隧道突水突泥致災(zāi)機(jī)理研究現(xiàn)狀

趙心濤，王利紅，紀(jì)曉雨

(濰坊職業(yè)學(xué)院 農(nóng)林科技學(xué)院，山東 濰坊 261041)

0 前 言

近年來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略及基礎(chǔ)建設(shè)的大量推進(jìn)，一大批高風(fēng)險交通、水利隧洞工程穿越富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，突水突泥是制約這些隧道建設(shè)的最常見、最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)不完全統(tǒng)計，約占各類災(zāi)害的40%[1]，如廈門翔安海底隧道、京九鐵路歧嶺隧道、包茂高速廣西均昌隧道等工程施工過程中均出現(xiàn)不同程度的突水突泥災(zāi)害。以廣西均昌隧道為例，自2013年9月進(jìn)入富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層施工，先后發(fā)生四次大型突水突泥災(zāi)害，最大涌水量達(dá)1 280 m3/h，累計涌泥量超過8 000 m3。造成嚴(yán)重地表塌陷、地表水干枯、農(nóng)田毀壞等次生災(zāi)害，轉(zhuǎn)移安置群眾1 000余人，累計造成施工中斷近 2年，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，工程建設(shè)嚴(yán)重受阻，給隧道安全施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

因此，迫切需要掌握隧道突水突泥災(zāi)害關(guān)鍵致災(zāi)要素及建立科學(xué)合理的防控技術(shù)對于突水突泥災(zāi)害防治至為關(guān)鍵。突水突泥發(fā)生機(jī)理即突水突泥通道形成的災(zāi)變演化過程[2]。主要有兩種形式：一種是完整巖體裂隙演化導(dǎo)致的突水突泥通道，另一種是地質(zhì)缺陷式突水突泥通道。斷層破碎帶、富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖是這類突水突泥模式的典型致災(zāi)構(gòu)造，本文就此兩類通道形成機(jī)理進(jìn)行總結(jié)。

1 完整巖體裂隙突水突泥機(jī)理

對于完整巖體裂隙突水突泥機(jī)理，相關(guān)研究開展較多。考慮巖體損傷特性，Valko和Economides研究水力劈裂作用下裂隙擴(kuò)展過程，黃潤秋等[3]基于斷裂力學(xué)理論，分析了高水壓作用下裂隙的擴(kuò)展機(jī)制，Wang和Park通過關(guān)聯(lián)巖體變形與滲透性演化來定義突水通道擴(kuò)展，采用彈塑性理論建立裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合模型，楊天鴻等、唐春安等基于彈塑性損傷理論，建立了巖體滲流、應(yīng)力、損傷耦合模型，并指出采動壓力和水壓力擾動應(yīng)力場誘發(fā)巖體破裂是礦山突水前兆本質(zhì)特征，詹美禮和岑建通過試驗探討了水力劈裂破壞條件，建立了水力劈裂的半經(jīng)驗理論關(guān)系，考慮水巖作用機(jī)制，李利平等表明巖溶隧道裂隙突水是巖體在巖溶水及水壓的連續(xù)作用下受施工外力干擾發(fā)生劈裂的結(jié)果，高玉兵等基于礦山壓力和巖層控制理論，從微觀角度開展了裂隙擴(kuò)張的研究，指出底板突水的本質(zhì)是采動引起的礦山壓力及承壓水共同作用下微觀裂隙擴(kuò)張和底板隔水層的斷裂。此外，基于斷裂力學(xué)、水力學(xué)理論，王建秀等分析巖溶隧道的水力破壞模式、非貫通盲端裂紋及貫通裂紋的橫向擴(kuò)展條件，郭佳奇等分析突水?dāng)U徑效應(yīng)，李術(shù)才等[4]分析了爆炸應(yīng)力波對裂隙巖體擴(kuò)展的影響，研究鉆爆法施工下巖溶隧道突水機(jī)理，廖斌等導(dǎo)出含水裂隙發(fā)生劈裂及壓剪破壞所需的臨界水壓力，并指出壓剪破壞是含水裂隙破壞的主要形式。

