玉磨鐵路新平隧道突涌致災機理及措施響應研究*

李永志,王 華,王世明,田洪義,劉潤華,曹貴才,肖 正

(1.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司,廣東 廣州 511458;2.隧道掘進機及智能運維全國重點實驗室,河南 鄭州 450001;3.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

我國隧道工程建設正逐步向高落差、洞線長、埋深大、構造運動活躍等區域延伸。受復雜地質條件的影響,隧道施工過程中,極易誘發突泥涌水等地質災害,嚴重威脅隧道的施工安全[1-3]。因此,研究隧道突泥涌水災害的致災類型及機理是進行該類災害風險控制及防控的重要前提。

在隧道涌水突泥致災分類方面,石少帥[4]提出將突水致災構造基本類型分為裂隙型、斷層型、溶洞(腔)型、管道及地下河型等幾類蓄水構造;賀振宇等[5]根據致災構造成因將致災構造分為斷裂帶、巖溶含水體、向(背)斜和單斜含水層、人工富水空間及水下不良地質體等幾類;李術才等[6]將突水突泥致災構造分為巖溶類(巖溶裂隙型、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)和其他成因類(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)等3類(11型)。在致災機理研究等方面,李曉昭等[7]研究了導致突水事故發生的斷層變形活化機制,提出了突水與斷層活化間的時空效應特征;王鷹等[8]運用地球化學和斷裂力學有關理論,對圓梁山隧道突水機制進行研究,得出隧道開挖改變了巖溶地下水循環系統的平衡,特別是深埋隧道在高壓水作用下,施工爆破等作業使圍巖裂隙的連通性增大,張開度增加,圍巖體內裂隙發生擴展是最終形成大巖溶管道的關鍵;龍洪[9]對關西隧道突泥機理進行研究,認為背斜軸部巖體裂隙發育及地表積水洼地是導致突泥災害的主因;王章瓊等[10]從推覆構造區域地質背景出發,通過分析災害發生過程及特征,結合隧址區工程地質和水文地質條件,獲得變質片巖隧道涌水災害成因機制。然而,隧道突泥涌水等地質災害的致災機理,并非單一因素或簡單的水-巖相互作用所致,而是不良地質與地下工程活動綜合作用的結果,還應從多角度進行探討分析。

本文基于玉磨鐵路新平隧道突泥涌水工程實例,分析致災相關因素,對突泥涌水的致災類型進行分類,并對各類致災機理進行總結、分析,提出各類突涌事故的防控及治理措施。

1 隧址區地質概況

圖1 新平隧道地質斷面

2 隧道突泥涌水致災機理分析

基于新平隧道的突涌案例,對隧道突泥涌水機理進行分析。

2.1 案例簡介

2.1.1案例1

圖2 新平隧道D1K60+849.2

結合該案例,其致災的相關原因分析如下。

1)該處為出口洞口淺埋段,地表有泉點出露,流量約1L/s,該地層為富水地層,其地下水位線距拱頂約25m,含豐富的松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及斷裂構造裂隙水。

2)該段圍巖為強風化變質砂巖夾黏土,強度低、膠結性極差,差異性風化顯著,主體為碎石狀～散體狀結構;節理裂隙發育,巖體破碎～極破碎,掌子面多寬張節理,夾泥,洞口淺埋段,穩定性極差。

3)受揚武-青龍廠大斷裂及阿不都逆斷層的影響,尤其是逆斷層,一般為壓性斷層,常出現較強烈的擠壓破碎現象,致使隧道圍巖整體破碎,局部極破碎,導水通道發育且導水能力強。

4)隧道采用三臺階開挖,開挖上臺階時拱架類型采用I20,間距為0.6m,據施工臺賬顯示,在該處采用小導管注漿(4m)和徑向注漿,超前支護強度不足。

阿不都逆斷層距突泥涌水處約50m,構造發育,為天然的導水通道,該斷層破碎帶內,角礫巖多磨圓或磨光,在地下水作用下,更利于搬移、滾動;隨著施工開挖的擾動及隧道開挖支護強度的不足,破碎巖體攜裹著斷層角礫巖及裂隙中黏土,途經導水通道蜂擁而出,誘發了突泥涌水等災害。

2.1.2案例2

圖3 新平隧道D1K58+899

結合該案例,其致災的相關原因分析如下。

1)雨季降雨相對集中、連續,水源補給充足。

2)該段圍巖為強風化板巖夾變質砂巖,強度低,板巖泥質膠結、結合性差,其抗風化和防水能力較差、飽和吸水性較強,極易出現浸水軟化現象,主體多為碎石狀結構;變質砂巖,強度相對略高,主體呈碎塊石狀結構;掌子面節理裂隙發育,巖體破碎,局部夾泥,穩定性較差。

