隧道涌突水的原因和预测预报方法

佘林辉

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

近10年来，随着经济的迅速发展，人民生活水平的大幅度提高，铁路公路交通建设规模日益扩大，我国已修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群，隧道占铁路公路里程比例不断增大。预报技术在应用中不断发展进步。但是在建隧道，涌突水事故仍然时有发生，给人民的财产安全和人身安全带来了重大危害。为降低地质灾害发生的机率和危害程度，对不良地质段进行了超前地质预报，但目前的勘察报告通常只有段落涌水量预测，没有具体构造涌突水水量、水压、水电导率等相关信息的报告。为了预测、预防涌突水，减少涌突水带来的危害，需要有针对性地布置实施勘察、预报工作，进一步增大重点地段的投入，需要对隧道涌突水原因、规律进行了解。

超前地质预报通常包括常规地质法、物探法、超前钻探、超前导坑和工程类比法等。常规地质法作为综合超前预报技术的基础方法，总是被不断地应用，文献［1－2］主要介绍了常规地质法的作用，分析了涌突水的可能性及其规模，将多解性的物探异常翻译成地质术语。文献［3－6］主要介绍了物探法能更准确地寻找已经推断存在的涌突水位置，判断地表发育的涌突水构造，寻找可能被错过的含水构造，但物探仍然不能判定涌突水的规模，它的特点是对隧道施工干扰小，是指导钻孔探测的方向。超前钻探与超前导坑一方面可以探测这种可能性及其规模，另一方面可以通过钻孔释放压力，将突水变成涌水，并能减少最大涌水量，但是钻孔的断面小且少量钻孔，无论是在地表钻探、洞内钻探及导坑都不能完全代表隧道施工时的情况。而大量钻孔则耗时过多，因此钻孔的布置需要地质法和物探法为指导。工程类比法对整体地质情况的把握较好，但类比条件比较苛刻，需要大量工程实例的积累。

本文从地质角度出发进行研究，将涌突水进行分类，并分述其发生的条件，从水源、水汇集速度和水压等几个方面谈隧道发生涌突水的可能性，并对几个隧道涌突水事件进行分析，提出勘察、超前预报及施工注意事项。

1 涌突水条件

涌突水一般可分为长时间持续涌突水和短时间一次性涌突水。

涌水需要具备的条件为丰富的地下水补给源、足够大的含水构造和能很快汇聚地下水的流动途径。

突水需要在涌水条件的基础上增加条件，开挖面岩体导水裂隙不发育，能形成一定水压，且水压超过了开挖面岩体的抵抗能力。

1.1 地下水补给源

地下水补给源主要有大气降水、地表水和含水层之间的补给。地下水补给示意图见图1。

1.1.1 大气降水补给

大气降水补给量由降雨量、地表汇水和降水入渗能力综合确定，且大气降水有季节性。主要通过大气降水补给的隧道段，可进行如下分析。

1)大气降水补给不丰富的部分，可认定为不存在持续涌突水的可能，需提防有些地方虽年降雨量少，但日降雨量颇高，加之地表汇水面积大，可能发生短时间涌水;大气降水补给丰富的部分，可根据季节降水量来判断不同季节涌突水的可能，根据情况选择避开丰水季节，切断补给源，或者选择合适的超前地质预报。在枯水季节施工时，判断丰水季节情况，注意加强支护，以免丰水季节围岩抗剪强度降低，水压增大，导致隧道涌突水。

2)通常采用年降雨量或者月降雨量计算隧道地下水水量，不考虑地表是否有集水、积水地貌，这对于整个隧道日常涌水量计算也许合适，但是对于推测是否发生涌水或者突水事故，通常是不合适的。假设某隧道处于地下水垂直循环带灰岩段，竖向溶洞、溶槽发育，对应隧道段附近地表为一浅沟，汇水面积大，沟内某处发育有一落水洞，隧道通过这些岩溶空隙与地表联通，大气降水在数小时甚至几十min内，就汇集到落水洞进入隧道内。因此，对大气降水补给能力强的地段，应根据地表集水能力、降水入渗能力和降水汇集速度等存在较大差异的进行分段研究，具体情况具体分析。

