李 集，常 樂

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007;2.中國人民解放軍94968部隊，江蘇南京 211100)

0 引言

近年西部交通建設(shè)大發(fā)展，隧道工程需求大。然而我國西部屬巖溶分布廣泛地區(qū)，隧道建設(shè)需穿越大規(guī)模的巖溶山區(qū)，不可避免地在隧道施工開挖過程中遭遇巖溶造成的突水、突泥地質(zhì)災(zāi)害。加之穿越山區(qū)的長大隧道的埋深不斷增大，日趨復(fù)雜化的作業(yè)環(huán)境和不斷提高的施工機械化，突水、突泥災(zāi)害造成的隧道工程經(jīng)濟損失量及人員傷亡數(shù)呈現(xiàn)出劇增趨勢，深長隧洞巖溶突水、突泥地質(zhì)災(zāi)害造成的安全挑戰(zhàn)態(tài)勢極嚴峻。巖溶突水、突泥災(zāi)害現(xiàn)象是有客觀科學規(guī)律可遵循的，其突發(fā)條件主要為含水構(gòu)造的儲能、含水體動水性能優(yōu)劣和釋能大小以及隧道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)［1］。為此，需要在隧道工程可行性研究階段實行工程風險分析和風險評估，為隧道工程安全建設(shè)提供科學依據(jù)。

當前評估方式的普遍問題是:在對巖溶突水、突泥災(zāi)害的風險評估過程中，多以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的評價指標體系，以定值或小范圍取值表征各級指標對突水、突泥風險的影響，且各級指標權(quán)重的確定往往是定值，對指標間的線性關(guān)系關(guān)注過多，而對指標間的非線性關(guān)系考慮稍有欠缺。巖溶突水災(zāi)害的發(fā)生具備高危性特征，是所有風險影響因素綜合作用的結(jié)果，各因素之間的關(guān)系呈現(xiàn)多維非線性特征。目前所用的風險評估方法的不足主要為:一是未充分重視隧道工程中巖溶地質(zhì)狀況的特殊復(fù)雜性、隧道工程自身的誘發(fā)性及風險本身的不確定性;二是評價方法多以定性或半定量方式判定突水風險等級，對初步設(shè)計及施工圖階段、施工前期和全過程的隧道風險管控指導(dǎo)作用偏弱。目前的評估方法更多是針對施工期間的風險管理，主動預(yù)先防患能力不足。為此，本文改變以構(gòu)建評價指標體系為基礎(chǔ)的風險評估方式，圍繞巖溶突水的致災(zāi)核心要素，以高水壓條件下隧道與巖溶構(gòu)造間防突巖層安全厚度不足致災(zāi)和巖溶分布分析為研究主線，充分考慮各風險影響因子綜合作用，根據(jù)工程勘察等資料獲取風險數(shù)據(jù)信息，提出一種新的可漸進修正的巖溶突水風險評估模型。在隧道勘察、設(shè)計和施工階段，依據(jù)致災(zāi)信息的獲取情況反復(fù)應(yīng)用該巖溶風險評估模型，做到提前防風險，注重風險隱因，確保隧道施工作業(yè)安全。

1 防突巖層安全厚度預(yù)測

為確保巖溶突水風險評估取得良好應(yīng)用效果，將防突巖層安全厚度預(yù)測分為3個階段:初步估算階段、二次估計階段和動態(tài)測算階段。從勘察設(shè)計初期起，風險評估貫穿隧道工程的全過程，隨著工程推進，獲取風險信息數(shù)據(jù)越來越全面，不斷修正防突巖層安全厚度預(yù)測值，達到科學利用防突巖層安全厚度指導(dǎo)隧道工程初步設(shè)計與施工的目的。在本文風險評估模型中，假設(shè)溶腔處于充滿態(tài)，并且隧道圍巖的防突安全巖層的巖體實際上多為不完整巖板，偏向考慮危險情況，為安全管理留有充足余量?？紤]到當前掌子面20～30 m的預(yù)報距離中有多種超前地質(zhì)預(yù)報探測方法可運用，所用探測手段有較廣的適用范圍，可進行相互驗證，故在20～30 m距離上實際工程的預(yù)報準確率是相對較高的［2］，若在開挖面推進中溶腔可能出現(xiàn)在隧道周圍，則周邊溶洞規(guī)模對隧道防突巖層安全厚度的影響斷面大小可簡化為以隧道的掌子面大小為準。

