獅子山隧洞穿越P2β3地層向斜構造突水突泥災害源探測及致災機理分析*

郝俊鎖，劉俊峰，邱志洪，王國我

(1.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隧道及地下工程施工過程中突水突泥是最常遇到的地質問題，約占隧道災害事故的1/3[1]，其發生具有難預測性、突發性、破壞性，給施工帶來嚴重的安全威脅。因此，近年來工程技術人員對突水突泥地質問題進行了深入研究。

賀振宇等[2]根據致災構造的成因將隧道典型致災構造分為斷裂帶、巖溶含水體、向背斜和單斜含水層、人工富水空間和水下不良地質體5大類。李曉昭等[3]通過百余例隧道突水突泥案例的統計分析與現場調研，識別概括了2類5種隧道突水突泥致災構造，即富水夾泥斷裂帶(富水斷裂破碎帶及夾泥斷裂帶)與充水充泥巖溶體(深部充水巖溶、表層裂隙巖溶帶及充填巖溶洞穴)，總結分析了不同突水突泥致災構造的典型地質特征，提出了不同突水突泥致災構造的判別理論方法。李術才等[4]通過221例突水突泥災害案例統計分析，將突水突泥致災構造劃分為3類11型，即巖溶類(溶蝕裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型)、斷層類(富水斷層型、導水斷層型、阻水斷層型)、其他成因類(侵入接觸型、層間裂隙型、不整合接觸型、差異風化型、特殊條件型)，研究不同類型致災構造的結構特征、賦存規律和地質判識方法，并開展典型案例分析。

目前,國內外研究者針對隧道及地下工程所遇見的突水突泥類型、致災機理和地質識別進行了系統總結。但隧道突水突泥影響因素眾多，與埋深、地質構造、圍巖地質、地下水及地應力等自然屬性密不可分，同時也與施工方法、技術手段、儀器設備、施工理念與管理經驗等人為因素有著不可分割的關系。獅子山隧洞穿越烏龍壩向斜構造P2β3致密玄武巖Ⅲ類圍巖地層，由于超前地質預報未探明災害源，開挖揭露施工過程中對其賦存特征、致災機制和危害程度辨識不明，導致事故突發。因此，深入研究其突水突泥機理具有重大現實意義。本文在對獅子山隧洞穿越P2β3地層突水突泥災害源賦存特征調查與探測的基礎上，結合地質學原理分析引水隧洞玄武巖地層地質災害源的形成與賦存機制及突水突泥災害發生機理，為類似工程災害源探測及辨識、災害預防提供參考與借鑒。

1 工程概況與現場災害情況

1.1 工程概況

滇中引水工程輸水總干渠引水線路總長664km，其中獅子山隧洞位于賓川縣，全長29.420km。隧洞設計流量125m3/s，凈斷面采用馬蹄形，R=4.60m，寬×高=9.20m×9.20m，底坡為1/4 200。 DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越烏龍壩向斜核部，地層巖性為塊狀～厚層狀微風化P2β3杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖。DLII29+884—DLII31+570段隧洞縱斷面如圖1所示。

圖1 DLII29+884—DLII31+570段隧洞縱斷面示意

1.2 災害情況

1.2.1突水突泥過程

2020年8月10日進行DLII30+737—DLII30+738段上臺階鋼支撐安裝作業，于19：00出現拱部圍巖掉塊，組織作業人員撤離，準備噴射混凝土加固，20：10左右該段拱部突然崩塌，高壓水裹挾大量泥砂碎石突出。11日待出水量減小穩定后，現場踏勘情況如圖2，3所示：①突泥推移范圍約125m，隧洞底板淤積平均厚度約1m，經測算突水突泥總量約8 000m3，突泥量3 500m3，突水約4 500m3；②涌水量80～90m3/h；③觀測不到突泥口位置，目測掌子面約8m被滿堵，拱架原架設13榀，現可見5榀。

圖2 現場突水突泥情況

圖3 測繪縱斷面示意

1.2.2水量監測

突水突泥后，8月11日預估涌水量為80～90m3/h。從12日進行涌水量監測，采取間隔1h統計排水流量計顯示的瞬時流量，計算日平均涌出量。22d統計情況如圖4所示，初期涌水量達130m3/h，1周后涌水量穩定在50～60m3/h，且無明顯變化。

