黃鑫，林鵬，許振浩, , 3，李術(shù)才，潘東東，高斌，李召峰

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巖溶隧道突水突泥防突評(píng)判方法及其工程應(yīng)用

黃鑫1，林鵬1，許振浩1, 2, 3，李術(shù)才1，潘東東1，高斌2，李召峰1

(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南，250061； 2. 山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南，250061； 3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京，100037)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶隧道安全性的快速評(píng)價(jià)，采用統(tǒng)計(jì)與理論分析相結(jié)合的方法，針對(duì)巖溶隧道突水突泥災(zāi)害的災(zāi)害源和防突結(jié)構(gòu)，選取水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)、防突厚度及圍巖特征這4個(gè)方面因素，建立一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的突水突泥快速判識(shí)方法即巖溶隧道突水突泥防突評(píng)判方法(PSAM法)，構(gòu)建突水突泥防突評(píng)判影響因素指標(biāo)體系，即以防突厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)、巖體質(zhì)量和完整性為主要影響因素，圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補(bǔ)給條件、水力連通性、巖石強(qiáng)度為次要影響因素，巖層走向與傾角、地應(yīng)力、巖體透水性特征為修正因素，提出各影響因素的分類方法和等級(jí)劃分體系，形成適用于工程現(xiàn)場(chǎng)快速查詢與評(píng)判的影響因素分級(jí)與評(píng)分表，闡述防突評(píng)判實(shí)施流程。將該評(píng)判方法應(yīng)用于宜萬(wàn)(湖北宜昌—重慶萬(wàn)縣)鐵路野三關(guān)隧道“602溶腔”大型突水突泥災(zāi)害工程。研究結(jié)果表明：該評(píng)判方法克服了現(xiàn)有突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征及厚度影響作用的不足以及傳統(tǒng)最小安全厚度計(jì)算方法針對(duì)孕險(xiǎn)環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面的欠缺；工程應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該評(píng)判方法的科學(xué)性和實(shí)用性。

巖溶隧道；突水突泥；防突結(jié)構(gòu)；防突厚度；防突評(píng)判方法

深長(zhǎng)隧道(洞)是交通、水利水電等國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的關(guān)鍵控制性工程，涉及公路、鐵路、水電、跨流域調(diào)水以及礦山資源等諸多工程領(lǐng)域。然而，在隧道施工過(guò)程中，“高水壓、大體量、強(qiáng)突發(fā)”類型突水突泥災(zāi)害頻發(fā)，造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，誘發(fā)隧址區(qū)地表塌陷以及水資源枯竭等一系列重大次生災(zāi)害，造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和惡劣的社會(huì)影響[1?7]，如衡廣復(fù)線大瑤山隧道、廣鄰高速華鎣山隧道、渝懷鐵路圓梁山隧道[8]、武隆隧道[9]、城黔公路通渝隧 道[10]、宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道[11]、大支坪隧道、云霧山隧道、馬鹿箐隧道[12]、齊岳山隧道、滬蓉西高速龍?zhí)端淼繹13]、齊岳山隧道[14]等隧道在施工過(guò)程中，均發(fā)生多次突水突泥事故，損失慘重：因此，開展隧道突水突泥重大災(zāi)害防治理論研究具有重要的理論意義與工程實(shí)用價(jià)值。突水突泥判識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制成為巖溶隧道安全施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。針對(duì)巖溶隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)分析隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征、地下水動(dòng)力系統(tǒng)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌以及地下水位等突水突泥的孕險(xiǎn)環(huán)境，基于隧道突水、突泥危險(xiǎn)性分級(jí)體系[15]、隧道巖溶涌水專家評(píng)判系統(tǒng)[16?17]、巖溶突涌水地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)[18]，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法[19]、層次分析法[20?21]、屬性數(shù)學(xué)法[22]等理論與方法，建立了巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論與方法，進(jìn)而判斷隧道施工期突水突泥的可能性，預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其覆蓋區(qū)域[23?26]。針對(duì)突水突泥災(zāi)害判識(shí)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出最小安全厚度的概念，并引入彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、能量法以及突變論等理論開展研究[27?30]，取得了大量研究成果。但最小安全厚度計(jì)算方法對(duì)突水突泥災(zāi)害孕險(xiǎn)環(huán)境和隧道圍巖特征等重要影響因素考慮不全面，且涉及較多難以直接獲取或推演的力學(xué)參數(shù)。隨著隧道建設(shè)重心逐漸向地形地質(zhì)極端復(fù)雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，隧道修建面臨大埋深、高水壓、強(qiáng)巖溶等挑戰(zhàn)，防突結(jié)構(gòu)最小安全厚度計(jì)算方法不能很好地應(yīng)用于復(fù)雜巖溶隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害評(píng)判中?；谏鲜龇治?，在突水突泥判識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)防控方面，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要針對(duì)孕險(xiǎn)環(huán)境，是區(qū)域性災(zāi)害預(yù)測(cè)方法，不能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征及厚度對(duì)突水突泥的影響作用；最小安全厚度計(jì)算方法是描述防突厚度與水壓力特征等影響下的突水突泥判識(shí)方法，但針對(duì)孕險(xiǎn)環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面，且涉及較多難以直接獲取或推演的力學(xué)參數(shù)。為此，本文作者借鑒巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分類方法，分析突水突泥災(zāi)害的災(zāi)害源和防突結(jié)構(gòu)，針對(duì)水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)、防突厚度、圍巖特征這4個(gè)方面，選取水壓力特征、水源補(bǔ)給條件、水力連通性、不良地質(zhì)、巖層走向與傾角、防突厚度、巖體質(zhì)量和完整性、節(jié)理狀態(tài)、巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力、巖體透水性特征共11個(gè)主要影響因素作為評(píng)判指標(biāo)，提出隧道突水突泥防突評(píng)判方法(PSAM法)，建立各影響因素等級(jí)劃分與評(píng)分體系，闡述防突評(píng)判實(shí)施流程。最后，通過(guò)在宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道典型突水突泥災(zāi)害工程案例中進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證該防突評(píng)判方法的科學(xué)性和實(shí)用性。

