隧道突水突泥灾害控制技术研究现状分析

2021-01-26韦锋

四川水泥 2021年11期

关键词：动水突水富水

韦锋

（榆林学院建筑工程学院，陕西榆林 719000)

0 引言

突水突泥是制约隧道建设的严重地质灾害，开展富水全强风化花岗岩地层隧道突水突泥控制技术研究至关重要。在隧道突水突泥灾害防控理论方面，最常用的手段是水源探测、疏水降压和堵水加固。其中水源探测是决策依据，疏水降压和堵水加固是控制方法。

1 水源探测

准确确定突水突泥灾害水源位置及大小，是灾害预测及防治的关键，目前常用的突水水源判别及探测方法是水化学方法及地球物理探测方法。水化学方法是通过分析水化学数据特征（包括离子含量、矿化度、硬度、碱度、PH 值等）来判断突水水源，具有快速、准确、经济的特点。国内学者在应用水化学特征方面已做了大量研究，并从以往简易的水化学分析方法，逐渐发展到今天的多元统计学方法、非线性分析方法等。地球物理探测方法是基于水与地层岩性间的磁性、电性等物理性质的差异，推测含水构造的空间赋存位置，主要有电法勘探、磁场勘探等。

简单的水化学方法包括对水源的特征分析、同位素分析、水质类型对比分析。通过对突水水样指标（包括物理化学指标）进行分析，结合地层地质条件判断突水水源。此外，很多学者将数学方法应用至突水水源判别中，形成了多元统计学方法和模糊数学、灰色系统、人工神经网络等众多非线性分析方法。此外，多云混合模型、可拓识别法、SVM 支持向量机、投影寻踪法等非线性分析方法均成功应用至水源探测中。

近几十年来，地球物理探测方法得到快速发展。为水源探测提供更直接有效的无损探测，王书刚等引进红外线探测技术对隧道突水突泥灾害水源进行探测，并在龙潭特此隧道进行实践验证，韩德平等采用电法探测技术对采煤工作面顶板水源进行有效探测，林君等采用地下磁共振探测方法（UMRS）至地下工程地下水超前探测，实现隧道工程及煤矿开采等狭小空间探测要求，武军杰、张春光、张平松介绍了瞬变电磁技术在隧道地层含水体探测中的应用，可实现对水源快速准确地识别。

2 疏水降压

在富水高压地层，需要采取合理的防治水措施来控制突水灾害发生，疏水降压作为最为常用有效的防治水方法，已被广泛应用至煤层开采、隧道等工程突水灾害防治中。张文泉等[1]针对煤层底板突水灾害防治指出：在浅部水头压力较低时，可采用疏水降压技术，降低压力水头至开采水平以下，进而消除突水灾害动力来源。杨善安指出可从矿井水文地质方法和特殊开采的采煤方法两方面采取防治水措施，来防治煤层底板断层的突水，矿井水文地质方法是指疏水降压、薄弱带加固、预留防水煤柱等方法，而特殊开采的采煤方法中最常用、最有效的方法是通过缩短工作面尺寸的短壁采煤法。吕保民将矿井突水通道分成岩溶陷落柱、断裂带、裂隙等天然导水通道，及采煤形成的冒落带、导水裂隙带等人为导水通道，并总结导水通道突水的防治，需要采取物探、钻探、留设煤柱、疏水及注浆等综合措施。徐瑞英系统介绍矿井疏水降压防治技术的适用条件及分类，指出疏水降压防治技术主要适用含水层，属于自身充水含水层、直接充水含水层、充水含水层以静储水为主、煤层底板存在高压含水层且隔水层厚度较薄情形下，通过疏水降压可降低含水层的压力水头、消减峰值水量。