1.1 防突巖層安全厚度初步估算階段

防突巖層安全厚度的初步估算需要綜合考慮隧道本身誘發(fā)因素與巖溶地質(zhì)突水孕險環(huán)境2方面的情況。對于勘察階段，隧道勘察資料中提取的數(shù)據(jù)信息，難以滿足目前防突巖層安全厚度計算方法參數(shù)要求。為此，運用文獻［3］防突巖層安全厚度估算方法，該方法是由文獻［4］提出的掌子面發(fā)生突水的最小安全厚度公式，結(jié)合文獻［5］運用Betti能量互等定理與斷裂力學相關(guān)理論推導(dǎo)得到裂隙巖體有效彈性模量及泊松比的修正算式，同時考慮到水對巖石強度的軟化降低作用，引入巖石軟化系數(shù)λ對彈性模量進行修正，得到防突巖層安全厚度

式中:a為等效圓形隧道半徑，m;是裂隙巖體的彈性模量，MPa;為泊松比;q為巖溶水壓與隧道空氣壓力的壓力差，MPa;λ為巖石軟化系數(shù);簡化壓力差q為高水頭壓力和隧道防突安全巖層上部巖體重力共同作用所形成的壓強。

式(1)中的壓力差q=qw+qs。由文獻［6］知，壓力差q中的高水頭壓強qw=βh/100 MPa(β為折減系數(shù);h為水頭高度，地下水位在實際過程中是一個動態(tài)變化的量，需要選擇水文勘察數(shù)據(jù)中可能性最大的值)。壓力差q中的隧道防突安全巖層上部巖體壓強qs=ρghsMPa(ρ是巖體綜合密度值，kg/m3，根據(jù)各地層的巖性分布厚度按比例估算巖體密度的合適取值;g為重力加速度，取值10 N/kg;hs是隧洞正上方防突安全巖層的巖體厚度值，m)。此外，巖石軟化系數(shù)λ經(jīng)驗取值可參照文獻［7］巖石軟化系數(shù)經(jīng)驗取值。防突巖層安全厚度初步估算公式具體過程參見文獻［3］，此處不再詳述，其有效性已在文中得到驗證。

1.2 防突巖層安全厚度二次估計階段

在施工前對隧道各段進行一次初步估算，對隧道各段所處地質(zhì)條件和風險狀態(tài)有一個初步認識，有利于施工單位結(jié)合設(shè)計方案，加強重點施工段的勘察力度及制定施工組織設(shè)計方案，然后由風險評估單位根據(jù)施工方案進行防突巖層安全厚度二次估計，尤其要重點關(guān)注初步估算階段發(fā)現(xiàn)的危險地段，為評估施工方案的合理性提供可靠理論支持。目前鉆爆法是隧道施工的主要方式，開挖多以爆破為主，在巖溶地層中進行隧道的爆破開挖，將其對防突巖層強度的降低等效于防突巖層安全厚度的增加。當開挖面接近至最小安全距離時，開挖面失穩(wěn)突水的模式明顯更多受制于掘進速度［3］。

文獻［8］所示方法能夠很好地控制巖溶區(qū)隧道爆破開挖產(chǎn)生的地震危害，確保施工安全和工程質(zhì)量。可以此為參考，對工程地區(qū)進行測試，獲取爆破開挖時爆心與溶洞的間距R同單段最大藥量Q的計算值，或者直接利用文獻［8］所示地區(qū)情況為參考進行防突安全厚度二次估計。考慮到巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性，為充分確保施工安全，根據(jù)爆破安全標準控制，在二次估計階段中，要確保初步估算階段得到的防突巖層安全厚度大于單段最大藥量Q和巖溶地層安全爆破震速共同確定的爆心與溶洞的間距R，將爆破方案調(diào)整適當，如果單段最大藥量Q過多就要減少至合理水平，做好巖溶突水災(zāi)害防控措施，進而保證爆破開挖安全施工。