1 防突評(píng)判方法

突水突泥實(shí)質(zhì)上是不良地質(zhì)構(gòu)造在隧道及地下工程開挖作用的影響下，地下水、黏性土、砂石等涌入隧道的現(xiàn)象，其影響因素眾多且復(fù)雜，因此，開展精確的突水突泥防突評(píng)判十分困難。本文通過(guò)分析突水突泥災(zāi)害的災(zāi)害源s和防突結(jié)構(gòu)s，從水動(dòng)力條件w、不良地質(zhì)g、防突厚度t和圍巖特征r這4個(gè)方面著手研究隧道突水突泥防突結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。其中水動(dòng)力條件包括水壓力特征p、水源補(bǔ)給條件r和水力連通性c；圍巖特征包括巖體質(zhì)量和完整性i、節(jié)理狀態(tài)s、巖石強(qiáng)度c，并受地應(yīng)力、巖體透水性特征和巖層走向與傾角影響，如圖1所示。圍巖特征各影響因素的分類方法綜合借鑒了巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分類的相關(guān)方法，如RQD分類法[31]、BQ分類法[32]、RMR分類法[33]和NGI(Q系統(tǒng))分類 法[34?35]，同時(shí)緊密結(jié)合隧道突水突泥災(zāi)害的工程特征，確保圍巖特征影響因素的分類方法具有較強(qiáng)的科學(xué)性和適用性。

基于大量工程案例統(tǒng)計(jì)與分析[2, 4, 10, 19, 22, 26, 36]及層次分析方法，防突評(píng)判針對(duì)防突厚度t、水壓力特征p、不良地質(zhì)g、巖體質(zhì)量和完整性i、節(jié)理狀態(tài)s、水源補(bǔ)給條件r、水力連通性c、巖石強(qiáng)度c、地應(yīng)力、巖體透水性特征和巖層走向與傾角共11個(gè)影響因素，進(jìn)行綜合評(píng)分，最高分值為500。根據(jù)各因素對(duì)防突評(píng)判影響作用不同，對(duì)各因素分值進(jìn)行分配，分配分值見(jiàn)表1。

括號(hào)中數(shù)據(jù)為分值；地應(yīng)力G、巖體透水性特征K、巖層走向與傾角Ψ為修正因素，按正值評(píng)分，總分按式(1)~(5)計(jì)算。

表1 防突評(píng)判影響因素分值分配表

從表1可知：防突厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)、巖體質(zhì)量和完整性對(duì)防突評(píng)判影響最大，分?jǐn)?shù)比例占76%，為主要影響因素；其次為圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補(bǔ)給條件、水力連通性和巖石強(qiáng)度，分?jǐn)?shù)比例占24%，為次要影響因素；最后為巖層走向與傾角、地應(yīng)力和巖體透水性特征，為修正影響因素。