2 地質(zhì)缺陷式突水突泥機(jī)理

對于地質(zhì)缺陷式突水，斷層帶突水已有不少成果，陳成宗與何發(fā)亮、徐濟(jì)川與黃少霞從水文工程地質(zhì)等方面分析大瑤山隧道斷層突水涌泥的機(jī)制及工程對策，李曉昭采用數(shù)值模擬方法分析斷層斷裂變形活化與導(dǎo)水機(jī)制的時空效應(yīng)，張頂立從結(jié)構(gòu)面溝通、地層變形以及地層坍塌等方面對隧道突水特征進(jìn)行總結(jié)，揭示了海底隧道突水機(jī)制，卜萬奎建立斷層活化機(jī)理分析的力學(xué)模型和剪應(yīng)力判據(jù)，李連崇等通過數(shù)值仿真研究了含斷層底板采動裂隙形成、斷層活化到突水通道形成的全過程，黃存捍依據(jù)隔水關(guān)鍵層概念分析斷層突水機(jī)理，并采用RFPA-FLOW軟件實現(xiàn)斷層突水通道形成過程。武強(qiáng)等將斷層破碎帶物質(zhì)等效為連續(xù)介質(zhì)，采用滲透性可變的耦合模型分析了斷裂構(gòu)造帶滯后突水機(jī)制。翁賢杰依托江西永蓮隧道工程現(xiàn)場調(diào)查及理論分析，指出水巖相互作用是誘發(fā)斷層帶巖體滲透失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，張培森等結(jié)合現(xiàn)場試驗及相似材料試驗對斷層活化規(guī)律進(jìn)行探討，并采用數(shù)值計算再現(xiàn)底板裂隙形成、斷層活化至突水通道形成的全過程。

全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖具有強(qiáng)度低、水穩(wěn)性差、易崩解流失等不良工程特性，工程實踐表明，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥演化過程中，風(fēng)化花崗巖遇水崩解后不斷遷移流出，直至最終突水突泥通道形成產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害。泥沙的遷移意味著風(fēng)化花崗巖顆粒遷移和質(zhì)量流失，故富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理是涉及顆粒遷移的變質(zhì)量滲流演化過程，與裂隙巖體及斷層活化突水有著明顯不同。因此，富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理逐漸被重視。

袁敬強(qiáng)以工程為依托，對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水的孕險環(huán)境、致災(zāi)因子及突水機(jī)理進(jìn)行分析，指出不良地質(zhì)條件、地層巖性特征、地下(表)水發(fā)育規(guī)律、地形地貌等因素構(gòu)成了隧道突水災(zāi)害發(fā)生的孕險環(huán)境。孫鋒以廈門翔安海底隧道為研究對象，采用PFC2D顆粒流計算方法，研究全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖土體風(fēng)化槽處于不同空間位置對隧道突水影響。吳培榮系統(tǒng)分析了穿越全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的梁山隧道突水涌泥特征，現(xiàn)場總結(jié)得到歷次突水涌泥均經(jīng)歷了初始-發(fā)展-大規(guī)模涌泥-地表塌陷階段，地下水水質(zhì)均經(jīng)歷了清澈-渾濁-極為渾濁-較清澈-清澈的過程，災(zāi)害表現(xiàn)為先突水后涌泥。

顯然，既有工程實踐均表明全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層突水突泥是顆粒不斷遷移的變質(zhì)量過程，然而，目前研究均未考慮此特征。對于顆粒流失及細(xì)顆粒運移機(jī)制，在大壩管涌、油氣井出砂及破碎巖體滲流已有一定研究成果，可為富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理研究提供借鑒。Steripi[5]結(jié)合可動細(xì)顆粒的質(zhì)量守恒方程和滲流方程，并根據(jù)室內(nèi)侵蝕試驗得到可動細(xì)顆粒流失量與水力梯度的經(jīng)驗公式，建立了細(xì)顆粒運移模型。Cividini和Gioda[6]在Steripi的基礎(chǔ)上建立了描述可動細(xì)顆粒遷移的有限元模型，周健等[7]基于顆粒流方法從細(xì)觀角度研究砂土管涌發(fā)展過程中孔隙率、流速、顆粒流失量等參數(shù)的動態(tài)演化特性。Vardoulakis等最先從理論上建立描述油氣井出砂問題的預(yù)測模型，此后國內(nèi)外眾多學(xué)者不斷從力學(xué)、質(zhì)量遷移、液體滲流等多場耦合方向?qū)ζ溥M(jìn)行完善。在出砂預(yù)測模型基礎(chǔ)上，羅玉龍等，姚邦華等相應(yīng)建立管涌和破碎巖體通道形成數(shù)學(xué)模型，建立的模型體系可用于描述通道形成過程中的顆粒運移特征。王路珍進(jìn)一步采用加速試驗開展破碎巖體滲流過程的變質(zhì)量問題研究，初步揭示破碎巖體變質(zhì)量遷移機(jī)制，Zhang等[8-9]針對煤礦底板構(gòu)造裂隙帶突水采用模型試驗和現(xiàn)場試驗研究突水通道形成過程的變質(zhì)量問題，但其模型較為簡單，假設(shè)的突水通道只考慮寬度變化。對于孔隙率演化方程，國外最先在油氣井出砂問題上有過不少研究[10-11]。