吴锐等针对隧道断层带高压富水特性，提出疏水降压方法进行治理，并对比井点降水和两侧排水洞降水两种方案效果，指出采用两侧设置排水洞降水方案能够有效降低水位，较井点降水效果要好，但排水洞降水方案受降雨渗入影响，实际实施过程中还需考虑降雨的影响。王心义等针对平煤股份八矿煤底板寒武灰岩水压高、水温高及富水性不均匀的特点，依据地质构造、隔水层、含水层、物探等综合勘探信息，分析了含水层赋存规律，并通过布置7 个排水孔将含水层水位降低了17m 以上。杨兵等分析宜万铁路马鹿箐隧道历次突水特征，介绍了“泄水释能工法”在岩溶水处治中的应用，并指出该工法具有一定的适用条件：在特大体量富水溶腔采用该工法能取得较好效果，而在高压管道流、裂隙带、破碎带，则宜采用“以堵为主、限量排放”的治理方法。

3 注浆堵水加固

注浆作为隧道突水突泥灾害防治的关键堵水加固技术手段，其理论现状及其工程应用效果是注浆设计、实施及效果评估的基础。在理论上，注浆研究重点是浆液的扩散及加固规律，并建立浆液扩散半径、注浆压力、注浆流量、注浆时间等各因素间的关系，由于地层介质、注浆材料及注浆压力等参数的不同，浆液在地层的扩散具有渗透、挤密、充填及劈裂等不同形式，并由此逐渐形成相应渗透注浆理论、压密注浆理论、劈裂注浆理论等。

渗透注浆是在不破坏地层结构构造的压力下，将低粘度浆液注入岩土体介质孔隙或裂隙中。渗透注浆理论最先出现在多孔介质渗透注浆中，将浆液作为牛顿流体，Maag 基于Darcy 定律建立砂土中的球形扩散公式，Karol、Raffle 等导出球形扩散半径、浆液流量及压力间的关系，形成了相应的球形扩散理论及柱形扩散理论。此后，考虑浆液的非牛顿特性，不少学者将浆液看作为宾汉姆流体、幂律流体，并考虑浆液的粘度时变特性，建立非牛顿特性下的渗透注浆理论，推动了渗透注浆理论的发展。

压密注浆是将浓稠的浆液注入土体，通过注浆孔向土体挤压，在土体形成球状或柱状的浆泡，并随着浆液的持续进行而形成圆柱状浆液结石体，从而挤压周围土体而提高强度，达到加固效果。Graf 最早介绍压密注浆的基本理论及其施工流程，并结合实际工程介绍其实施效果。Brown 等研究了压密注浆的试验过程及实际应用情况。Wang 等研制了土体压密注浆试验仪器，对全风化花岗岩开展不同围压的压密注浆试验。压密注浆的理论是圆孔扩张理论，目前关于圆孔扩展理论已有不少成果，EI-Kelesh 等基于扩孔理论及土体锥形剪切破坏建立了压密注浆理论模型，并提出压密注浆设计方法。

在致密的土体中注浆，如全强风化花岗岩，经常出现另一种浆液扩散模式，即劈裂注浆，劈裂注浆是通过施加较大的注浆压力，使土体产生劈裂，浆液进入劈裂缝内，以浆脉形式扩散，浆脉挤压土体及形成骨架进而对地层进行加固。土体的启裂压力是土体发生劈裂破坏的临界条件，Wong 等在分析岩土体劈裂注浆过程的基础上，认为劈裂缝是注浆压力引起的拉应力超过岩土体抗拉强度后产生的，指出土体启裂压力与所受到的地应力相当，而岩体启裂压力则相当于地应力水平与抗拉强度之和。Jaworski 等通过水压致裂试验指出启裂压力与土体密度、地应力状态、含水量等因素有关。Mori 和Tamura 通过对不同粘性土进行水力劈裂试验，将劈裂破坏模式分成张拉劈裂、剪切劈裂及其它破坏准则，并认为黏性土中的劈裂主要是剪切破坏模式。结合试验结果，白云和侯学渊[2]、陈愈炯及谭毓浚等学者指出劈裂注浆是一个先压密后劈裂的过程，并将浆液在土体中流动分成鼓泡挤密、劈裂流动及被动土压力三阶段。张忠苗和邹健通过理论分析，导出劈裂注浆时浆液流量、压力及最大扩散半径的计算公式。邹金峰等根据塑性力学和大变形理论，分析土体劈裂力学机理，导出劈裂注浆初始阶段的最终注浆压力。

