(xié)調(diào)。可根據(jù)注漿情況適當(dāng)降低注漿終壓，避免注漿壓力過大造成圍巖的變形破壞。

(3)對于連通承壓水通道的節(jié)理裂隙，注漿防治宜采取“引水泄壓、涌水突防層加固”聯(lián)合的防治措施。

4.3.2 管道型涌突水防治

管道型涌突水可采取引排、封堵和堵排結(jié)合的防治方案。在雨水較多的巖溶地質(zhì)山區(qū)，宜連通含水區(qū)域管道,保證主要水流路徑暢通，再進(jìn)行集中引排措施，避免巖體儲存過大水壓。

4.3.3 溶洞型涌突水防治

在巖溶地質(zhì)條件下，溶洞引發(fā)的突涌水災(zāi)害最為常見，災(zāi)害防治應(yīng)當(dāng)以儲水體結(jié)構(gòu)的注漿充填、阻擋和引排為主。防治措施有優(yōu)化隧道選線，避開可能誘發(fā)涌突水災(zāi)害的區(qū)域；大中型巖溶儲水體結(jié)構(gòu)防治時，可采用骨料充填和注漿封堵相結(jié)合的措施，骨料與注漿材料同步注入溶洞，可節(jié)約注漿材料，保證填充材料的結(jié)合強(qiáng)度，減小混合料滲水性；填充型溶洞防治時，可采用防水突防結(jié)構(gòu)層加固、修建排水溝和泄水洞的措施。

4.3.4 其他型涌突水防治

(1)斷層型：隧道施工遇到可斷層破碎帶時，施工擾動可能誘發(fā)突水突泥災(zāi)害，通常情況可采取超前注漿加固防水的防治措施。當(dāng)遇到含水量大、水壓高等危險性較大的施工區(qū)域時，可采取的災(zāi)害防治措施有：全斷面超前注漿；增大斷層區(qū)域注漿范圍、設(shè)計平導(dǎo)輔助排水；軟弱破碎帶斷層超前注漿堵水。

(2)巖層分界型：分為分界面兩邊為可溶巖和非可溶巖以及分界面兩邊為兩種可溶性不同的巖體兩種情況。由于可溶巖具有溶解性、儲水性逐步增大的特點(diǎn)，可采取超前隔水層、注漿加固降低巖體可溶性的防治措施。

(3)暗河型：優(yōu)先采取選線避繞和改變隧道高程跨越的措施；不能避繞時，可采取修建涵管疏通暗河減少水壓作用，同時修建泄水洞以備涌突水災(zāi)害，也可采取注漿截水的措施。

5 結(jié)論

(1)本文從災(zāi)害源的角度將突涌水災(zāi)害劃分為裂隙型、管道型、溶洞型、其他型4種類型，分析了每種類型的涌水特性。

(2)總結(jié)出涌突水防治原則，即封堵與導(dǎo)排結(jié)合原則；超前地質(zhì)預(yù)報與預(yù)警機(jī)制相協(xié)同原則；實(shí)時監(jiān)測、信息化跟蹤、隨偏隨糾動態(tài)調(diào)控原則。

(3)從系統(tǒng)性角度分析了巖溶隧道涌突水綜合防治方案流程，針對相應(yīng)的災(zāi)害源涌突水類型確定了具體的防治措施。