然而，目前關(guān)于富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理的研究，尤其是顆粒遷移的變質(zhì)量滲流研究十分匱乏，變質(zhì)量問題僅在管涌、出砂及破碎巖體有所研究，但因介質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)、致災(zāi)環(huán)境的差異，富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥致災(zāi)機(jī)理與管涌破壞機(jī)制、出砂問題及破碎巖體滲流有顯著的不同。且假定的滲流條件大多為Darcy滲流，無法描述突水突泥演化過程的流態(tài)轉(zhuǎn)換及非線性滲流特性。目前變質(zhì)量滲流理論研究還僅處于初步階段，急需深入研究。

3 進(jìn)一步研究的方向和建議

圍繞富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)變機(jī)理與控制技術(shù)這一主題，系統(tǒng)開展富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥模型試驗，研究富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥變質(zhì)量行為及水流流態(tài)轉(zhuǎn)換特征，建立動水壓力-應(yīng)力耦合作用下的巖體孔隙率、滲透率、質(zhì)量遷移率與滲流突變關(guān)系，揭示突水突泥通道形成機(jī)理及其影響因素，結(jié)合溶質(zhì)運移理論及多孔介質(zhì)滲流力學(xué)，建立可描述質(zhì)量遷移及突富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)變機(jī)理與帷幕注漿控制技術(shù)研究水非線性演化特性的突水突泥理論模型，共同構(gòu)建突水突泥災(zāi)害控制技術(shù)理論并應(yīng)用于災(zāi)害治理實際工程。建議后續(xù)可以開展以下兩方面的研究。

1)富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥模型試驗研究。研究富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖在不同粒徑級配、水壓、圍壓、初始孔隙率、防突厚度等因素下的突水突泥模型試驗，研究各因素下全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖變質(zhì)量滲流特性及水流流態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，進(jìn)而揭示富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥災(zāi)害演化機(jī)理及其臨界條件。

2)富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥理論模型研究。基于室內(nèi)突水突泥模型試驗，得到突水突泥災(zāi)害演化過程中的關(guān)鍵質(zhì)量遷移及水流流態(tài)轉(zhuǎn)換特性規(guī)律，建立質(zhì)量遷移引起全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖介質(zhì)孔隙率變化的孔隙率演化方程，利用多孔介質(zhì)滲流理論、溶質(zhì)運移等理論，建立可描述質(zhì)量遷移及非線性突水演化特性的突水突泥理論模型，模型控制方程包括質(zhì)量守恒方程、液體滲流方程、顆粒遷移臨界起動方程、以及基于室內(nèi)模型試驗得到孔隙率演化方程。

4 結(jié) 論

本文對突水突泥的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了綜合概括，主要得出如下結(jié)論。

1)突水突泥發(fā)生機(jī)理包括巖體裂隙演化導(dǎo)致的突水突泥和地質(zhì)缺陷導(dǎo)致的突水突泥兩種模式。

2)目前關(guān)于富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理的研究，尤其是顆粒遷移的變質(zhì)量滲流研究十分匱乏，急需深入研究。

3)建議后續(xù)可以采用模型試驗和理論研究兩種手段對富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖突水突泥機(jī)理機(jī)理進(jìn)行深入研究。

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