狮子山隧洞突涌介质特性与致灾模式

李 勇，郝俊锁，刘俊峰，赵明蕃

(1.中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润 064000；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

1 研究背景

随着“西部大开发”“一带一路”等一系列国家决策的实施，水利和交通基础设施不断向自然环境较为复杂的西部地区延伸。该地区修建深长隧洞不可避免地遇到高地应力、高外水压、富水断层等各种不良地质体，其中突水突泥是地下及隧道工程施工过程遇到的最严重地质灾害之一。

在施工过程中为避免人员伤亡和经济损失，从突泥突水致灾机理等方面开展深入研究，其目的是揭示灾害发生的本质，为突泥突水灾害预测预警与工程治理提供理论技术支撑。学者与地下工程建设者针对突水突泥致灾机理、致灾构造及识别方法进行了大量研究总结。研究主要偏向不良地质体和地下水赋存方面，对致灾介质特性在灾害形成过程中起到的作用研究较少，但也引起了学者的重视。例如，杨志刚等[1]通过建立充填介质滑移失稳力学模型并利用有限差分模拟软件模拟岩溶管道在不同水压力影响下隧道发生突水突泥的可能性，研究了复杂地质条件下隧道突水突泥的致灾机理；项琴等[2]将隧道突泥涌水情景要素归类为孕灾环境、致灾因子、驱动要素和承灾体，研究各要素的属性参数；Wang等[3]研究突水突泥过程中充填介质的水力特性,如被冲刷颗粒的总质量、涌水量、孔隙率和渗透率,在自行设计的试验系统中进行了一系列不同水压、黏土含量和充填介质干密度的试验；仇文革等[4]基于能量原理对某地铁隧道突水突泥灾变机理进行了分析；刘新有等[5]为分析了白云岩砂化特征，剖析白云岩砂化隧洞突泥涌水形成机理。隧洞施工是动态过程，致灾介质体因开挖卸荷、爆破震动、应力变化、地下水作用下等其物理力学性能、赋存状态和条件发生改变，“介质体活化”是难以预测预判的技术难题。

本文以滇中引水工程狮子山隧洞穿越P2β3地层向斜构造突水突泥灾害为例，通过对突水突泥灾害演化-处治-穿越揭露情况总结分析，深入研究了突涌介质的物质组成、物源特点及运动特征、能量来源等基本特征，揭示了该地层突泥突水致灾根源是赋存高能量的“水-致灾介质”所致。致灾介质(物源)、赋存空间、致灾动力(能量源)、突涌通道等是致灾控制关键要素，通过超前预处理措施改变致灾介质性能，消除其致灾能量，可避免和预防突水突泥灾害发生，为类似不良地质工程防突提供理论支持和技术借鉴。

2 突水突泥演化与致灾地质构造

2.1 工程概况

滇中引水工程狮子山隧洞[6]位于云南省大理市，全长29.420 km。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越乌龙坝向斜核部，埋深约533 m。该段地层以P2β3致密状玄武岩夹凝灰岩为主。设计为马蹄形洞型，断面尺寸9.2 m×9.2 m；Ⅴ类开挖采用两台阶法；拱部90°范围设置Ф42 mm小导管，间距0.3 m，长度4.5 m，搭接1.5 m；初期支护采用I18钢支撑，间距0.8 m，喷射C20混凝土，厚20 cm；0.5 m厚C35钢筋混凝土衬砌。

2.2 综合地质分析

2.2.1 开挖揭示地质情况

2.2.1.1 工程地质

突泥突水段采取帷幕注浆+注浆大管棚处治后，开挖揭示DLII30+745—695段突涌段位于乌龙坝向斜构造核部转折部，穿越地层为致密P2β3杏仁状玄武岩(Rb=80～100 MPa)、凝灰质玄武岩(Rb=25～30 MPa)夹凝灰岩条带(Rb=3～7 MPa)为主。其中，DLII30+732—720段12 m为凝灰岩，如图1所示。围岩倾角约为66°，与隧洞轴线夹角约为16°；凝灰岩条带以灰白色蚀变凝灰岩为主；潮湿，机械开挖，具有一定的稳定性，手掰易碎，呈砂质夹2～4 cm岩屑、玻屑等，颗粒棱角完好。下盘DLII30+745—732段围岩为致密状玄武岩，受构造挤压影响岩体中发育节理裂隙呈网纹状分布，部分钙化填充，致密状玄武岩构造压碎作用突出，岩块间为软弱夹层或陡倾平直光滑剪切面嵌合。上盘DLII30+720—695段围岩为致密状玄武岩，受乌龙坝向斜构造挤影响发育成具有一定宽度的节理裂隙密集带，岩体破碎。

图1 DLII30+745—695段揭示地质纵断面Fig.1 Longitudinal geological section revealed by DLII30+745—695

2.2.1.2 地下水

地下水位线与隧洞中心线之间的高差约420 m。开挖揭露：凝灰岩条带为隔水层；上盘节理裂隙密集带富水为储水构造。突水突泥段帷幕注浆后，在DLII30+755处远距离引排注浆加固圈外地下水。开挖过程对出水点采取钻孔集中引排；隧洞初期支护完成后，施作径向泄水孔，孔深3.0～4.0 m，按间距3.0 m布置，渗水点增设径向泄水孔，施作深度不超过注浆帷幕厚度。布孔及涌水量情况详见图2和表1。