1.3 防突巖層安全厚度動態(tài)測算階段

巖溶水文地質(zhì)與工程地質(zhì)信息在隧道施工過程中，通過隧道開挖揭示及超前地質(zhì)預(yù)報，防突巖層安全厚度動態(tài)測算信息獲取將更加詳實，可不斷修正之前對防突巖層安全厚度的估值，對安全厚度值進行更加精準的預(yù)測。當隧道掌子面前方隱伏特大體量高壓巖溶水體時(未考慮隧道底部溶洞)，水體附近圍巖在高壓裂隙水作用下發(fā)生裂隙擴展、貫通，形成一定范圍的破壞區(qū)域。當施工面接近至最小安全距離，施工面失穩(wěn)突水模式與隧洞圍巖力學參數(shù)、防突結(jié)構(gòu)厚度、水體特征和掘進效率的關(guān)系緊密［3］，故選擇文獻［9］針對裂隙導(dǎo)通突水模式，該計算式的可行有效性在文獻［9］得到驗證。公式計算具體過程見文獻［9］，此處不再詳述計算步驟，并且具體工程可根據(jù)具體情況選取適用的防突巖層安全厚度動態(tài)測算公式。

隧道開挖面突水未出現(xiàn)巖溶水壓顯著增加現(xiàn)象，可知隧洞施工擾動引起的局部巖體卸荷是突水災(zāi)害發(fā)生主因，在原有巖溶水的壓力條件下隧道圍巖水壓劈裂臨界水壓力的陡然降低導(dǎo)致施工中突水災(zāi)害發(fā)生，故文獻［9］方式獲得的防突巖層安全厚度值對巖溶隧道工程是適用的。根據(jù)動態(tài)測算的防突巖層安全厚度需要進行一次二次估計，調(diào)整爆破方案。隨著施工進展情況實行動態(tài)監(jiān)控、分析量測數(shù)據(jù)，跟蹤監(jiān)控和測算防突水巖層安全厚度值的動態(tài)變化信息，不斷進行防突水巖層安全厚度值的測算與修正，及時獲取科學可靠的防突巖層安全厚度值。

基于防突巖層安全厚度3個計算階段是一個循序漸進的過程，且在二次估計階段與動態(tài)測算階段之間存在互反饋修正關(guān)系。

2 隧道巖溶影響態(tài)勢估計

由巖溶突水的主要因素可知，突水風險的發(fā)生是防突巖層安全厚度和隧道周圍溶洞分布態(tài)勢2方面共同決定的。為此，需要估計溶洞與隧道的相對位置，而且?guī)r溶的發(fā)育是有一定規(guī)律可循的，由此估計溶洞存在的影響大致范圍，在未開挖前提下對溶腔具體位置準確探測仍然是研究難題。

文獻［10］和［11］認為，根據(jù)現(xiàn)有資料分析，巖溶的發(fā)育深度可達2 000～3 000 m，其發(fā)育程度既有隨深度增加而減弱的趨勢，又存在局部增強和分帶性的特點。在適宜的地質(zhì)地貌、水化學環(huán)境佳以及地下水循環(huán)交替運動強烈的巖層區(qū)域，洞穴型的發(fā)育強烈的深部巖溶出現(xiàn)概率極大。為此，可通過勘察資料依據(jù)巖溶發(fā)育規(guī)律估判導(dǎo)水構(gòu)造存在，從剖面圖中的巖溶發(fā)育規(guī)模粗略估計位置。在勘察過程中，要注重勘察隧道穿越山體中構(gòu)造交接部位、非可溶巖與可溶巖接觸帶和斷裂破碎帶的大致位置，為在剖面設(shè)計圖中估判隧道距離溶洞相對位置提供依據(jù)。從褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造和單斜構(gòu)造進行分析，充分總結(jié)文獻［12－18］巖溶發(fā)育位置規(guī)律，歸納了巖溶發(fā)育位置特征，具體情況如表1所示。