防突評(píng)判總分值計(jì)算式為

水動(dòng)力條件分值計(jì)算式為

圍巖特征分值計(jì)算式為

式(3)中，s由節(jié)理閉合情況c、節(jié)理粗糙度r和節(jié)理充填物性質(zhì)a決定，

巖溶隧道突水突泥防突評(píng)判等級(jí)分為I~IV級(jí)，如表2所示。I級(jí)表示防突結(jié)構(gòu)處于理想安全狀態(tài)，對(duì)突水突泥具有足夠強(qiáng)的抵抗能力。II級(jí)表示防突結(jié)構(gòu)處于基本安全狀態(tài)，在施工過(guò)程中應(yīng)注意控制好開挖步距，及時(shí)支護(hù)。III級(jí)表示防突結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生滯后破壞。在滯后破壞階段，受水壓力、地下水滲流以及施工擾動(dòng)等影響，防突結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生漸進(jìn)性破壞，最終誘發(fā)突水突泥災(zāi)害。當(dāng)然，若處治及時(shí)，如采取注漿加固、泄水降壓以及封堵地下水補(bǔ)給通道等措施，則仍然可以防止突水突泥災(zāi)害的發(fā)生。IV級(jí)表示防突結(jié)構(gòu)將直接破壞，破斷垮塌，發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

表2 防突評(píng)判等級(jí)與分值

2 防突評(píng)判影響因素

2.1 防突厚度Pt

防突結(jié)構(gòu)是阻止突水突泥災(zāi)害發(fā)生的最后一道屏障，是災(zāi)害源內(nèi)積聚的能量釋放時(shí)作用的對(duì)象，是突水通道最終貫通的突破口。防突結(jié)構(gòu)的破裂是災(zāi)害源水體運(yùn)移和隧道內(nèi)施工擾動(dòng)共同誘發(fā)的動(dòng)力破壞過(guò)程。傳統(tǒng)防突結(jié)構(gòu)安全厚度通常由松弛帶厚度1、過(guò)渡帶厚度和裂隙帶厚度2這3部分組成[36?38]。松弛帶厚度主要受開挖擾動(dòng)影響，并與圍巖級(jí)別有關(guān)。裂隙帶通常發(fā)育在巖溶構(gòu)造周邊[39]，裂隙帶厚度主要受地層巖性、巖層厚度影響。當(dāng)松弛帶和裂隙帶相互貫通即防突厚度≤1+2時(shí)，防突結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生滯后破壞或直接破壞，從而誘發(fā)突水突泥災(zāi)害事故。另外，大量工程案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)防突厚度超過(guò)1倍洞徑時(shí)，通常不會(huì)發(fā)生突水突泥災(zāi)害，稱為安全厚度3?；谇笆隼碚撗芯亢凸こ探?jīng)驗(yàn)，將防突厚度分為3個(gè)等級(jí)，并作為突水突泥防突評(píng)判的初步評(píng)判準(zhǔn)則，如表3所示。松弛帶厚度1和裂隙帶厚度2可由物探和鉆探手段測(cè)得，若無(wú)物探或鉆探結(jié)果，則可據(jù)表4和表5取值。

表3 防突厚度等級(jí)與初步評(píng)判準(zhǔn)則

表4 松弛帶厚度D1取值查詢表

表5 裂隙帶厚度D2取值查詢表

2.2 水壓力特征Hp

地下水是隧道突水突泥的主要災(zāi)害源，也是決定性因素之一。地下水位越高，水壓力越大，對(duì)防突結(jié)構(gòu)的安全性威脅越大，突水突泥發(fā)生的概率越高，且一旦發(fā)生突水突泥災(zāi)害，其危害也越大。在傳統(tǒng)隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，通常以水頭高度來(lái)描述地下水位對(duì)突水突泥風(fēng)險(xiǎn)的影響作用[20]?；诖耍畨毫μ卣鞲鶕?jù)水頭高度或水壓力同樣分為4個(gè)等級(jí)，其等級(jí)劃分與評(píng)分值如表6所示。

表6 水壓力特征Hp等級(jí)與評(píng)分值

2.3 不良地質(zhì)Ug

在隧道施工過(guò)程中遭遇各種不良地質(zhì)，構(gòu)成巖溶類、斷層類和其他成因類突水突泥致災(zāi)構(gòu)造[40]。這些不良地質(zhì)體的類型、規(guī)模等在很大程度上決定了隧道突水突泥的致災(zāi)性。按致災(zāi)性強(qiáng)弱，不良地質(zhì)體可分為4個(gè)水平分級(jí)，如表7所示。