1.1.2 地表水补给

地表水补给与地表水系的分布形态、规模及流动途径有关。

通常根据调查段内下降泉流量及地下水对河流的补给来计算地下水补给量，但实际上隧道处于地表径流以下，即使这种相互补给是零，当隧道开挖后地表水都会进入隧道内。另外，采用渗透系数进行分析，这种随机试验取得的数据，未必能代表个别的导水能力强的管道，这种情况还需要注意的是，地表水体底部的裂隙往往为泥土填充，导水能力差，但是雨水季节，水量上涨，地表水体通过中部及上部对地下水进行数倍甚至数十倍的补充，那么更长的，尤其是数十年或者百年一遇的洪水季节的观察才具有说服力。

此外，由于大雨冲刷、地表崩塌、地下通道坍塌或淤积堵塞等，可能改变地表降水的汇集地点和流动途径，预报时应注意保持定期不定期地进行地表调查和水文观测。

1.1.3 含水层之间的补给

处于隧道以上的含水体都可能对隧道进行地下水补给。需要注意的是补给源不是一成不变的，隧道开挖后，水势水位的变化会让原来的排泄区成为补给源地。地下水途径可能因为局部堵塞而发生。

1.2 含水构造

通常含水构造指岩体空隙中含水。只有水量到达一定的程度之后才可能发生涌突水，对隧道造成危害，而含水时间是否长久与地下水补充速度和流失速度有关。因此定义含水构造为:某部分岩土中的空隙，某段时间内，地下水的补充比地下水的流失速度快，导致地下水在这部分空隙中储存起来;或者某段时间内，虽然地下水的补充比地下水的流失速度慢，导致这部分空隙中含水量降低，但这种变化速度缓慢，地下水在这部分空隙中能保持一定长的时间。图1(b)是一个向形构造，且上部为透水层，下部为相对隔水层，通常认为这是个含水构造，实际上这种分析还远远不够，这个向形构造是否能成为含水构造，还应该从地下水补充、流通、储存等几个方面分析。比如说储存能力就需要调查上部透水层的孔隙率，而是否能储存水还应该看它轴线坡面图的形状。若如图1(b)状则储存能力强，若是水平状则保持水能力减弱，若如图1(a)状则保持水能力更为减弱。可以从区域上研究分析段内含水构造的规模，结合地表物探手段，来判断涌突水的可能性。

1.3 地下水流动途径

地下水流动途径指岩土中的空隙。岩土中的空隙包括土中的孔隙、岩石中的裂隙和可溶岩中的溶隙。岩土因空隙的大小及数量不同导水能力相差甚远，需要提醒的是，受孔壁摩擦的影响，空隙增大1倍，导水能力增加远不止1倍。

其中能很快地汇聚地下水的流动途径有:孔隙发育的碎石土、节理密集带的裂隙带、断层破碎带、溶洞和岩溶管道等构造。

1)碎石土。通常埋深较浅，孔隙分布较均匀，通过物探查询含水层分布情况，并通过钻孔验证，试验提取数据，水量计算往往比较准确。需要提醒的是，补给源区水量突然增大。比如，通过承压水层以泉水方式补充，承压水头突然增高，那么补给水流速流量都可能增加;通过大气降水补给，突降大雨;通过地表水补给的，干瘦的河道上游发生大水。

2)节理密集带。空隙大小及数量有限，通常发生涌水的水量比较小，需要注意的是，如果隧道反坡开挖，数十m3/h的水量也可能淹井。是否有这种可能应根据区域经验，结合补给源的情况进行分析确定，提前做好准备工作。

3)断层破碎带、溶洞和岩溶管道。通常这些构造的导水能力强，发生涌突水的可能性比较大。分析是否有丰富的水源补给，查明断层破碎带的导水阻水性质，岩溶发育规律，推断是否存在涌突水的可能及其规模。

需要注意的是，通常节理密集带、断层以及岩溶管道的涌水量，在勘察报告中往往没有单独给出，而这些构造带中的空隙比较大，一般采用达西定律，或者采用渗透系数的计算方法，进行这些构造段的涌水量计算是不合适的;在水量的计算时，把这些比较大的空隙看成类似隧道的导水通道，它的补水通道是一些比较小的裂隙，那么它的汇水能力可以通过达西定律进行计算［7］，而它的导水能力可以参考各种排水规范计算。