总体上，关于注浆机理及注浆理论，特别在渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆等注浆理论研究方面已取得了较大进展，许多学者已经开展了一系列的注浆仿真试验，初步建立了简化的注浆扩散理论模型。但以上研究均针对静水条件下的超前预注浆和岩体、土体的防水及加固，并未考虑突水灾害过程的复杂动水环境，为此，动水注浆理论成为近些年隧道注浆理论的新方向。在动水注浆方面，任克昌基于流场叠加原理研究了动水条件下浆液扩散形态，并获得了动水条件下浆液扩散图像方程。湛铠瑜等采用自制的注浆试验设备开展动水条件下浆液的扩散规律研究。张霄设计了准三维裂隙动水注浆试验平台，提出动水条件下浆液U 型扩散规律。刘人太基于单一平板裂隙注浆扩散理论模型，建立了浆液动水扩散方程。但以上研究均未涉及三维条件下的动水环境和其他含导水构造。动水注浆理论总体发展不成熟，还无法对动水条件下的浆液扩散、运移及封堵过程进行合理分析，尚未建立灾变演化阶段的注浆封堵、加固与效果评价模型。目前在针对突水突泥灾变演化过程的注浆控制理论研究方面，国内外研究仍然很少。

在工程实践上，吴治生和付伯森介绍衡广复线南岭隧道岩溶治理情况，指出该隧道突出的问题是突水涌泥灾害，隧道在施工期间先后发生六次大规模突水涌泥灾害。针对突水涌泥灾害治理，隧道最终采用洞内注浆、地表注浆、地表与洞内相结合的注浆方式等大规模复合注浆方案，工程实践表明高压注浆在南岭隧道中是较为可行的施工方法。张顶立等、刘招伟等在深入了解圆梁山隧道高风险区域的岩溶水类型及其特征，结合大瑶山隧道、南岭隧道的建设经验，在考虑高水压及环境保护的要求下，按照“以堵为主，限量排放”的原则，对隧道的注浆加固范围、注浆流量、注浆压力等注浆参数的确定进行了研究。刘钦等从地质学角度分析了沪蓉西高速龙潭隧道断层突水突泥发生机理，认为快速补给的地下水、岩溶洞穴堆积物为突水突泥灾害创造了必要条件，开挖扰动是诱发灾害的关键因素，并基于灾变机理分析提出超前小导管注浆、前进式分段高压注浆等治理措施。

宜万铁路是目前国内外工程中岩溶及岩溶水最为发育、最为复杂的工程，穿越的白云山隧道、齐岳山隧道、野三关隧道、马鹿箐隧道多次面临或发生大型突水突泥灾害，在经过大量地质勘察、物探等先期工作基础上，提出并采用超前地质预报、排水减压、特殊结构设计、防灾报警系统设计及帷幕注浆等复合复杂治理技术。

然而，在富水全强风化花岗岩中，浆液扩散通道因动水冲刷作用，其扩径效应显著，在此类地层的注浆过程与裂隙岩体动水注浆存在显著不同，特别是浆液扩散机理与扩散形式、注浆体强度变形参数与渗透系数变化规律更为复杂。受限于此，注浆技术设计所需的关键指标如注浆量、帷幕注浆圈厚度、浆液扩散半径等也异常复杂，以及注浆后隧道开挖所需的最小防突厚度取值，尚难以从理论层面对富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾害的防治进行有效指导，没有形成完整的防控理论，注浆堵水加固技术多依赖经验，存在很大的盲目性，不仅不能有效保障隧道安全施工，还有可能造成巨大的资源浪费。