3)埋深相對較淺,地表呈洼地地勢,兩側為山體斜坡,地表水易匯集;大氣降雨后,可沿坡面匯集至該處,并能將地表水快速導運至隧道拱頂處;為富水地層,含豐富的松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

4)施工開挖過程中,按IVb級圍巖進行處理,采用IVb的支護類型,而實際揭示圍巖為Va級,存在施工支護措施不足等問題。

隧道施工過程中,受連續降雨及地下水影響顯著,原有支護強度無法適應現有圍巖劣化后所需的結構穩定環境,加速誘發了隧道突泥涌水等災害。隧道現場突泥涌水如圖4所示。

圖4 新平隧道現場突泥涌水

2.2 新平隧道突涌機理分析

2.2.1構造與突涌致災機理的相關性

新平隧道出現突泥涌水等地質災害,與構造作用關系密切,如斷層、斷層破碎帶、巖性接觸帶等。隧道沿線穿越數條斷層,其中大部分為逆斷層、局部區域遭遇正斷層。根據斷層特點可知,逆斷層多為壓性斷層,在外部條件作用下,常出現較強烈的擠壓破碎現象,但其破碎帶寬度一般相對較窄;正斷層多為張性斷層,斷層帶內巖石破碎相對不強烈,但其破碎帶寬度較寬,且相較于壓性斷層帶,帶內巖石具有更松散的結構,更大的孔隙率及滲透率,導水性更佳,外在地災表現形式一般以涌水為主、突泥為輔;壓性斷層受擠壓作用,帶內巖體結構相對致密,但巖體更破碎,外在地災表現形多以突泥為主、涌水為輔。

同時,區內新構造運動強烈,受地質構造作用影響,擠壓破碎帶發育,層理出現扭曲、拖拉現象,巖體擠壓強烈,節理裂隙發育,多呈碎石角礫狀～散體狀,形成透水性較好的過水通道,而板巖在遇水后,出現軟化、崩解或泥化變成軟弱夾層,其強度急劇下降,逐步演化成為蠕滑面,最終誘發了隧道突涌事故。

2.2.2隧道圍巖巖性與突涌致災機理的相關性

對玉磨3標隧道突涌案例進行統計分析,得出圍巖巖性與突涌事件的相關關系,板巖地層發生突涌災害次數居多,如圖5所示。

圖5 隧道圍巖巖性與突泥涌水事件相關性

巖石的工程力學特性主要由巖石的礦物成分及結構所決定。研究區域圍巖主要為板巖,其次為砂巖、頁巖,板巖一般具有密集板狀劈理,變晶結構較致密,其成分多為石英、長石等碎屑礦物及絹云母、綠簾石等黏土礦物;砂巖主要由砂粒膠結而成,碎屑結構,礦物多為石英、長石,含量一般相對較高;頁巖主要由黏土脫水膠結而成,具有明顯的薄層理構造,礦物成分多為伊利石、伊蒙混層,石英、長石等。

板巖富含一定量的黏土礦物,整體強度低,遇水易出現膨脹、軟化、崩解。這就導致富水地層中,其結構受膠結作用劣化影響變得松散,從而使該類巖石的強度及力學性質發生顯著劣化。李波[12]在對隧道圍巖在爆破-地下水協同作用下巖性劣化機理的研究中發現,富水地層中,長期累積爆破產生的爆炸應力波與爆破氣體會與地下水發生協同作用,共同劣化隧道圍巖的各類性質,石英和長石等碎屑礦物含量隨累積爆破及地下水作用的反復影響而不斷降低,從而加速弱化了板巖的強度與力學性能。這也進一步解釋了玉磨鐵路沿線突泥涌水等災害多發生在板巖地層的原因。

玉磨鐵路沿線砂巖主要為泥質砂巖,強度相對較弱,透水性相對較強,受斷裂、斷層或向(背)斜構造影響,巖體破碎。尤其是逆斷層附近,擠壓作用更強烈,使砂巖更破碎。上述現象造成砂巖被擠壓分割為若干極小碎塊,碎塊越小,塊體越圓潤[13]。此形態的顆粒物質摩擦阻力小,在外力作用下極易誘發災害,這也補充說明了案例1中砂巖致災的相關機理。

