湖北某隧道突涌水灾害防治研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

突涌水是泛指隧道及地下工程所处地层原先的平衡状态因工程因素或气候因素被破坏[1-2]。隔水结构不断被侵蚀、劈裂破坏，最终突水通道形成，所处地层原先的平衡状态被打破，是包含有水动力学、断裂与损伤力学以及流体力学的动力灾变的复杂演化过程。隧道突涌水灾害的组成部分包括灾害源、突水通道与隔水阻泥结构。

国内外许多学者从不同角度对突涌水类型进行了划分，以下为几个典型的划分：袁永才根据不同隔水阻泥结构的性质将突涌水灾害归纳为隔水岩体破坏和充填介质失稳两类；李术才和王康等[3]依据不良地质体的类型特点，将不良地质体分为裂隙、断层、地下河及管道、膏溶角砾岩等，结合隧址区工程地质特点划分为五种致灾模式；罗雄文[4]等通过分析国内外隧道突涌水灾害产生原因，提出了五种突涌水致灾构造及其致灾模式；王国斌[5]根据隧道水文地质特征分为岩溶管道充填物渗透失稳模型、断层及其充填体失稳模型及复合式突涌水模型等等。

二、演化机理

以单位水体在空间中位置的变化来看，水体形成突涌水过程大致为：大气降雨和地表径流(水源)、地形地貌汇水、地质构造储水、地层岩性加大水体储量、施工或降雨扰动围岩，最终形成突涌水。

由于不同隧道围岩体的地质条件不同，因此各突涌水灾害的形成过程及涌水机理不尽相同，但都属平衡状态的破坏，破坏必须满足三个方面的条件：

1.储水条件→灾害源，这是灾害源的初发之地，褶皱、向斜、岩溶溶腔、断层破碎带等地质构造是良好的储水体。

从突涌水灾害源形成到释放过程中，灾害源的形式、扰动形式、隔水结构破坏及突水通道形成有多种情况，主要有：

①断层破碎带储水，工程施工削弱隔水结构，在水压作用下，隔水结构破坏并且突水通道形成，水体涌入隧道。

②岩溶储水，不断溶蚀隔水结构，工程施工削弱隔水结构，在水压作用下，隔水结构破坏并且突水通道形成，水体涌入隧道。

③其他含水构造，工程施工削弱隔水结构最终突水通道形成，在水压作用下，水体涌入隧道。

2.释放条件→隔水结构破坏及突水通道形成，突水通道形成后，使得水源夹带岩土颗粒形成灾害源有了释放的通道和方向。

3.诱发条件→扰动，工程施工和降雨对地层稳定性产生，扰动诱发隔水结构破坏及突水通道形成，尤其是工程施工中的爆破振动，影响较远(1-3m左右)。

三、工程概况

(一)工程简介

湖北某隧道在DK365+010～DK365+263段穿越断层，此断层横向长达45km.纵向宽253m，近乎于垂直将齐岳山山脉切断，一经扰动，非常容易发生突涌水，并且水压很高，工程实际测试达2.6-3.6MPa，相当于260-360m的水头。

(二)涌水过程机理分析

以此断层突涌水的过程为例：

1.掌子面出现钻孔出现线状裂缝涌水→突水通道首次形成，灾害源水体与隧道联通；

2.12h后，涌水成间隙性喷射，浑黄泥水→破碎带岩石被涌水运移，增大突水通道；

3.12h30min，出现0.6m2豁口，伴有喷砂，突水1000m3/h→出水点冲溃，形成更大突水通道；

4.13h30min，650m3/h；

5.14h30min，出现新裂缝，突水1000m3/h→水力劈裂持续作用；

6.15h30min，465m3/h；

7.15h50min，浑浊、伴有泥沙→水体继续冲刷突水通道，增大突水通道；

8.22h30min，出现0.5m2冲洞，突水陡增，10000m3/h，携带泥渣→形成重大突涌水。

此断层最典型的突涌水过程及形式大致如上述，属断层破碎带储水，工程施工削弱隔水结构，在水压作用下，水体不断侵蚀隔水结构直至突水通道形成，水体涌入隧道，水体变为流动状态，侵蚀作用加大，不断冲刷突水通道，逐渐形成重大突涌水[6]。

(三)数值模拟

1.计算模型及力学参数

本文采用FLAC2D对此大断层突涌水过程进行数值模拟。岩土体材料破坏选用Mohr-Coloumb破坏准则。

计算模型范围选择：宽×高=40m×40m，划分成1600个单元。溶管直径取9m，开挖隧道的直径为8m。隧道围岩水平应力为18MPa，模型上边界模拟埋深600m时的自重应力为15MPa。模型下部固定，左右边界限制水平移动。材料破坏选用Mohr-Coloumn破坏准则。

从此大断层突涌水过程的模拟结果可知，隔水结构厚度越小，其侵蚀冲刷的破坏速率越快。说明了隧道突水是受水压、岩溶充填物与隧道围岩塑性区范围等多因素影响的渐进破坏过程。

(四)处治措施

结合此隧道工程地质情况(采用地质与物理探查技术结合，探明突涌水处后方地层情况为断层破碎储水)，综合考虑制定出反坡排水为主与帷幕注浆加固堵水为辅的方案。

反坡排水：设置泵站机械方式将突涌水排出洞外；监测涌水速度等参数以预计涌水量大小，设置临时泵站水仓、临时集水坑并及时更改排水设备参数，确保排水畅通和洞内不积水。

帷幕注浆加固堵水：综合已有灾害相关参数确定注浆相关参数，采用分段式前进注浆，材料选用水泥浆加控制浆液，由浅入深，分级分序，同孔分步注浆堵水。

四、结语

①以地下水单位水体在空间中位置的变化，描述突涌水灾害的形成过程，体现了形成过程多样性，但都满足储水、释放、诱发三个条件。

②以湖北某隧道为例，着重分析断层破碎带突涌水演化工程及机理和防治措施。

③通过FLAC2D对断层突涌水做了简单数值模拟，分析其破坏场、位移场、渗流场变化规律，分析其灾害形成过程。