垂直钻探或者水平钻探时，可能没有钻到溶洞，且孔内地下水不发育，但实际上，溶洞发育不均匀，大多裂隙被泥、黏土填充，导水能力差，导致钻孔结论不能代表实际情况;钻到了断层，但处于断层泥含量比较多的一段，阻隔了地下水，也不能真实反映断层内地下水发育情况。因此，宜增加钻孔。

图2和图3分别为正断层和逆断层示意图。

如某隧道从a开挖到b，先遇到页岩，页岩遇水软化使裂隙密闭，导水能力差，为隔水层，从a到断层间岩层明显变得破碎、风化程度增加、岩层产状变陡、湿化、软化。再遇正断层，通常正断层裂隙发育多宽张，导水能力强，发生涌突水的可能就很大，且突涌水的危险是潜在的，需更大范围的超前探测，探明情况。

如隧道从b开挖到a，采用常规地质预报，溶隙裂隙逐渐增加，多夹泥黏土，普遍湿润。当裂隙为泥黏土完全填充时，地下水被较好地封堵在导水断层和岩溶管道内，突涌水的危险是潜在的，发生时可能造成更大的危害，需更大范围的超前探测，探明情况;当裂隙为泥黏土不完全时，局部出水浑浊，泥沙含量高，且水量水压都会不断增加，这时突涌水的危险提前暴露，可针对性地做进一步的超前探测工作。

bc段，依次穿过隔水层页岩、透水层砂岩、阻水逆断层和透水层砂岩。前一段砂岩若为含水层，其裂隙发育，两侧隔水性能好，无论隧道从b开挖到c，或者从c开挖到b，发生涌突水的可能极大;而后一段砂岩若为含水层，一侧隔水性能好，隧道从c开挖到b，地下水从裂隙中逐渐涌出，发生涌突水的可能较小，隧道从b开挖到c，地下水与隧道间有隔水层阻碍，地下水得不到排泄，聚集在隔水层发生涌突水的可能较大。

短时间一次性涌突水发生的条件通常有2种可能:1)采空区内的地下水，且采空区处于潜水水位以下，或下伏隔水岩土层;2)含有一定黏土量的含水岩土层，这种岩土层包括第四系土层、断层破碎带、填充型溶洞，且含水体周围裂隙大多为黏土填充，排水能力差。

长时间持续涌突水的发生条件是隧道通常处于潜水或承压水水体以下，且发育断层或者岩溶管道。断层为正断层，处于水平循环带以下。岩溶管道通常为长时间的一定流量的导水通道，通道内某些水平段或者被堵塞而改道的地方往往被砂土填充，也可能是垂直循环带发育的溶洞，因地壳下沉处于水平循环带以下。

1.4 水压超过开挖面岩体的抵抗能力

1)某开挖面抵抗能力刚好略大于背后的水压，开挖后随着时间的推移，围岩应力重分布、不断松动，开挖面抵抗能力不断降低，直到发生突水涌泥。当然这种情况比较少，通常这种事情的发生具有以下前兆:开挖面附近地下水不是很发育，即裂隙不发育或者裂隙为黏土充填，裂隙中黏土逐渐挤出;干燥围岩突然出水，水量不断增大，水从流出到喷出，水中往往带有泥沙、黏土，围岩掉块;围岩掉块或裂缝逐渐扩大;岩石发生异常声响;初期支护开裂掉块、支撑拱架变形或者发生声响［7］。

2)掌子面爆破时，迅速减弱了岩体的抵抗能力，打破原有的平衡，即发生突水涌泥。相对前者，这种可能性比较大。不过通常为了躲炮，人员远离，造成人员伤害的可能性比较小。

2 预测案例

2.1 案例1

某铁路隧道洞口土质段，为第四系坡积碎石土层，稍密，洞上方地表坡面圆顺，两侧有流水沟，超前探测采用物探，长距离80 m，短距离30 m，均表明地下水不发育。完成超前预报工作一段时间之后，天降大雨，发生掌子面涌出、塌方冒顶。

1)原因分析。预报后，降雨导致地表冲积形成临时积水坑，积水入渗，地下水变化，局部土体饱和，降低了土体稳定性。

2)建议。这里地下水补给主要是大气降水，预报工作完成后，需要关注大气降水等可能引发的地下水变化。

3)引申。土质隧道通常被认为地质简单，而且通常都是Ⅴ级围岩，安全系数较大，预报工作往往容易被人忽视，有些做了预报，也不会去长期关注。预报工作应该贯穿整个隧道施工。