頁巖主要由黏土巖變質而來,強度低,其水-巖機理與板巖類似,因玉磨鐵路沿線遭遇此類巖石的次數不多,此處不再贅述。

圍巖巖性與誘發災害的成因密切相關,施工建設過程中,應對具體巖性進行具體分析。

2.2.3地下(表)水與突涌致災機理的相關性

地下水是誘發隧道突涌的有利條件,補給能力的大小對隧道涌水量及持續性同樣具有重要影響。一般而言,雨季或雨量充沛地區,地表水及地下水量相對較富存,誘發隧道涌水突泥的概率也相對較大;而地下水壓相對較高時,同樣易引發規模性的塌方及突涌事故。

新平隧道沿線地表起伏相對較大,西南地區雨量相對充沛,降雨后雨水多通過地表洼地及裂隙通道下滲,而該隧道沿線節理裂隙發育,結構面延伸性及貫通性較好,為地下水遠距離運移提供了通道;同時,測區內基巖裂隙水較發育,盆地邊緣或溝谷坡腳多見線狀泉水,破碎風化巖體受到地下水流的沖刷搬運,連接性及完整性降低,更不利于圍巖的穩定。

2.2.4施工措施與突涌致災機理的相關性

以玉磨鐵路新平隧道為例,隧道全長14 835m,設計圍巖Ⅱ級460m,Ⅲ級6 830m,Ⅳ級5 390m,Ⅴ級2 155m,占比分別為3.1%,46.04%,36.33%,14.53%。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖總占比達50.86%。施工揭示圍巖級別Ⅱ級3m,Ⅲ級120m,Ⅳ級5 067m,Ⅴ級9 645m,占比分別為0.02%,0.81%,34.15%,65.02%。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖總占比達99.17%。Ⅴ級圍巖實際總長度與設計Ⅴ級圍巖長度相差甚大,兩者對比如圖6所示。

圖6 隧道圍巖設計-實際揭示級別情況對比

由圖6可知,設計圍巖級別高于實際揭示圍巖級別,易造成開挖擾動相對較大、實際支護強度不足等問題。據統計,新平隧道先后發生突泥涌水31次,突涌量達6.7萬m3,其中在V級(實際揭示)發生的多達24次。

實際揭示圍巖級別與設計圍巖級別相差較大,且揭示圍巖情況弱于設計圍巖,造成實際支護強度不足,超前預加固措施不到位,開挖擾動較大等問題,則洞內發生地質災害的概率相對較大。

基于以上分析,認為新平隧道致災頻繁的內在因素主要歸結于隧道沿線圍巖多為炭質(泥質)板巖、炭質頁巖等軟巖,力學強度低,開挖變形大;外在因素主要歸結于設計圍巖與開挖揭示圍巖級別相差較大,設計支護強度無法滿足實際支護需要;其次,沿線構造較發育,使裂隙更發育、圍巖更破碎;而沿線地表在接受大氣降雨補給后,迅速在洼地匯集,沿巖層間裂隙貫入,運移至隧道區內,使隧址區內圍巖加速劣化,助推了隧道災變的發生。

3 隧道突涌的致災類型

新平隧道施工過程中,累計發生突泥涌水31次、累計突涌量約6.7萬m3。在誘發隧道突泥涌水等災害因素中,區域構造是控制因素,主導著圍巖的完整程度及地下水的徑流方向;地層巖性[14]是基礎因素,其圍巖的礦物成分、軟硬強度及是否具有膨脹性,直接影響地下水是否賦存及水-巖相互作用的可能性;地形地貌、降雨、水文地質是重要因素,影響地表水的匯集及地下水的滲流量大小;施工是關鍵誘發因素,施工工法、支護參數等選用不當都可能直接誘發隧道發生突泥涌水等地質災害。

基于隧道突涌的機理,從隧道的致災因素出發,提出隧道突涌的致災分類。其類型的劃分關鍵在于致災因素的匯總分析;某種程度上,主要體現在致災因素影響程度的區別,如施工措施等因素,往往是因為設計圍巖與實際揭示圍巖存在差異,且實際揭示圍巖級別低于設計圍巖級別,支護參數偏弱、開挖擾動相對較大,使施工措施等因素影響度相對偏高,這是造成隧道涌水突泥的最主要因素;又如巖性等因素,軟巖隧道開挖過程中發生變形、坍塌等風險相對較高,主要歸結于軟巖的強度低及泥化、軟化等劣化性質,受水等外界應力的影響較大,極易誘發變形、溜坍等地質災害;富水等因素是造成隧道災變的助推劑,補給來源較廣泛,大氣降雨、構造裂隙水、基巖裂隙水等地下水的滲流、水化作用,使圍巖強度、支護強度等劣化影響顯著提升,造成了隧道災害的發生;與此同時,即使隧道某一段在施工過程中,地下水相對弱發育,但仍有發生災變的可能,如構造作用、軟巖及支護強度偏弱等綜合因素,亦會誘發隧道災變。