利于地下水的運移部位為構(gòu)造的交接部位，如斷裂、節(jié)理裂隙的交接部位，其巖體破碎，易發(fā)育成巖溶管道;巖溶可能發(fā)育的部位為節(jié)理、裂隙及無膠結(jié)巖層面，既是地下水的運移通道，也是控制巖溶發(fā)育的因素［13］。巖溶發(fā)育程度和規(guī)模主要受制于的地層特征有:一是巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造;二是巖層產(chǎn)狀與巖層接觸面關(guān)系;三是巖層層厚、裂隙、節(jié)理、褶皺、斷裂、軟弱夾層和巖石風化程度等［14］。可見，巖溶發(fā)育的影響規(guī)模可等效為平面圓，選取巖溶影響等效半徑進行量化表征。

結(jié)合文獻［19］對西南地區(qū)溶洞大小的統(tǒng)計、文獻［20］的巖溶發(fā)育程度評價標準、文獻［9］的巖溶發(fā)育的高程分帶特點以及相關(guān)文獻巖溶發(fā)育一般規(guī)律，構(gòu)建表2巖溶影響規(guī)模評價參考表。

在施工前，通過表2并結(jié)合勘察資料中估計剖面圖中巖溶發(fā)育可能性高的位置范圍，依據(jù)隧道穿越的剖面圖位置取巖溶發(fā)育位置的上下限值的平均值作為巖溶影響規(guī)模等效圓的中心位置估計值，結(jié)合巖溶發(fā)育位置特征和巖溶影響規(guī)模評價參考表，可大致判斷出溶洞存在可能性最大的范圍，得出溶腔在隧洞設(shè)計地質(zhì)剖面圖中的分布態(tài)勢。在施工過程中，通過隨著開挖揭露及超前地質(zhì)預(yù)報對工程地質(zhì)情況將有更加精確的了解，對溶腔位置的探測將更加準確，可不斷修正溶腔距隧道的位置距離。

表1 導(dǎo)水構(gòu)造巖溶發(fā)育位置特征表Table 1 Characteristics of karst development locations in water transmitting structures

表2 巖溶影響規(guī)模評價參考表Table 2 Reference for evaluations on karst influence scales

3 巖溶突水風險評估矩陣構(gòu)建

將隧道巖溶分布態(tài)勢估計與防突巖層厚度預(yù)測相結(jié)合，可對隧道巖溶突水風險進行定量化評估?！惰F路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定》將事故的概率和后果等級分為5個級別，參考此規(guī)定并結(jié)合工程的突水風險評價實際應(yīng)用，將本文巖溶突水風險分為4個概率等級與后果等級。同時考慮到，文獻［21］認為厚度3 m的巖墻可抵御突水壓力，其數(shù)值來源是帷幕注漿止?jié){墻的常用厚度，且據(jù)文獻［22］可知，掌子面的爆破對隧道前方圍巖的擾動影響不會超過1.5 m的深度，考慮到爆破震動會形成動載從而造成含水裂隙瞬間處于超臨界狀態(tài)，以及開挖后隧洞圍巖的松弛厚度為2～3.5 m。當防突巖層安全厚度加上1.5 m+3.5 m=5 m后的距離就會比較好降低爆破擾動影響。關(guān)于爆破擾動深度和圍巖松弛厚度可根據(jù)具體工程實際選取，結(jié)合防突巖層的裂隙存在隨機性影響分析考慮，將巖溶突水風險的概率等級標準暫定如表3所示。

表3 巖溶突水風險概率等級標準Table 3 Criteria for probability levels of karst water inrush risks

