鄭仕躍 周權(quán)峰 張仁坤 馮安治

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0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)施建設(shè)的要求正在不斷提高。我國(guó)西南地區(qū)巖溶分布廣,這類條件下進(jìn)行隧道施工開挖易導(dǎo)致突水災(zāi)害，造成重大的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失。巖溶隧道突水災(zāi)害一旦發(fā)生,若不能有效治理,將導(dǎo)致重大的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展突水巖溶隧道突水災(zāi)害的研究，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶地區(qū)突水災(zāi)害的防治具有重要意義。

隧道突水災(zāi)害是一個(gè)受到多重不同因素影響的復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng)。突水災(zāi)害由災(zāi)害源和突水通道兩大組成部分, 災(zāi)害源是突水產(chǎn)生的動(dòng)力源，而突水通道是災(zāi)害的運(yùn)移通道，針對(duì)這兩大組成部分國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。本文對(duì)巖溶隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件、突水通道形成機(jī)理以及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),并且指出了目前研究的局限性和未來的發(fā)展方向和趨勢(shì),為巖溶隧道突水災(zāi)害的防治提供參考。

1 突水災(zāi)害形成機(jī)制研究的重要進(jìn)展

巖溶隧道突水災(zāi)害形成的研究涉及地質(zhì)學(xué)、巖溶學(xué)、動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)等。學(xué)者們?cè)谠袨?zāi)條件、突水通道的形成以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的研究取得了一系列的成果。

1.1 突水災(zāi)害孕災(zāi)條件

巖溶隧道突水災(zāi)害發(fā)生前往往會(huì)出現(xiàn)一些前兆特征。研究突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件有利于深入了解突水災(zāi)害的形成原因并有助于建立突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)。因此許多學(xué)者對(duì)突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件進(jìn)行了大量的研究。

如羅雄文等將引發(fā)突水地質(zhì)災(zāi)害的主要孕災(zāi)構(gòu)造條件分為了充水巖溶、未膠結(jié)富水壓性斷層強(qiáng)烈擠壓破碎帶、未膠結(jié)富水張性斷層、地下向斜蓄水構(gòu)造、富水順層錯(cuò)動(dòng)破碎帶，并且剖析了這些孕災(zāi)構(gòu)造條件[1]。郭如軍在此基礎(chǔ)上增加了充水廢棄礦巷的孕災(zāi)構(gòu)造,進(jìn)一步將突水地質(zhì)災(zāi)害中的孕災(zāi)構(gòu)造歸類分為完全充水體構(gòu)造和裂隙空隙含水構(gòu)造[2]。蒙彥和雷明堂研究了向斜盆地類儲(chǔ)水構(gòu)造、斷層破碎類、巖溶管道類等巖溶區(qū)易發(fā)生突水災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造[3]。李術(shù)才等針對(duì)隧道突水突泥災(zāi)害，將地下水賦存形式與外界影響因素融合在一起，提出致災(zāi)構(gòu)造概念，并將致災(zāi)構(gòu)造分為3 類11 型如表1[4]。

表1 突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類

上述關(guān)于突水災(zāi)害孕災(zāi)條件的研究上都集中在對(duì)突水災(zāi)害地質(zhì)因素的討論，而突水災(zāi)害的形成是個(gè)受到多重不同因素影響的復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng)，隧道突水災(zāi)害也會(huì)受到包括氣溫、降雨量的影響。溫度會(huì)影響弱酸性水對(duì)巖石的可溶性，降雨量則會(huì)影響下滲到溶洞中的水量。因此氣候條件在突水災(zāi)害孕災(zāi)條件的研究也是不容忽視的，未來如何綜合考慮地質(zhì)因素與氣候因素來研究隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件是一個(gè)重要方向。

1.2 突水通道的形成機(jī)制

隧道突水災(zāi)害的形成是巖溶裂隙在長(zhǎng)期的施工擾動(dòng)下形成突水通道的表現(xiàn)。在不考慮外界的干擾的前提下，巖溶突水實(shí)質(zhì)上是巖體的裂隙在高水頭水壓下巖體裂隙逐漸增大，巖體的貫通率也隨之增大，裂隙群貫通后在水壓運(yùn)動(dòng)作用下最終演變?yōu)橥凰ǖ?，表現(xiàn)為水力劈裂現(xiàn)象。水力劈裂現(xiàn)象最初在于油氣田的生產(chǎn)開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力的測(cè)量中廣泛應(yīng)用。但是近些年來由于在交通項(xiàng)目的建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)由水頭劈裂誘發(fā)的突水災(zāi)害的發(fā)生。因此許多學(xué)者從水力劈裂著手研究突水通道的形成機(jī)制。并且將斷裂力學(xué)、損傷理學(xué)等引入巖溶突水問題的研究中，取得了一系列的成果。盛金昌從I 型水力裂紋的擴(kuò)展和抗破壞角度討論了水力運(yùn)動(dòng)劈斷斷裂的物理判據(jù)[5]。李利平運(yùn)用巖溶地質(zhì)學(xué)、巖溶學(xué)、水力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及斷裂力學(xué)等多個(gè)相關(guān)的理論知識(shí),提出以往的研究往往局限于巖溶水對(duì)裂隙巖體單方面的劈裂作用而忽視了突水前后巖體與水的相互作用，并解釋了巖溶隧道突水災(zāi)害的產(chǎn)生是裂隙巖體在受到裂隙水壓及外界施工干擾的影響下發(fā)生水力劈裂導(dǎo)致的，提出了巖溶隧道中裂隙水突出的最小巖石保護(hù)層厚度概念,推導(dǎo)了其半解析表達(dá)式,并通過工程實(shí)例進(jìn)行了分析驗(yàn)證[6]。