表7 不良地質(zhì)體等級(jí)Ug等級(jí)與評(píng)分值

2.4 巖體質(zhì)量和完整性Ri

巖體質(zhì)量和完整性是影響巖溶隧道防突評(píng)判的一個(gè)重要因素。若圍巖完整性好、強(qiáng)度高、無(wú)不利結(jié)構(gòu)面，則抗變形能力強(qiáng)，施工擾動(dòng)變形量小，抵抗突水突泥災(zāi)害能力強(qiáng)；若圍巖完整性差、強(qiáng)度低、不利結(jié)構(gòu)面發(fā)育，則抗變形能力弱，施工擾動(dòng)變形量大，特別是斷層破碎帶、充填型溶腔等軟弱帶(體)在地下水作用下，常產(chǎn)生滲透失穩(wěn)或整體擠出破壞，若施工稍有不當(dāng)，則可導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害發(fā)生。表8為巖石質(zhì)量指標(biāo)QD與評(píng)分值，表9所示為巖體完整性指標(biāo)n與折減系數(shù)。巖體質(zhì)量和完整性評(píng)分值根據(jù)式(4)、表8和表9確定。

表8 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD與評(píng)分值

表9 巖體完整性指標(biāo)Jn與折減系數(shù)

2.5 節(jié)理狀態(tài)Js

若圍巖節(jié)理的張開程度越大、節(jié)理越平直且無(wú)充填物，則巖石風(fēng)化越嚴(yán)重，圍巖越破碎，對(duì)圍巖穩(wěn)定性越不利，地下水在節(jié)理中運(yùn)移越通暢，發(fā)生突水突泥時(shí)地下水補(bǔ)給源越豐富，災(zāi)害越嚴(yán)重。表10所示為節(jié)理閉合情況與評(píng)分值，表11所示為節(jié)理粗糙度與評(píng)分值，表12為充填物性質(zhì)與折減系數(shù)。節(jié)理狀態(tài)評(píng)分值根據(jù)式(5)和表10~12確定。

表10 圍巖節(jié)理閉合情況Jc與評(píng)分值

表11 圍巖節(jié)理粗糙度Jr與評(píng)分值

注：當(dāng)c為節(jié)理面不接觸時(shí)，r取6。

表12 圍巖節(jié)理充填物性質(zhì)Ja與折減系數(shù)

2.6 水源補(bǔ)給條件Wr

水源補(bǔ)給條件和地下水連通性在很大程度上會(huì)改變地下水的水壓力特征，從而影響防突評(píng)判。洼地、漏斗、落水洞、槽谷等負(fù)地形都是地下水系統(tǒng)的重要輸入點(diǎn)，輸入水量與各輸入點(diǎn)的地表匯水面積有關(guān)。大型地下水輸入點(diǎn)如洼地、地下河入口的地下延伸一般是地下河支流的河道。根據(jù)地表負(fù)地形、匯水能力或地下水補(bǔ)給情況不同，將水源補(bǔ)給條件分為4個(gè)水平并進(jìn)行評(píng)分，如表13所示。

2.7 地下水連通性Hc

地下水的連通性主要體現(xiàn)在：隧址區(qū)溶蝕裂隙的發(fā)育狀況；與巖溶洼地、落水洞的連通性；巖層的傾角及層面裂隙發(fā)育狀況；巖層的豎向貫通性；斷層是否連通隧道；地表、構(gòu)造裂隙發(fā)育情況等。地下水的連通性越好，對(duì)突水突泥防突結(jié)構(gòu)的安全性越不利。根據(jù)地下水連通情況不同，將地下水連通性分為強(qiáng)導(dǎo)水性、中等導(dǎo)水性、弱導(dǎo)水性、微導(dǎo)水性共4個(gè)等級(jí)，并進(jìn)行評(píng)分，如表14所示。

2.8 巖石強(qiáng)度Rc

完整巖石強(qiáng)度的評(píng)分值通過(guò)測(cè)量點(diǎn)荷載強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度并根據(jù)表15進(jìn)行確定。

