岩溶地区隧道突水机理及防治措施

2019-07-25王子洪付会彬马伟斌马超锋

铁道建筑 2019年6期

王子洪，付会彬，马伟斌，马超锋

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081;2.中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司，北京 100039;3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

1 隧道突水类型及产生条件

祼露与覆盖的碳酸盐岩总面积占我国国土总面积的20%。隧道常常穿越岩溶等不良地质条件区域，由于岩溶导致的地质灾害给隧道工程带来大量施工安全问题。隧道突水主要是指隧道在实际施工过程中大量水体或各种泥水混合物沿着岩层不良地质构造如岩溶管道、断层、地下暗河等，突然之间快速地涌入隧道内[1]。隧道突水分类见表1[2]。

表1 隧道突水分类

隧道突水取决于突水源、突水通道和防突岩层3个方面。突水源是突水灾害形成的源动力，储存一定的能量；突水通道是突水的运行通道，即泥砂与地下水混合物迁移的地方，是突水灾害形成的必要条件；防突岩层是突水流入隧道的障碍。

2 岩溶地区隧道突水机理

2.1 突水涌泥形成的必要条件

我国西南地区隧道普遍具有岩溶发良、渗透压力大、地应力特别大等特点。该地区的突水类型一般以岩体高压水力裂隙型为主。隧道施工时暗藏在岩体中的含水结构遭到破坏，有可能使得导水通道和开挖临空面连通，继而引发相关水源如地下水或者地表水等骤然进入隧道施工区，直接导致突水涌泥灾害的发生[3]。

发生隧道突水必须符合以下3个条件：

1)含水结构中存储有一定的能量

岩溶裂缝遭受岩溶水的侵蚀作用时岩体强度降低，岩体内会形成突水结构面。隧道施工过程中倘若隧道附近暗藏含水结构体系，意味着防突岩层处于饱水状态[3]。此时岩石强度σw远小于干燥状态时岩石强度σd，两者关系为

σw=ηkwσd(kw<1)

(1)

式中：η为岩溶地区岩石强度的折减系数；kw为岩溶地区岩石软化系数。

当隧道围岩附近存在岩溶水体时，岩溶水体在自重应力、地质构造应力、静动水压力等共同作用下产生运动势能，且势能随埋深的增加而增大。岩溶破碎带、向斜构造等均为储水集聚带。当岩溶水经过较长时间集聚其应变能上升到限值时，受开挖施工扰动的影响应变能快速释放，使得伴有泥沙的地下水在短时间内涌入隧道开挖面。饱和水状态下岩石强度大大降低，无法承受岩溶水体的能量释放，因此产生突水涌泥灾害。

2)岩溶水压力对岩体的应力作用

在灾害较重的岩溶地区，岩体内存在裂缝与节理等导致灾害的因素。这些因素在岩溶形成过程中会产生众多的断层面。若发生突水涌泥，断层面将是水体流动的潜在通道。岩溶水压力对岩体的作用主要体现在有效应力的变化与溶蚀软化2个方面。这种综合作用可表示为

Δτ=σ(tanφ-tanφw)+Ptanφw+c-cw

(2)

式中：Δτ为裂缝岩体遭受侵蚀后抗剪强度变化值;σ为正方向应力;P为岩溶水压力；φ，φw分别为被侵蚀软化前、软化后裂缝岩体的内摩擦角；c，cw分别为被侵蚀软化前、软化后裂缝岩体的黏聚力。

由式(2)可以看出:隧道开挖后其底板沿垂向卸压，岩溶水压力对岩石硬度的影响会更加突出。

3)含水结构围岩的稳定性被破坏

在高水压作用下单位时间内水流量增大。假设岩溶水能将岩溶管道阻力全部克服，把势能转变为水的动能。通过伯努利能量方程，可以得出突水口处的岩溶水流速公式：

(3)

式中：γw为水的重度；ΔH为水头差;g为重力加速度。

由式(3)可知，岩溶水压力越高流速越大。倘若岩溶管道直径够大，不会对岩溶水流动产生阻碍，可根据达西定律求得渗流量Q。

(4)

式中：K为渗透系数；A为渗流断面的面积；L为渗流长度。

由式(3)和式(4)可知，随着渗流量的增大岩溶水压力也会增大。

通过以上分析可以得出：储水体系中倘若岩溶水聚集的动能和势能增大到一定值，且具备能量释放的条件，防突岩层的稳定性下降到极限时，突水涌泥就无法避免。

2.2 突水模式

依据阻水结构的性质，可把突水模式划分为防突岩层破坏与填充介质渗透失稳2种类型。

1)防突岩层破坏型

防突岩层厚度的计算有定性、定量与半定量3种方法。郭佳奇[4]通过构建力学模型，把岩层精简成两端稳定的梁进行运算，且经实际工程检验效果良好。将岩溶隧道拱顶与拱腰上部岩层所形成的防突岩层转变为两端稳定的梁，则防突岩层稳定性问题转化为在自重及填充介质压力作用下梁的失稳问题。防突岩层示意及简化模型见图1。