結合新平隧道突涌特征及機理分析,將該區域致災類型劃分如下:①構造-巖性-富水-施工措施;②構造-巖性-弱水-施工措施;③巖性-富水-施工措施。致災類型及其特征如表1所示。

表1 隧道突涌致災類型劃分

依據致災機理分析,可將案例1致災類型劃分為①構造-巖性-富水-施工措施型,方案2致災類型劃分為③巖性-富水-施工措施型。同時,新平隧道隧址區域巖溶不發育,不再考慮巖溶類的致災類型;從作用機理上分析,降雨僅加速了地下水的滲流及增加賦存量,可統一按富水等因素予以考慮。

巖性-弱水-施工措施的致災類型較其他類型的致災機率相對較小,且在新平隧道災變的結果統計中,僅有小規模的溜坍等災害,此處不再贅述。

4 隧道突涌災害防控措施

4.1 隧道災害防控工作流程

隧道災害防控工作流程如圖7所示。①依據地質、水文、氣候、勘察及設計等綜合基礎資料,評估區域內可能誘發災害的位置;②初步分析、評判隧道發生災害的種類;③依據地質災害種類,分析、歸納其致災的相關因素,并掌握相應致災的機理;④依據隧道超前地質預報、圍巖監控量測情況與實際開挖揭示進行對比判別,若開挖揭示圍巖情況或預測預報圍巖情況與設計一致,則暫可按照原有設計施工措施,進行防控,若不一致,根據開挖揭示情況,及時反饋給業主、勘察、設計、監理,及時調整施工工法、防護措施,降低隧道施工災害風險,確保隧道安全施工。

圖7 隧道災害防控工作流程

4.2 隧道突泥涌水災害防控措施

針對玉磨鐵路新平隧道致災類型,結合相關學者[15-18]研究成果及現場實際情況,提出相應致災類型的災害防控措施,如表2所示。

表2 隧道突泥涌水災害防控措施建議

4.3 分析及討論

幾類致災類型主要依據相關的致災因素組合形式進行區分,而其中一些致災因素,如含水量、施工措施等,又隨實際情況在不斷調整、變化,當此類因素逐步演變成致災的主因后,也直接誘發了隧道地質災害的發生。因此,文中所述的幾種災害類型,在某種層面上可進行類型轉換。其關鍵在于在初步劃分災害類型后,還應著重分析、判斷導致此類事故的主因,再考慮是否需調整災害類型;隨著外部環境的變化,還應進行災害預判,考慮是否需重新調整災害類型。

相對于幾類致災類型所對應的防控措施,其主要區別在于各類災害類型所對應的致災主因有所不同。因此,在實際災害治理過程中,需針對該類主要致災因素先行處理,而后循序漸進采用相關措施處理。

基于以上分析,在隧道施工過程中,可依據超前地質預報、監控量測等手段,對隧道地質情況進行簡易判別;并對比設計等基礎資料,自查現有支護措施是否滿足實際支護要求,初步做出災害類型劃分。當遇持續性降雨或地下水量與原有設計存在出入時,還應適時考慮調整災害類型,重點考慮地下水對誘發災害的影響,及早排除地下水或降雨對隧道安全造成的隱患,預防隧道地質災害的發生。

5 結語

1)新平隧道突涌的主要根源在于圍巖自身的低強度、開挖易變形特性,在設計圍巖與實際揭示圍巖存在較大差異的情況下,施工支護強度存在不足,伴隨著沿線構造及地下水的劣化作用,加速了隧道的災變生成。

2)系統分析了新平隧道致災原因,進行了隧道致災類型劃分。

3)提出了隧道災害防控的工作流程,應加強現場地質預報、監控量測、開挖揭示比對等基礎工作,重點評判異常區與現有的設計支護參數符合程度,為隧道開挖支護提供依據。

4)針對新平隧道現有的致災類型,提出了相應的災變防治措施。

5)結合實際,明確可能致災的幾類因素,掌控災害源的發展及規模,動態調整隧道致災類型,針對性地采取防控措施,力爭進一步降低隧道致災風險,確保隧道施工安全。