2.9 巖層走向和傾角Ψ

巖層走向和傾角評(píng)分值通過(guò)分析巖層走向與隧道軸線和掘進(jìn)方向的關(guān)系確定，如表16所示。

2.10 地應(yīng)力影響G

隧道開挖會(huì)改變初始應(yīng)力場(chǎng)的分布，應(yīng)力場(chǎng)的初始狀態(tài)在一定程度上決定了應(yīng)力場(chǎng)的二次分布。當(dāng)應(yīng)力與滲流耦合時(shí)，初始地應(yīng)力則通過(guò)隧道施工應(yīng)力二次分布影響著滲流場(chǎng)的變化，進(jìn)而影響突水突泥過(guò)程。將初始地應(yīng)力狀態(tài)分為極高應(yīng)力、高應(yīng)力、中等應(yīng)力和低應(yīng)力共4個(gè)等級(jí)，并進(jìn)行評(píng)分，如表17所示。

表13 水源補(bǔ)給條件Wr分級(jí)與評(píng)分值

表14 地下水連通性Hc分級(jí)與評(píng)分值

表15 完整巖石強(qiáng)度Rc分級(jí)與評(píng)分值

表16 巖層走向和傾角Ψ分級(jí)與評(píng)分值

表17 地應(yīng)力G分級(jí)與評(píng)分值

2.11 圍巖透水性K

圍巖透水性是地下水流動(dòng)與運(yùn)移的重要影響因素之一。圍巖透水性越強(qiáng)，在適宜的補(bǔ)給條件下，地下水流動(dòng)和運(yùn)移速度越快，對(duì)圍巖體不利結(jié)構(gòu)面的弱化作用越強(qiáng)，越不利于防突結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)隧道開挖后的出水狀態(tài)及涌水量，可將圍巖透水性分為5個(gè)等級(jí)并進(jìn)行評(píng)分，如表18所示。

表18 圍巖透水性K分級(jí)與評(píng)分值

3 防突評(píng)判實(shí)施流程

巖溶隧道突水突泥防突評(píng)判實(shí)施流程如圖2所示。

1) 確定松弛帶厚度1、裂隙帶厚度2和安全厚度3；松弛帶厚度和裂隙帶厚度可由物探和鉆探測(cè)得或查詢表4和表5獲得。

2) 初步評(píng)判。根據(jù)防突厚度進(jìn)行初步評(píng)判：若≤12，則防突結(jié)構(gòu)將發(fā)生滯后破壞或直接破壞；若＞123，則防突結(jié)構(gòu)處于安全或基本安全狀態(tài)；若12＜≤123，則需要對(duì)防突結(jié)構(gòu)進(jìn)行分值評(píng)判。

圖2 防突評(píng)判流程

3) 分值評(píng)判。對(duì)防突厚度、水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征等所有影響因素進(jìn)行分級(jí)評(píng)分，根據(jù)式(1)和表1進(jìn)行防突評(píng)判，評(píng)判結(jié)果分為安全、基本安全、滯后破壞或直接破壞共4種。

4 案例分析

4.1 工程概況

宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道位于恩施州巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)碗口河和支井河之間，從DK116+205~ DK130+038，全長(zhǎng)13 833 m，最大埋深684 m，為宜萬(wàn)鐵路全線最長(zhǎng)的隧道[41]。由于隧道洞身通過(guò)廣泛分布的可溶巖地層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是宜萬(wàn)鐵路的重要控制工程。隧道穿越三疊系大冶組、嘉陵江組、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層。在該隧道中，碎屑巖地層占37%，灰?guī)r地層占隧道63%，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育巖溶管道流6條，其中3號(hào)暗河對(duì)隧道影響最大。3號(hào)暗河呈帶狀分布，在隧道上方斜穿，排泄基準(zhǔn)面標(biāo)高為1 050 m，高于隧道220 m，暗河通過(guò)巖溶裂隙、斷層等通道與隧道的水力聯(lián)系較強(qiáng)；區(qū)內(nèi)共發(fā)育12條斷層，其中F18斷層切割、連通3號(hào)暗河，存在重大突水突泥風(fēng)險(xiǎn)，隧道多次通過(guò)碎屑巖與灰?guī)r接觸帶，施工風(fēng)險(xiǎn)高[41?42]。宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道部分地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

4.2 突水突泥情況

2007?08?05，在宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道I線出口端開挖至DK124+602時(shí)，突然發(fā)生大型崩塌、突泥、突石的重大透水災(zāi)害。在高水壓作用下，地下水沿隱蔽破碎巖體傳遞壓力，壓裂隧道臨空面完整圍巖，導(dǎo)致隧道洞室大規(guī)模崩塌，并貫通隧道上方的巖溶管道，襲奪3號(hào)地下暗河。瞬間涌水量達(dá)到15萬(wàn)m3/h，涌出泥砂及塊石5.4萬(wàn)m3，堆滿隧道400 m左右，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[43]。