突水事故造成的后果損失程度主要以突水規(guī)模為前提條件，突水量是決定災(zāi)害的規(guī)模大小的主要因素，影響作用大且直接。所以，突水量可作為評價后果嚴重程度的重要指標，因而需要對突水量進行等級劃分。以中國人平均身高約169 cm，體重約60 kg，作為施工人員體型標準。鞋底主要以橡膠為主，考慮到地面粗糙，靜摩擦因數(shù)取0.6，重力加速度取 9.8 N/kg，從摩擦力算式f=μ×PN(μ為靜摩擦因數(shù)、PN為單人體重壓力)，計算得靜摩擦力f=μ×PN=353 N。若突水形成的噴射水流與人的接觸面積取值約為12 cm×36 cm=0.043 2 m2(參考人體上身面積)，要克服靜摩擦力所受壓強為8 171.296 Pa。由壓強P=F/S=ρ×V2知，水流速度V為2.86 m/s。通過總結(jié)工程突水裂隙數(shù)據(jù)，將突水裂隙取值簡化為直徑0.2 m的圓形管道，截面積A為 0.031 4 m2，由Q=A×V(A為管道截面積;V為水流速度)知，此時流量Q為0.089 8 m3/s。若高壓射流水與人體接觸面積取直徑為12 cm的圓形，面積為0.011 3 m2。由文獻［23］人體骨骼能夠承受的沖擊力數(shù)據(jù)可知，500 N以上的沖擊力將極有可能對人體造成傷害。高壓水射流可能造成傷害下，身體所受壓強有44 247.79 Pa，由壓強P=F/S=ρ×V2知，水流速度V為6.65 m/s。假設(shè)突水裂隙取值近似為直徑0.2 m的圓形管道，截面積A為0.031 4 m2，由Q=A×V(A為管道截面積;V為水流速度)知，此時流量Q為0.208 m3/s。將隧道簡化成圓形排水管道，由文獻［20］的混合模式搜索算法求解圓形斷面均勻流水深可知，流量Q取5.5 m3/s時，在直徑6 m的圓形隧道，糙率取0.06，坡度取 0.003，得水深 1.636 m，由標準身高1.69 m可知，此水深度的情形下易發(fā)生人員淹亡事故。該計算過程提出了一個分級基礎(chǔ)概論模型，可以此破壞分級標準依據(jù)具體工程情況計算明確突水量分級標準。由前述分析可知，溶腔水壓力決定著突水水流速度，故參考文獻［25］對溶腔水壓力的等級劃分，暫定巖溶突水風險后果等級標準如表4所示。

表4 巖溶突水風險后果等級標準Table 4 Criteria for consequence levels of karst water inrush risks

根據(jù)突水風險概率與突水風險后果二者等級評定，將風險等級標準劃分為極高(Ⅰ級)、高度(Ⅱ級)、中度(Ⅲ級)、低度(Ⅳ級)4個等級(見表5)，為應(yīng)對不同等級突水風險需采取相應(yīng)的巖溶突水風險接受準則標準(見表6)。由于重大地質(zhì)災(zāi)害在隧洞內(nèi)發(fā)生，極易造成人員生命和施工財產(chǎn)的重大損失，對隧道突水災(zāi)害風險等級判定建議廣泛應(yīng)用就高原則［27］。以此解決在執(zhí)行突水風險后果評級判定時出現(xiàn)二者皆可的模糊狀態(tài)問題，確保風險評估結(jié)果的準確性，保證施工安全。

表5 巖溶突水風險等級評估矩陣Table 5 Matrix for karst water inrush risk assessment

表6 巖溶突水風險接受準則標準Table 6 Acceptance criteria for karst water inrush risks

4 工程案例應(yīng)用

以防突巖層安全厚度初步估算階段為例，以文獻［26］峽口隧道為工程背景，由相關(guān)文獻資料得到如表7所示的結(jié)果。

由本文巖溶突水風險評估模型知:斜井隧道揭穿溶洞可能性極大，巖溶突水風險概率等級屬于Ⅳ級(即很可能)。雖然突水量預(yù)測較小，但溶洞高水頭壓強相當大，依據(jù)就高原則，突水風險后果等級屬于Ⅱ級(即較大)。最后，根據(jù)突水風險等級評估矩陣評判峽口隧道斜井段隧道風險等級屬于高度(Ⅱ級)。與開挖結(jié)果驗證對比，2011年8月7日，掌子面XJK0+101左側(cè)2個炮眼發(fā)生涌水，噴射距離約4 m，經(jīng)測算涌水量約為64 m3/h［26］，突水發(fā)生后并未造成人員與設(shè)備等相關(guān)情況的嚴重損失，可知防突巖層安全厚度初步估算階段，突水風險評估結(jié)論與突水災(zāi)害實況是相對吻合的。