圖4 隧道涌水量檢測曲線

1.2.3突出物組成分析

現場取代表樣進行成分組成分析，樣品呈灰黑色，有砂質感，不具有可塑性，顆粒組成如表1所示。

表1 突出物組成顆粒篩分

由表1分析可知，涌出物質中≤2.5mm成分約占42.6%，主要成分為火山灰，主要由凝灰巖、玄武巖在地下水及風化作用下的產物組成；>2.5mm顆粒約占57.4%，主要由玄武巖碎屑組成。

綜合以上情況，獅子山隧洞DLII30+737—DLII30+738段現場涌水量大，持續時間長，挾帶大量火山灰及玄武巖碎屑，嚴重影響現場施工進度，威脅現場施工人員安全。因此，對現場災害源進行調查，分析災害形成機制，以便為災害預測及災害處治方法提出有效建議。

2 災害源調查與探測

由于隧洞突水突泥影響因素眾多，為避免因對災害源識別不清、方案針對不強、參數不合理或風險估計不足等，導致處治過程中發生次生災害，處治效果不理想而造成窩工浪費，因此，突水突泥后續處理首要任務是搞清災害源賦存特征。本文通過查閱設計地質資料，調查圍巖地質和地表情況，在地質分析的基礎上結合超前物探及鉆探等綜合探測方法對隧洞災害源進行探測及分析。

2.1 地質與水文條件

2.1.1地質條件

隧洞大地構造跨越揚子準地臺(Ⅰ)的麗江臺緣褶皺帶(Ⅰ1)和康滇地軸(Ⅰ2，稱川滇臺背斜)，二者以程海—賓川斷裂(F16)為界，F16以西為鶴慶—洱源臺褶束三級構造單元，F16以東為滇中臺陷三級構造單元。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越烏龍壩向斜核部，平面相互關系如圖5所示。

圖5 隧洞與烏龍壩向斜平面位置關系

2.1.2地層巖性

DLII29+916—DLII31+570段埋深為400～620m，地層巖性為塊狀～厚層狀微風化P2β3杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖，巖體較完整；巖體節理、裂隙多微張～半閉合，裂隙延伸長度<5m，起伏粗糙，無充填～局部巖屑充填；巖層流面走向洞線交角<30°，流面傾角為10°～50°。圍巖強度應力比為2.74～7.38， 巖石強度應力比為4.56～12.31。

2.1.3水文地質

地下水位高出洞身底板350～510m，巖體弱～微透水，滲透系數k=0.02m/d，外水壓力折減系數βe為0.1，洞室以干燥～潮濕為主，洞室平均滲水量為1.4m3/(d·m)(9.4L/(min·10m))，最大滲水量為2.3m3/(d·m)(15.8L/(min·10m))。

2.2 施工調查

2.2.1洞內施工

1)DLII31+138.5—DLII30+749.0段 該段揭示圍巖為致密狀玄武巖。結構面發育1～3組，間距10～30cm，結構面平直光滑，巖體較完整，呈鑲嵌～塊狀結構，圍巖穩定且干燥，支護方式為Ⅲ1類。

2)DLII30+749.0—DLII30+735.0段 該段頂拱巖性為弱風化致密狀玄武巖。掌子面前方存在剪切破碎帶，剪切破碎帶內發育擠壓軟弱泥化夾層，掌子面后方頂拱受構造擠壓影響，巖塊中發育大量石英條帶，呈網紋分布，致密狀玄武巖構造由于壓碎作用突出，巖塊間為軟弱夾層或陡傾平直光滑剪切面嵌合，且沿破碎帶出現滴水、滲水現象，受構造擠壓及結構面滲水影響，巖體結構松弛，切割塊體發育，頂拱存在塊狀塌方風險。圍巖局部不穩，類別及支護方式為Ⅲ1類。隧洞按Ⅲ類圍巖掘進至DLII30+735 處，如圖6所示，掌子面右側拱肩位置發生崩塌，有干燥砂狀巖體涌出并伴隨氣體突出，隨后拱部出現塊狀塌落，并伴有裂隙水流出，坍塌體滑移出10m。