圖3 宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道部分地質(zhì)剖面圖

4.3 影響因素分析

4.3.1 防突厚度t

在對(duì)泄水支洞前方的溶腔進(jìn)行超前鉆孔鎖定邊界時(shí)，發(fā)現(xiàn)泄水支洞前方巖墻臨溶腔側(cè)存在1.2~1.9 m厚度不等的破碎灰?guī)r區(qū)，因此，可以取裂隙帶厚度2為2.00 m；圍巖等級(jí)為II級(jí)，因此，松弛帶厚度1取1.00 m；隧道正洞斷面為馬蹄型，寬7.16 m，高9.46 m，取安全厚度3為7.50 m。

經(jīng)初步評(píng)判可得：當(dāng)≤3.0 m時(shí)，防突結(jié)構(gòu)將發(fā)生直接破壞或滯后破壞；當(dāng)＞10.5 m時(shí)，防突結(jié)構(gòu)安全或基本安全；當(dāng)3.0＜≤10.5 m時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行分值評(píng)判。

4.3.2 不良地質(zhì)g

溶腔發(fā)育范圍為DK124+583~DK124+610，沿隧道縱向長(zhǎng)27.0 m。溶腔橫穿隧道，主溶腔位于I線DK124+580~DK124+640左側(cè)40 m、左上方100~250 m附近，向上與地表連通，向右側(cè)逐漸尖滅，發(fā)育成寬張裂隙。充填物為灰?guī)r塊石、砂卵石、淤泥及水，“602溶腔”突水突泥潰口在DK124+602~DK124+605左側(cè)邊墻，總涌水量達(dá)2 600萬(wàn)m3。

4.3.3 水壓力特征p

突水前，DK124+602處溶洞內(nèi)實(shí)測(cè)水壓力為 1.0 MPa，突水后，溶洞水壓力一般在0.1 MPa左右，周邊巖體裂隙水壓為0.3~0.9 MPa[41]。

4.3.4 水源補(bǔ)給情況r

隧道處于灰?guī)r與泥巖接觸帶區(qū)的灰?guī)r段，屬于灰?guī)r含水層向泥巖非含水層過(guò)渡帶。灰?guī)r段巖溶裂隙水發(fā)育，富含地下水，其地下水與野三關(guān)隧道3號(hào)暗河處于同一水文地質(zhì)單元。示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明：隧道突水點(diǎn)與水洞坪巖溶洼地地表水以及3號(hào)地下暗河之間存在明顯的水力聯(lián)系，表明水洞坪巖溶洼地地表水、3號(hào)地下暗河和二疊系棲霞—茅口組巖溶含水層是突水的主要水源[44]。

4.3.5 水力連通性c

該區(qū)段垂向巖溶如落水洞、巖溶漏斗、洼地等極為發(fā)育。地下水補(bǔ)給條件及徑流條件好，通過(guò)斷層破碎帶易將巖溶水導(dǎo)入隧道。

4.3.6 圍巖完整性i

該段隧道穿越二疊系下統(tǒng)棲霞組和茅口組的灰?guī)r以及含燧石結(jié)核灰?guī)r夾瀝青質(zhì)地層，厚層狀，巖心較完整，QD=70%，隧道圍巖分級(jí)為II級(jí)，n=1.2。

4.3.7節(jié)理狀態(tài)s

巖溶裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育方向與隧道近垂直或大角度相交，橫穿I線、II線，基本上沿巖層走向發(fā)育，主要節(jié)理閉合或發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，為粗糙或波狀節(jié)理，偶有裂隙夾泥或夾雜炭質(zhì)灰?guī)r顆粒。

4.3.8 巖塊強(qiáng)度c

隧道DK124+550~+650段穿越圍巖情況如前4.3.6節(jié)所述，巖體完整，為Ⅱ級(jí)圍巖。隧道圍巖崩塌堆積體為棲霞組深灰色灰?guī)r塊體，巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度為90~110 MPa。

4.3.9 修正因素

1) 圍巖透水性影響：地質(zhì)資料顯示，DK124+ 550~+650段洞身處于地下水深部循環(huán)帶，巖溶發(fā)育程度較弱，以裂隙滲水、滴水為主，水量動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定。實(shí)際施工揭露情況為靠近掌子面里程出現(xiàn)多個(gè)涌水 點(diǎn)[42]，且涌水量較大。