表7 峽口隧道斜井XJK0+110～+060段初步估算結(jié)果Table 7 Preliminary estimation results of XJK0+110～+060 section of inclined shaft of Xiakou tunnel

初步估算、二次估計與動態(tài)測算3階段結(jié)合應(yīng)用以圓梁山隧道毛壩向斜段為例，由文獻［28］中的地質(zhì)剖面圖及相關(guān)地質(zhì)資料知，圓梁山隧道DK354+255～+280段、DK354+461～ +492段隧道穿越向斜構(gòu)造的核部，接近向斜核部脫空部位，洞身附近為構(gòu)造交接部位和破碎帶，結(jié)合其他巖溶現(xiàn)象該區(qū)域可判定為巖溶發(fā)育極強烈，并且在掘進的過程中大地電磁探測發(fā)現(xiàn)異常，隧道周邊存在溶洞可能性極大。為確保施工安全，故爆破震速V選擇不大于2 cm/s，單段最大藥量Q選擇為0.39，降低爆破對防突安全巖層強度弱化效果。

因算例地處圓梁山隧道，故采用文獻［8］根據(jù)不同條件下的爆破安全控制標準，并結(jié)合當?shù)氐牡卣鸩ㄋp回歸公式，得出了圓梁山巖溶區(qū)隧道爆破開挖時爆心與溶洞的間距R同單段最大藥量Q的計算值(見表8)。

表8 爆心與溶洞的間距R同單段最大藥量Q的關(guān)系表［8］Table 8 Spacing between blasting center and karst cave(R)Vs maximum charging quantity per shot(Q)［8］

依照圓梁山巖溶區(qū)實況文獻［8］提出隧洞爆破施工在巖溶區(qū)的安全指導(dǎo)標準，即當施工段巖溶地層屬于堅硬且完整狀態(tài)，爆破震速V建議取值≤5 cm/s;當施工段巖溶地層屬于中硬且完整性相對好狀態(tài)，爆破震速V建議取值≤3 cm/s;當施工段巖溶地層屬于裂隙發(fā)育狀態(tài)，爆破震速V建議取值≤2 cm/s。

防突巖層安全厚度計算參數(shù)根據(jù)圓梁山隧道相關(guān)文獻［28，30－31］等資料選取，巖石力學參數(shù)取自然狀態(tài)時的推薦值，隧道半徑取其代圓半徑a取值定為4.8 m。由于巖石力學參數(shù)具有離散性，呈現(xiàn)一定的概率分布，因具體工況而異，若能在施工階段取樣確定施工風險段的巖石力學參數(shù)對精確動態(tài)測算階段防突巖層安全厚度計算是極為有利的。圓梁山隧道DK354+255～+280段、DK354+461～+492段和DK354+870～+920段通過對防突巖層安全厚度的3個階段計算與估計，具體情況見表9—14，可確定初步計劃的爆破方案是較為安全的，也可根據(jù)工程段具體的圍巖狀態(tài)進行相應(yīng)調(diào)整，具體參數(shù)意義參見文獻［9］。

表9 圓梁山隧道DK354+255～+280段計算參數(shù)Table 9 Calculation parameters of DK354+255～+280 section of Yuanliangshan tunnel

表10 圓梁山隧道DK354+255～+280段估算情況Table 10 Estimation results of DK354+255～+280 section of Yuanliangshan tunnel

表11 圓梁山隧道DK 354+461～+492段計算參數(shù)Table 11 Calculation parameters of DK354+461～+492 section of Yuanliangshan tunnel

表12 圓梁山隧道DK 354+461～+492段估算情況Table 12 Estimation results of DK354+461～+492 section of Yuanliangshan tunnel

圓梁山隧道的DK 354+870～+920施工段緊鄰地層向斜核部，且穿越一條陡傾的層間錯動帶，巖體破碎，層間裂隙極為發(fā)育，圍巖為厚層－塊狀灰?guī)r夾瀝青質(zhì)灰?guī)r，且在隧道前方大地電磁探測和可控源音頻大地電磁探測二者的異常區(qū)重疊，結(jié)合該段其他巖溶發(fā)育特征可判定該區(qū)域為巖溶強烈發(fā)育。