圖6 圍巖地質

2.2.2洞外調查

地表踏勘情況如下：DLII30+738處山體地勢北高南低，埋深約533m，附近沖溝發育較多。地表巖石破碎，完整性差，屬于強風化巖體。在DLII30+738附近存在一天然小沖溝，與隧洞軸線位置關系如圖7所示。沖溝尺寸寬×高=3.5m×3m，與隧洞軸線夾角約64°，兩側植被茂密，無積水。在DLII30+738處半徑500m范圍進行了地表水文地質調查，未發現有泄水區、泉眼、地表陷穴、溶洞、地表裂縫等特殊地質構造。

圖7 沖溝與隧洞軸線位置關系示意

通過突水突泥段洞內外地質調查，結合設計地質資料綜合分析結論為：①突泥突水位置位于烏龍壩向斜構造核心軸部附近；②該段隧洞穿越地層為P2β3致密玄武巖，圍巖級別為Ⅲ，接近突水突泥位置圍巖節理、裂隙發育；③開挖揭露致密玄武巖段無地下水，裂隙發育地段存在滲水、滴水現象；④突水突泥瞬間壓潰拱部頂板，賦存能量較大；⑤地下水主要為基巖裂隙水，主要影響因素為降雨。

2.3 物探探測

探測分2步實施：首先，在DLII30+810處進行長距離物探測試(距離突水突泥位置72m)，初步掌握突水突泥對已開挖洞段的影響情況和災害源特征，避免盲目清淤與反壓接近突潰位置時發生次生災害。其次，在掌子面反壓穩定后，對DLII30+745處進行二次物探，并進行超前鉆孔探測，以便相互驗證。

2.3.1第1次物探結果(見圖8)

圖8 第1次物探結果

1)TGS法 DLII30+738—DLII30+707段縱波速度范圍在5 200～6 500m/s，推斷該段圍巖為坍塌空腔區，巖體完整性差～較破碎，節理、裂隙發育，穩定性差，易發生坍塌，地下水較發育，以線狀～股狀流水為主。

2)地震波法(AGI-T3) DLII30+728—DLII30+705段受構造裂隙影響，巖石風化程度高，節理、裂隙發育密集，巖體破碎，局部裂隙發育密集，巖體極破碎，有泥質物充填，含有大量地下水，圍巖完整性和穩定性差。推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。

3)TRT7000法 DLII30+735—DLII30+704段地震反射呈兩組交錯層狀組合的片狀、散點狀反射，反射波極性為正-負相，隧洞左側地震反射弱，僅零星片狀和散點狀反射。隧洞線路穿越烏龍壩向斜儲水構造，當穿越節理、裂隙剪切破碎帶時，受剪切破碎帶延伸控制，破碎帶切穿相對富水層時，可能發生涌(突)水風險。

2.3.2第2次物探結果(見圖9)

圖9 第2次物探結果

1)TGS法 推斷樁號DLII30+738—DLII30+703段附近為坍塌空腔區，空腔具體三維分布情況如圖9所示，以隧洞上游至下游方向，空腔主要由隧洞軸線右側往隧洞軸線上方，繼續往隧洞軸線左上方方向發育。DLII30+678—DLII30+658段，巖體橫波波速明顯降低，動泊松比明顯增大，推斷該段巖體總體完整性差～較破碎，節理、裂隙發育，地下水發育。

2)地震波法(AGI-T3) DLII30+738—DLII30+715段有強反射界面，推斷該段圍巖受構造影響，節理、裂隙發育密集雜亂，巖體破碎，有泥質物充填，有股流狀地下水，圍巖完整性和穩定性差；DLII30+715—DLII30+691段，在DLII30+690 處附近有強反射界面，推斷該段圍巖受構造影響屬于風化破碎區，節理、裂隙發育，巖體較破碎，有泥質物充填，有大量地下水，圍巖完整性和穩定性較差。

3)TRT7000法 DLII30+725—DLII30+705段，為受坍塌破壞影響的節理、裂隙剪切破碎帶，巖體較破碎，圍巖極不穩定，涌水突泥風險高；DLII30+705—DLII30+645段，為軟弱夾層發育的剪切擠壓破碎帶，巖體破碎，易發生掉塊或塌方失穩破壞，存在涌水突泥風險。