但是巖體形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的，上述的試驗(yàn)研究大多數(shù)都只研究了單條裂紋或者臨近幾條裂紋的貫通機(jī)理上。實(shí)際上巖體內(nèi)部的裂紋是大多是群紋，而對(duì)于高水頭作用下的群紋貫通機(jī)理的研究還無實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。并且上述研究都表明外界施工擾動(dòng)對(duì)突水通道的形成起著十分重要的作用，所以外界荷載對(duì)突水災(zāi)害影響模式的研究是未來研究突水災(zāi)害形成機(jī)制的重要方向。

1.3 突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在明確了孕災(zāi)條件和突水通道的形成機(jī)理后，建立我國(guó)地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)估評(píng)價(jià)體系就顯得十分重要。山東大學(xué)較早在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域開展了研究，張慶松等在對(duì)巖溶隧道突水突泥進(jìn)行分段評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，初步提出了巖溶隧道突水突泥定量評(píng)價(jià)方法和災(zāi)害四色預(yù)警機(jī)制[7]。為了將定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合，毛邦燕等對(duì)近20 座渝懷線圓梁山隧道的巖溶突水災(zāi)害的形成機(jī)制進(jìn)行了整理分析，并且考慮評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性，提出了“隧道突水、突泥危險(xiǎn)性分級(jí)體系”。這一體系突破了以往大多是以單純定量分析的局限性，采用定性與工程實(shí)際相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)對(duì)隧道區(qū)域的地下水系統(tǒng)的充分了解與巖溶發(fā)育機(jī)理的掌握[8]。此外匡星等建立了由預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警三個(gè)組成部分的隧道施工期巖溶突水地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)，選取典型指標(biāo)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立了綜合評(píng)價(jià)模型[9]。許振浩等基于層次分析法提出了巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)三階段評(píng)估與控制方法，包括初步評(píng)估、二次評(píng)估與動(dòng)態(tài)評(píng)估，層次結(jié)構(gòu)模型見圖1。在時(shí)間上分別對(duì)施工前的孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子以及風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的控制更具有時(shí)效性與準(zhǔn)確性[10]。

圖1 巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值分析層次結(jié)構(gòu)模型

上述理論方法與預(yù)測(cè)模型選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)往往是一個(gè)確切的數(shù)值，但是地下工程地質(zhì)條件是非常復(fù)雜且多變的，因此在模型預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中只能給出突水風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的等級(jí)，無法給出每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)發(fā)生的概率。巖溶突水突泥災(zāi)害是一種非常復(fù)雜且受到多種因素影響的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象，大體上可以分為地質(zhì)影響因素和外界施工因素。但外界因素難以實(shí)現(xiàn)量化，所以大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論與模型都是針對(duì)地質(zhì)因素對(duì)突水風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行研究，因此未來如何實(shí)現(xiàn)外界施工因素的量化，綜合考慮二者的共同影響來建立巖溶突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)是一個(gè)重要的方向。

2 結(jié)束語

本文基于當(dāng)前巖溶隧道突水機(jī)理的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析，從系統(tǒng)的角度分析了隧道突水的形成機(jī)理，從理論研究與試驗(yàn)研究方面對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，據(jù)此，明確了研究突水災(zāi)害問題的三要素，包括孕災(zāi)條件、突水通道的形成、突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并探討了當(dāng)前相關(guān)研究方法、思路以及重要概念上存在的主要問題。認(rèn)為在研究隧道突水災(zāi)害的孕災(zāi)條件、突水通道的形成機(jī)理與突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面應(yīng)該強(qiáng)調(diào)地質(zhì)因素和工程因素的雙重影響，并結(jié)合地質(zhì)前兆信息和地球物理場(chǎng)前兆信息為突水災(zāi)害預(yù)報(bào)奠定了理論基礎(chǔ)。