由地質(zhì)分析可知，隧道DK 354+461～+492段和DK 354+870～+920段需穿越巖溶發(fā)育極強烈地段，遭遇溶腔可能性高，而隧道DK354+255～+280段從地質(zhì)剖面圖上看，其與向斜核部脫空部位之間尚有一定距離，從計算所得的防突巖層安全厚度值，依據(jù)表7標準突水風險概率等級評判結(jié)果如表15所示。

表13 圓梁山隧道DK 354+870～+920段計算參數(shù)Table 13 Calculation parameters of DK 354+870～+920 section of Yuanliangshan tunnel

表14 圓梁山隧道DK 354+870～+920段估算情況Table 14 Estimation results of DK 354+870～+920 section of Yuanliangshan tunnel

表15 圓梁山隧道三地段風險評估情況Table 15 Risk assessment results of three sections of Yuanliangshan tunnel

DK354+255～+280段、DK 354+461～+492段和DK 354+870～+920段突水風險后果評定為Ⅲ級，屬于嚴重程度;隧道DK354+255～+280段在初步估算階段突水風險等級評定為Ⅲ級(高度)，在開挖后逐步掌握防突巖層與溶洞位置相關(guān)信息，在動態(tài)測算階段調(diào)整為Ⅳ級(極高)，處于極高的風險狀態(tài);DK354+461～+492段和DK354+870～+920段在初步估算與動態(tài)測算2個階段突水風險等級評定皆為Ⅳ級，皆處于極高的風險狀態(tài)。所得防突巖層安全厚度表明隨著挖掘推進，施工接近溶洞發(fā)育區(qū)域，突水風險等級將會驟然上升，所需防突巖層安全厚度值越大意味著風險發(fā)生概率越大和應(yīng)對措施難度越大，需要對高風險施工段加強探測溶洞準確位置與規(guī)模，保證掌子面作業(yè)在安全距離外，通過準確分析采取措施應(yīng)對風險。與實際開挖結(jié)果對比驗證，圓梁山隧道DK354+255～+280段、DK354+461～+492段和DK354+870～+920段皆發(fā)生了相當嚴重的突水、突泥災(zāi)害，尤其是突泥的發(fā)生危害極其嚴重，分別揭露1#、2#和3#3 個溶洞，由文獻［31］可知:

1)1#溶洞突水突泥情況。平導(dǎo)洞PDK354+244.5(2002－02－01)采取超前探水孔鉆探。3#探孔和4#探孔各自出現(xiàn)突水、突泥現(xiàn)象鉆孔深度分別為15 m和12 m，探孔內(nèi)突水量最大為 0.006 m3/s，突水、突泥現(xiàn)象持續(xù)時長有10 min。掌子面在全斷面超前預(yù)注漿進行時于其左側(cè)部位發(fā)生突水突泥現(xiàn)象多次，此時突水量最大達0.111 m3/s。正洞下導(dǎo)坑在施工至DK354+235(2002－03－06)處見一大規(guī)模巖溶管道發(fā)育形成于該隧道段的拱頂位置，巖溶管道直徑約2 m長，突水量最大達0.028 m3/s，且突水現(xiàn)象持續(xù)時長2 d，突水量最后穩(wěn)定在0.008 m3/s。

2)2#溶洞突水、突泥情況。下導(dǎo)坑DK354+460(2002－04－21)在進行風鉆鉆孔時出現(xiàn)射程約30 m的高壓水從鉆孔內(nèi)射出。射水流呈鐵銹色，且水流中含泥砂量相當大。隨后用地質(zhì)鉆機進行超前探孔探至4 m時再次發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象。鉆桿被沖出8 m遠，忽然間突水量甚至高達0.239 m3/s，突水現(xiàn)象持續(xù)時長6 h才處于穩(wěn)定狀態(tài)，突水量逐漸減至0.011 m3/s，且此次約有1 300 m3的突泥量，判定開挖面前方有大型的高壓巖溶腔存在的可能性極大。PDK354+420超前地質(zhì)鉆探探孔發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象(2002－05－04)，此時突水量最大達到0.017 m3/s。未開挖情況下，下導(dǎo)坑在DK354+475位置有輕微突水突泥現(xiàn)象(2002－10－22—23)，然而卻在次日發(fā)生突水、突泥災(zāi)害，危害相當大，突水量最大達0.417 m3/s。突水、突泥災(zāi)害發(fā)生時，隧洞右側(cè)底部含砂水向上噴出，水流遠至80 cm。在下導(dǎo)坑DK354+440處，在隧洞止?jié){墻的下部位再次出現(xiàn)突水、突泥現(xiàn)象(2002－11－10)，最大突水量高達19.167 m3/s，整個突水、突泥在規(guī)模和危害上皆很大。