根據物探結果分析得出如下結論：①DLII30+748處隧洞已開挖洞段圍巖-支護系統穩定；②破壞區以中陡傾角傾向隧洞上游的不明形體，推測DLII30+738—DLII30+703段附近為突水突泥破壞區；③DLII30+703—DLII30+645段為受構造影響屬于風化破碎區；④破壞區內節理、裂隙發育，巖體較破碎，有泥質物充填，有大量地下水，圍巖完整性和穩定性較差，存在突水突泥風險。

2.4 鉆探驗證

為了探明該段水量、水壓和水文地質條件等，對突水后水文觀測數據進行采集與分析，進行相應區域水文地質專項調查，并采用超前鉆孔探測等多尺度探測手段[5-7]。超前探孔布置點位于DLII30+750.0處，探孔長25m，共布置10個點位，其中1～3號點位外插角為7°～12°，4～7號點位外插角為5°～7°，8～10號點位垂直于巖面布置，具體布置如圖10所示。鉆探結果表明，拱部鉆至DLII30+745處時有地下水涌出，涌出量15～30m3/(h·孔)；鉆進至DLII30+740.5處時鉆入破碎軟弱層，并快速推進至DLII30+725處。DLII30+750—DLII30+740.5段為硬巖層，DLII30+740.5—DLII30+725段為破碎軟弱層。

圖10 超前探孔布置示意(單位：m)

根據隧洞穿越烏龍壩向斜構造地段地質條件，采用施工與地質調查，配合超前物探、鉆探及水體探測等手段進行分析總結，基本查明災害源賦存特征：①DLII30+738—DLII30+645段為破碎及影響帶；②DLII30+738—DLII30+703段為突水突泥破壞段，寬度約為35m；③災害體與隧洞呈陡傾角相交，向隧洞前方傾，右側先揭露；④該段地下水豐富，主要為結構裂隙水，來源為降雨；⑤災害體由構造擠壓致密玄武巖在地下水作用下形成，深埋高地壓和地下水壓力等為其提供能量。

3 P2β3地層突水突泥致災機理分析

以地質分析法為基礎，通過TGP，TRT7000，AGI-T3分階段多設備遠距離探測和超前鉆探法驗證，查明災害源賦存的基本特征。隧洞DLII30+738處突水突泥原因為：①由于開挖工作面與災害源間安全巖盤厚度不斷減小；②隧洞開挖后，施作加強支護為巖體內已有的裂隙擴展貫通提供了時間。從地質分析角度來說，未查明災害源的形成，即蓄水空間(或透水巖層)與烏龍壩向斜構造的關系。因此，需進一步分析突水突泥致災構造及孕災模式。

3.1 向斜構造突水突泥地質條件

查閱相關研究資料[2,8]，隧洞穿越向斜軸部發生突水突泥應具備的地質條件為：①向斜構造中隔水的存在，是形成地下向斜儲水構造含水體的基本條件；②存在地下水補給通道，以便地表水滲入或側向透水層補給；③隧洞穿越含水構造，或與儲水構造含水體巖盤厚度不大于安全巖盤厚度。

3.2 孕災模式

根據隧洞地質條件，線路在烏龍壩含水體下方隔水層中行進，含水條件差，施工揭露P2β3地層致密玄武巖洞室段無地下水，洞室呈干燥狀態；隧洞頂板置于該地層最小厚度約150m。查閱地質勘察資料，該段上層地層為致密P2β3杏仁狀玄武巖，下層地層為杏仁狀玄武巖、塊狀～厚層狀微風化P2β3凝灰質玄武巖夾凝灰巖條帶。通過開挖揭示和綜合超前地質預報判定DLII30+738—DLII30+703段為富水破碎帶(災害源)。根據地質學原理，主要從地質構造和主要地質標志，如埋深、地層巖性、地質構造、水文地質和災害源賦存特征等相關資料探討突水突泥致災機理。