2) 地應(yīng)力影響：DK124+602溶洞處隧道埋深為520 m，＞7，屬于低應(yīng)力。

3) 巖層走向和傾角：該段位于石馬壩背斜的西翼，隧道反傾向掘進(jìn)，巖層傾角為10°~45°。

4.4 防突評(píng)判結(jié)果

根據(jù)上述針對(duì)野三關(guān)隧道各影響因素分析得到相應(yīng)因素評(píng)分值，如表19所示。

表19 野三關(guān)隧道防突評(píng)判影響因素評(píng)分值

下面針對(duì)水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征這3個(gè)主要大類影響因素在防突評(píng)判中的影響程度進(jìn)行分析，主要從其貢獻(xiàn)的評(píng)分值和評(píng)分值占各類總分值的百分比2個(gè)方面考慮。評(píng)分值越高，說(shuō)明此因素在防突作用方面越強(qiáng)；百分比越低，說(shuō)明此因素在防突方面是“短板”因素，是施工補(bǔ)強(qiáng)措施中首要考慮的因素。野三關(guān)隧道防突評(píng)判中主要大類影響因素評(píng)分值和百分比見(jiàn)圖4。

從圖4可知：圍巖特征r評(píng)分值最高，說(shuō)明該段圍巖條件在防突結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中起重要作用；水動(dòng)力條件w的百分比僅為25%，是明顯的“短板”因素，要加強(qiáng)防突結(jié)構(gòu)的安全性，首先考慮水動(dòng)力條件，泄水降壓，封堵補(bǔ)給通道，主動(dòng)防控。

根據(jù)表19中各因素評(píng)分值，按照式(1)可得防突評(píng)判分值為

當(dāng)d∈(D1+D2，D1+D2+D3]即3＜d≤10.5 m時(shí)，防突評(píng)判分值與防突厚度之間的關(guān)系曲線如圖5所示。圖5中防突厚度的評(píng)分值與防突厚度按呈線性關(guān)系，即

1—p＜0.1 MPa；2—p=1.0 MPa。

(7)

分析圖5中?關(guān)系曲線2可得：當(dāng)防突厚度＞10.0 m時(shí)，防突評(píng)判等級(jí)為II級(jí)，基本安全；當(dāng)防突厚度3.0＜≤10.0 m時(shí)，防突評(píng)判等級(jí)為III級(jí)，發(fā)生滯后破壞；當(dāng)防突結(jié)構(gòu)厚度≤3 m時(shí)，防突評(píng)判等級(jí)為III級(jí)或IV級(jí)，發(fā)生滯后破壞或直接破壞。

野三關(guān)隧道實(shí)際工程施工中發(fā)生“602溶腔”突水突泥時(shí)厚度為7.5 m，小于計(jì)算所得的臨界防突厚度10.0 m，并且本次災(zāi)害是在高水壓和開挖擾動(dòng)雙重作用下，防突結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展至貫通，發(fā)生漸進(jìn)性破壞誘發(fā)突水突泥，為滯后型突水突泥。

4.5 討論

若在災(zāi)害發(fā)生前對(duì)602溶腔進(jìn)行泄水降壓，將溶腔水壓力降至低于0.1 MPa(見(jiàn)圖5中曲線1)，則當(dāng)防突厚度≥6.5 m時(shí)，防突評(píng)判等級(jí)為II級(jí)，基本安全。此時(shí)，當(dāng)掌子面開挖至防突厚度為7.5 m時(shí)，便不會(huì)發(fā)生突水突泥災(zāi)害。若進(jìn)一步采取封堵地下水補(bǔ)給通道、注漿加固圍巖、改善不良地質(zhì)體等主動(dòng)防控措施，則防突結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的臨界防突厚度會(huì)逐漸減小，如圖6所示。采取泄水降壓、封堵地下水補(bǔ)給通道主動(dòng)防控措施后，水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)和圍巖特征的評(píng)分值之和為210，防突結(jié)構(gòu)臨界防突厚度為5.5 m，小于實(shí)際突水厚度。當(dāng)進(jìn)一步改善不良地質(zhì)條件時(shí)，防突結(jié)構(gòu)臨界防突厚度會(huì)進(jìn)一步減小。