图1 防突岩层示意及简化模型

在自重与均布岩溶水压力双重影响下，两端固定梁最大弯矩出现在梁两端。该梁最大弯矩M为

(5)

式中：γ，B分别为防突岩层的重度和宽度；H为防突岩层的厚度(梁高)；W为隧道的跨度。

在自重与填充介质压力双重作用下，梁两端均出现最大剪力。最大剪力FS为

(6)

防突岩层厚度H依照抗弯强度计算。公式为

(7)

式中：σt为岩层的抗拉强度。

防突岩层抗剪强度τ计算公式为

(8)

为了使得隧道施工安全得到保障，将式(7)与式(8)所得的H最大值确定为溶腔与隧道之间的防突岩层厚度。

若岩溶水将溶腔填满，那么以上公式中P为岩溶水压力；若填充介质与水共同填充溶腔，那么P就为填充介质与水的压力之和；若溶腔没有水渗透进去则P取0。

防突岩层厚度会受到开挖扰动、裂缝与节理等影响，因此还须对其简化模型所得结论进行修正，依据相关隧道实践经验，防突岩层厚度的取值还须乘以安全系数K[4]。

2)填充介质渗透失稳型

在地下水作用与施工扰动下颗粒较小的填充介质容易被水冲走，导致水土流失与管道涌堵。若填充岩溶管道的是透水型介质，则管道孔隙会越来越大，导致颗粒被冲走。若隧道施工时形成了临空面，则填充介质会飞速流走，管道最后就会全部贯通诱发突水涌泥灾害[4]。

填充介质渗透失稳过程可分成填充开始致密阶段、渗透失稳阶段与管道全部连通阶段。

图2 填充介质渗透失稳力学模型

填充介质渗透失稳力学模型如图2所示。其中：D为岩溶管道的宽度；PS为填充介质受到水流冲击所产生的渗流动水压力；fw,fs分别为水流和泥沙对岩溶管道壁的拖拽力。

填充开始致密阶段填充介质受到水流冲击所产生的渗流动水压力PS计算公式为

PS=nγwDJ

(9)

式中：n为填充介质的孔隙率;J为水力坡度。

填充介质所受到的管道壁阻力的合力与PS大小相等,方向相反，有

PS=2fw

(10)

则

(11)

式中：ρw为水的密度。

渗透失稳阶段由于岩溶水多次侵蚀填充介质，填充介质中的土颗粒被慢慢冲走，孔隙率n日益增大，当n=1时，即管道内的填充介质被完全冲走，此时管道全部连通。

3 圆梁山隧道突水涌泥防治措施

3.1 工程地质情况

渝怀铁路圆梁山深埋特长隧道全长 11 068 m，是关键性控制工程。隧道位于重庆市酉阳县境内，处于川东褶皱山地与鄂西山地、贵州高原的接触带，属中低山地形，相对高差超过 900 m。主要发育毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生断裂，向斜区内发育较多横张断裂。地貌形态受构造和岩性控制，呈带状展布。隧道穿越的主要岩性为灰岩、沥青质灰岩、泥岩、砂岩、白云岩、煤层等，其中可溶性灰岩地层总长约 7 100 m[5]。

3.2 防排水措施

隧道穿过岩溶侵蚀严重地区时在地表形成了许多岩溶洼地等岩溶地貌，在相邻两洼地之间还形成很多槽谷，容易诱发突水涌泥。突水涌泥爆发后，在排堵水时会导致原有的地下水循环系统遭受破坏，宜采用多种方法相结合的方式进行处治，比如可以采用防、排、堵、截多种方法交错实施[6]。

裂缝水发育地段开挖后采用径向注浆与补浆或者选择小导管注浆进行封堵，使隧道施工时水土流失变少。依据隧道地质情况全面治理，洞内也要严格排水，水泵排水能力要达到一定标准，同时在洞内还要挖蓄水坑和设置蓄水池，逐级排水。隧道内大约每隔50 m 挖1个蓄水坑，每隔100 m设置1个大蓄水池。先逐级把蓄水坑里的水抽到大蓄水池里，再把蓄水池中的水抽到隧道外[7]。