2.2 案例2

某铁路隧道土质段开挖完成初期支护数小时后，在初期支护和掌子面接触地段发生泥石流状塌方。掌子面附近地质情况如图4所示，掌子面上部为块石土，下部为黏土，层状分布，倾向后方。初期支护后，从掌子面与初期支护交接处B点，发生塌方。

1)原因分析。前方隔水层和初期支护形成汇水面，地下水在初期支护背后聚集，压力增大，到一定程度，从薄弱处涌出。

2)建议。这里地下水补给是潜水层内部流通，需注意地下水流通途径的变化。自掌子面发现下部有相对隔水层开始，在AB段布置一些排水管，防止水量聚集。

3)引申。洞内水处理时，应结合实际情况，确定排水堵水位置和时间。

2.3 案例3

某隧道一可溶岩段，隧道一侧有地表河流，隧道高程处于河流季节变动带内，施工前超前预报显示该段地下水不发育，开挖证明地下水不发育，但有少量溶孔、溶隙。一段时间后，在施工二次衬砌前，天降大雨，河流水位暴涨，干涸的溶隙出水如注，导致隧道内涨水，影响施工。

1)原因分析。河水上涨，从原来干涸的溶隙进入隧道。

2)建议。这里地下水补给是地表水系，与地表水相聚较近，溶隙、裂隙发育的，需加强调查，研究空隙与地表水体间的连通性;裂隙处于高水位与低水位之间且连通性强的，需要观察水位变化情况，枯水季节开挖后，宜做好堵水措施。

3)引申。地下水是动态变化的，干涸的透水层可能很快成为地下水丰富的含水层;从地下水的补充、流通、排泄等着手研究，找出其发展变化规律才能作出相应合理的措施。

3 结论与讨论

隧道涌突水是常见的施工灾害之一，造成涌突水的原因很多。为准确地找出某隧道涌突水的可能原因，应对涌突水条件进行充分的掌握和全面分析，这样才能更好地运用各种隧道涌水的计算方法并选用合适的预报方法，制定合适的预报方案，避免勘察、预报时出现漏洞。超前地质预报不仅仅是对掌子面前方地质情况进行预报，也应该对已经开挖段、可能存在的危害进行预测预报。因埋深浅、宽张裂隙或岩溶管道发育等原因，隧道与地表联系密切的，应考虑水文与气候的变化;地下水发育是季节性变化的，预报手段在不同季节也应有所差别，水量计算也应在不同季节做调整;不同性质的断层，相同隧道段不同的开挖方向遇到的情况可能会有变化，预报方法也应有所不同等。

由于目前的认知能力有限，勘察和地质预报的结论与实际情况常有一定的误差，尤其是对地下水水量及涌水形式判断不准会造成比较严重的危害。勘察工作中应增加对地下水调查的投入，勘察报告中应对涌水构造做专门的涌突水分析报告，包括含水量、水压等定量指标;对应的施工超前地质预报方案建议，应该建立在具体物性指标的基础上;应进一步研究钻探技术，选用新型钻探设备，广泛使用孔内成像技术，提高物探方法定量判断的能力，建立物探指标与空隙率和含水率等地质参数之间的关系;成立区域地质资料库，不断丰富汇集区域工程地质资料，为工程类比提供依据。

［1］ 铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册［K］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］ 张炜，李治国，王全胜.岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨［J］.隧道建设，2008，28(3):257 －260.(ZHANG Wei，LI Zhiguo，WANG Quansheng.Cause analysis and countermeasures for water gushing of karst tunnels［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):257 － 260.(in Chinese))

［3］ 方俊波.圆梁山隧道向斜段地表及地下连通性分析［J］.隧道建设，2004，24(5):16 －20.

［4］ 利奕年，王国斌.TRT隧道地质超前预报系统的改进与优化［C］//自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集.重庆:中国科学技术协会，2009.

［5］ 范占锋，李天斌，孟陆波.探地雷达在公路隧道超前地质预报中的应用［J］.物探与化探，2010，34(1):119－122.(FAN Zhanfeng，LI Tianbin，MENG Lubo.Advanced geological forecast of application of GPR in road tunnel［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2010，34(1):119 －122.(in Chinese))

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［7］ 铁建设［2008］105号 铁路隧道超前地质预报技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.