野三關(guān)隧道突水突泥災(zāi)害處理過(guò)程中“實(shí)施高位泄水支洞降低水壓力，采取注漿堵水固結(jié)潰口塊石堆積體以及超前管棚預(yù)支護(hù)措施”等技術(shù)[43]與上述“泄水降壓、封堵地下水補(bǔ)給通道等主動(dòng)防控措施”相一致，避免了后期處治過(guò)程中突水突泥災(zāi)害的再次發(fā)生。在類似存在突水突泥災(zāi)害的巖溶隧道施工過(guò)程中，也可采用上述措施進(jìn)行控制，從而降低防突評(píng)判等級(jí)，避免突水突泥災(zāi)害發(fā)生，保證隧道施工安全。

A表示無(wú)措施；B表示泄水降壓；C表示封堵補(bǔ)給通道；D表示改善不良地質(zhì)；“10，130”表示在A工況下的臨界防突厚度為10 m，水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)、圍巖特征的評(píng)分值之和為130，其他情況類推

5 結(jié)論

1) 針對(duì)突水突泥災(zāi)害的災(zāi)害源和防突結(jié)構(gòu)，考慮水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)、防突厚度和圍巖特征這4個(gè)方面，建立了隧道突水突泥防突評(píng)判方法，形成了一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的突水突泥快速判識(shí)方法，克服了現(xiàn)有突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)未能描述防突結(jié)構(gòu)圍巖特征和厚度影響作用的不足以及傳統(tǒng)最小安全厚度計(jì)算方法針對(duì)孕險(xiǎn)環(huán)境和圍巖特征等重要影響因素考慮不全面的欠缺。

2) 構(gòu)建了突水突泥防突評(píng)判影響因素指標(biāo)體系：防突結(jié)構(gòu)厚度、水壓力特征、不良地質(zhì)與巖體質(zhì)量和完整性為主要影響因素；圍巖節(jié)理狀態(tài)、水源補(bǔ)給條件、水力連通性和巖石強(qiáng)度為次要影響因素；巖層走向與傾角、地應(yīng)力和巖體透水性特征為修正因素。提出了各影響因素等級(jí)劃分方法與評(píng)分體系，形成了分級(jí)與評(píng)分查詢表，保證了防突評(píng)判方法的科學(xué)性和實(shí)用性，并實(shí)現(xiàn)了工程現(xiàn)場(chǎng)快速查詢與評(píng)判。

3) 在宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道“602溶腔”突水突泥防突評(píng)判中，水動(dòng)力條件是確保防突結(jié)構(gòu)安全的“短板”因素；災(zāi)害發(fā)生時(shí)的厚度小于計(jì)算所得的臨界防突厚度，為滯后型突水突泥。工程案例分析證明了防突評(píng)判方法的科學(xué)性和實(shí)用性。

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(編輯 陳燦華)

Prevention structure assessment method against water and mud inrush in karst tunnels and its application

HUANG Xin1, LIN Peng1, XU Zhenhao1, 2, 3, LI Shucai1, PAN Dongdong1, GAO Bin2, LI Zhaofeng1

(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan 250061, China; 3. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

In order to realize rapid assessment on the safety of karst tunnels, a prevention structure assessment method(PSAM) against water and mud inrush in karst tunnels was proposed through statistical and theoretical analyses based on disaster sources and prevention structure of water and mud inrush in karst tunnels. An evaluation index system was established for this method based on the research about hydrodynamic condition, unfavorable geology, prevention thickness and surrounding rock characteristics. In the evaluation index system, major factors were prevention thickness, hydraulic pressure, unfavorable geology, rock quality and integrality, secondary factors were joint state, recharge condition of groundwater, hydraulic connection and rock strength, and modifying factors were attitude of rocks, crustal stress and seepage state. In addition, methods and criterion of classification were put forward for the evaluation index system. Rating and score tables were created for efficient evaluation at the construction site based on aforementioned methods and criterion of classification. The implementation process of the method was expounded. The assessment method was applied in the actual engineering case of railway tunnel. The results show that the proposed method enriches the theories about risk prevention and control, and will make up for shortages of the minimum safety thickness method. The application effect indicates that the proposed method is rational and feasible, which provides a useful tool for prevention structure assessment at the construction site.

karst tunnels; water and mud inrush; prevention structure; prevention thickness; assessment method

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.021

TU43

A

1672?7207(2018)10?2533?12

2018?04?11；

2018?06?09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509147，51709158)；國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(51422904)(Projects(51509147, 51709158) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(51422904) supported by the National Natural Science Foundation for Excellent Youth Scholars of China)

許振浩，博士，副教授，從事地下工程災(zāi)害防控理論與技術(shù)研究；E-mail：zhenhao_xu@sdu.edu.cn