3)3#溶洞突水、突泥情況。隧道正洞的超前下導(dǎo)坑掌子面開挖至位置DK354+879(2002－09－10)，該段突然大量噴爆泥漿。瞬時間，硬至軟塑狀黏土泥漿塞滿了長度為244 m的DK354+879～+635的下導(dǎo)坑空間，隨后持續(xù)發(fā)生突泥現(xiàn)象，直至2日后(2002－09－12)12:00時高達 4 200 m3突泥量的災(zāi)害才停止。在突泥期間仍突發(fā)情況較重的突水災(zāi)害現(xiàn)象(2002 －09－11)，最大突水量達到 0.197 m3/s。

從1#溶洞和2#溶洞出現(xiàn)的突水鉆孔距離情況來看，初步估算階段與動態(tài)測算階段計算的防突巖層安全厚度值是可以保證施工安全的。在初步估算階段雖然存在一定的偏差，但對巖溶突水風險評估的趨勢判斷是基本正確的，通過全過程迭代式修正，基于巖溶分布分析的突水風險評估模型的風險評價結(jié)果與實際突水、突泥情況吻合較好，驗證了該隧道巖溶突水風險評估模型的合理性、可行性和推廣性。

5 結(jié)論與建議

本文提出了針對巖溶隧道從初步設(shè)計到施工的3個階段的防突巖層安全厚度預(yù)測模型應(yīng)用和突水量分級標準，通過將防突巖層安全厚度和溶洞與隧道相對估計位置結(jié)合，構(gòu)建了迭代式修正的巖溶突水風險評估模型，實現(xiàn)巖溶突水風險的全過程動態(tài)修正與管理，充分考慮了巖溶突水風險影響的環(huán)境因素與人為因素的聯(lián)合作用，特別是開挖擾動的影響，為巖溶突水災(zāi)害風險評估提供了易操作的標準化定量綜合分析評價方法，減少了主觀因素干擾和工程局限性，可在工程掘進過程中利用施工反饋信息及時修正風險評估結(jié)果。將工程現(xiàn)場災(zāi)害實況與本文的巖溶突水風險評估模型的評估結(jié)論進行比對，驗證了創(chuàng)新的巖溶突水風險評估模型的合理可行性，體現(xiàn)風險評估方法具備相當?shù)耐茝V適應(yīng)性，可有效地減少因盲目施工而導(dǎo)致的突水災(zāi)害;并且有針對性地為隧道巖溶突水風險評估、初步方案設(shè)計與施工組織設(shè)計提供理論依據(jù)和相關(guān)修改建議，進而使施工各方對隧道風險狀態(tài)與規(guī)避措施有進一步的宏觀總體認識，不至于忽視風險、盲目施工，更不至于施工各方在風險事故發(fā)生后，才了解隧道的風險狀態(tài)。

本文在初步估算階段所用的防突巖層安全厚度預(yù)測方法，存在部分結(jié)論偏主觀現(xiàn)象。巖溶影響規(guī)模等效圓中心位置與隧道相對位置距離估計比較偏定性分析，需要改進勘察探測手段和運用地理信息系統(tǒng)進行空間分析。巖溶突水風險評估過程全面性考慮有所欠缺，如隧道區(qū)段豐水期與枯水期的差別重視不足和溶腔充填物對突水風險的影響研究不夠。為此，需要有針對性地進一步研究，探索更加客觀、全面的量化評估依據(jù)，不斷充實巖溶突水風險評估模型實用性，提高巖溶突水風險評估模型工程應(yīng)用價值。

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