3.2.1烏龍壩向斜構造作用

在烏龍壩向斜構造褶皺作用過程中，核部玄武巖巖層發生折斷、碎裂。其中，隧洞開挖揭示石英條帶為玄武巖構造作用下的地質產物，這種基性玄武巖含有大量基性斜長石，在構造應力作用下析出SiO2形成石英，玄武巖層間錯動為石英形成提供了空間和物質基礎。在褶皺的兩端，硬質脆性巖層往往成為層間錯動破碎帶。當硬質脆性巖層兩側巖層的錯距較大時，即為順層斷層[9]。烏龍壩向斜構造作用下玄武巖層內巖體破碎帶為突水突泥構造提供儲水空間及過水通道，如圖11所示。分析認為該破碎帶位于巨厚P2β3地層致密玄武巖受拉部位。當向斜受到垂直于軸部壓應力作用時，向斜內部的壓應力最大，而外部的拉應力則最大。脆性巖石受拉部位裂隙將逐漸向向斜內部發展形成縱向張節理，在垂直于軸向的應力持續作用下縱向張節理將繼續向核部發展形成更大規模的縱向張節理,即在該地層受拉區形成一定厚度的條帶狀剪切破碎帶。下覆地層凝灰質玄武巖夾凝灰巖條帶，軟硬互層巖層在褶皺作用下軟層巖體易被壓縮且變形較大，承受了大部分應力，而隨著軟層的巖體增厚，硬層巖體的完整性越好[10]。因此，該硬層巖體斷裂間連通性差、透水性差，起到隔水作用。

圖11 剪切破碎帶賦存示意

向斜型蓄水構造的地下水徑流模式主要有切層順軸徑流、單翼順層徑流、順層繞軸徑流和復合型徑流4種形式[11]。根據隧洞地質條件,烏龍壩向斜軸部為山嶺，地形上表現為兩翼出露高差大；區域受侵蝕嚴重，沿向斜軸部分布多個丘陵單元，溝谷縱橫。總體來說，地下水從補給翼向排泄翼運動，流經向斜軸部，呈帶狀富水賦存于剪切劈理構造破碎帶中。

3.2.2揭露導水通道

隧洞穿越烏龍壩向斜構造發生突水突泥，其自然屬性是主因。此外，施工擾動及時間-水壓力耦合作用等也是導致巖體內應力重新分布、圍巖裂隙擴展貫通、巖體滲流性改變等形成突水突泥通道的重要因素。

隧洞開挖逐漸接近災害源：①圍巖的應力發生改變，引起災害源內應力、位移等發生改變，趨勢為掌子面和洞身向洞內變形擠出；②爆破擾動和圍巖損傷。

當工作面接近災害源時，損傷破壞區進一步擴大，圍巖內部裂隙開始局部擴展。當推進至隔水安全巖盤臨界值時，圍巖應力、水壓、施工振動等疊加，圍巖瞬間失穩突水[12]。

3.2.3高水壓壓裂

DLII30+738處埋深約533m，該處靜水壓力按下式估算：

P=βeγH

(1)

式中：P為原始水壓力值；βe為外水壓力折減系數，該段受構造影響節理、裂隙發育，取0.45；γ為水的重度；H為作用水頭，按設計采用的地下水位線與隧洞中心線間的高差確定，取420m。

未揭露災害體前存在高水壓，估算達1.85MPa。在隧洞掌子面與災害源間隔厚度達到一定值，高應力-高水壓-時間共同耦合作用下，巖體內已有的裂隙發生擴展相互貫通，巖體結構失穩，充填水突破巖盤向隧洞突出[13]。

4 結語

1)災害源的形成是烏龍壩向斜構造的產物，與地層結構特殊性相關。隧洞埋深一定位置存在巨厚層硬質脆性巖體，其構造受拉區產生剪切破碎帶提供過水通道，下覆隔水層提供儲水條件。

2)高應力-高水壓-時間共同耦合作用下，圍巖應力、外移、滲流場等變化及爆破振動導致圍巖內裂縫擴展、貫通，直至疊加突變，導致圍巖崩塌失穩。

3)該類特殊地質構造賦存的災害孕災模式具有極強的隱秘性，采用常規探測技術難以發現。解決此類難題的重點在于現場及時準確掌握鄰近不良地質體的預兆，對超前預報探測到的不明災害源應進行詳細補勘，明確成災機制，完善防控措施。