表1 DLII30+738处突水突泥段涌水量统计Table 1 Statistics of water inrush at DLII30+738

图2 DLII30+738处突水突泥段排泄水孔布置示意图Fig.2 Layout of drainage holes at DLII30+738 water and mud inrush segment

2.2.2 物探成果

2.2.2.1 物探方法简述

针对隧洞DLII30+735处突水突泥，在综合地质分析的基础上，选用 TRT7000 地震波法进行远距离探测并通过多方位钻孔探测验证，查明灾害源赋存特征。TRT(True Reflection Tomography)7000型采用隧道地震波反射体三维成像技术[7]。使用锤击作为震源，超前预报系统采用隧道反射扫描成像技术生成隧道前方地层结构的全息三维图，代表国际上隧道超前预报领域最领先的水平。

2.2.2.2 物探成果解释

DLII30+745.8—645段物探成果如图3所示，分段解释如下:

图3 DLII30+745.8—DLII30+645段TRT7000成像结果立体图Fig.3 TRT7000 image of DLII30+745.8— DLII30+645

(1)DLII 30+784—748段地震反射强度总体较弱，隧洞顶部局部分布散片状、散点状强反射，正-负相组合成层状，反射层面以中倾角倾向隧洞上游右侧，与隧洞在桩号DLII 30+754附近相交。推测解释该段岩性为致密状玄武岩，围压较完整夹完整性差。

(2)DLII30+748—735段地震反射为负-正相组合呈层状、片状夹散点状反射，左侧地震反射较强，主要为层状反射，向上游方向逐渐由层状变化为片状、散点状，反射面以大倾角倾向上游左侧；隧洞右侧地震反射强度相对较弱，以片状反射为主，反射面以大倾角倾向上游右侧。其中，从隧洞左壁至隧洞轴线右侧25 m范围内反射较弱，仅局部有小片状和散点状反射。推测解释该洞段左侧软弱夹层、剪切挤压破碎带发育，岩体结构松弛，切割块体发育，围岩极不稳定；隧洞左壁至隧洞轴线右侧20 m左右范围内的弱反射区，推测解释为坍塌破坏形成的充填空腔和松散体以中陡倾角倾向隧洞上游，坍塌破坏范围宽度约为5～25 m左右，厚度>10 m。

(3)DLII 30+735—720段隧洞右侧的地震反射为呈两组交错层状组合的片状、散点状反射，反射波极性为正-负相，隧洞左侧地震反射弱，仅零星片状和散点状反射。解译推断该隧洞段右侧为受坍塌破坏影响的节理裂隙剪切破碎带，围岩极不稳定。

(4)DLII 30+720—704段地震反射为正负相组合的层状反射，左右反射强度错开分布。解译推断本段为软弱夹层发育的剪切挤压破碎带，岩性为致密状玄武岩，岩体破碎。

2.3 突水突泥演化-处治过程

隧洞穿越乌龙坝向斜构核部附近发生突水突泥[8]，灾害演化-处治过程详见图4。

图4 狮子山隧洞穿越 P2β3地层向斜构造突水突泥灾害 演化-处治过程Fig.4 Evolution and treatment process of water and mud inrush at P2β3 syncline structure of Shizishan Tunnel

3 致灾介质基本特征与致灾动力

从开挖揭示来看，DLII30+738处突水突泥溃口位于玄武岩与凝灰岩层间接触面。从灾害演化-处治-开挖揭露分析，富水蚀变凝灰岩是致灾介质物质来源，隧洞开挖接近致灾构造围岩被压溃，瞬时发生突水突泥灾害。突水突泥是由隧洞开挖引起的岩土体失稳灾害，研究突水突泥致灾机理与控制要素是为灾害的预防与治理提供理论支撑。致灾介质(物源)、赋存空间、致灾动力(能量源)、突涌通道是突水突泥灾害发生的主控要素，致灾介质性能是影响突泥灾害发生的根本内因[9]。

3.1 致灾介质物源特征

3.1.1 物源及颗粒组成

现场取代表样进行成分组成分析，样品呈灰黑色，有砂质感，不具有可塑性，烘干筛分颗粒组成及级配曲线见图5。其中，细料(直径≤5 mm的颗粒)占55.5%，粗料(直径>5 mm的颗粒)占44.5%。

图5 介质组成颗粒级配曲线Fig.5 Particle gradation curve of medium composition

现场开挖揭示凝灰岩条带风化程度由接触面向内部呈全-强-弱的趋势，其原因是夹层厚度较小，呈现完全蚀变状态。原生抗压抗剪强度由于凝灰岩原岩结构发生破坏，次生状态的胶结抗压抗剪强度由于围压节理裂隙密集发育也极低。在开挖卸荷、爆破震动、应力变化、地下水作用下裂隙扩展，岩体受地下水软化，其物理力学性能、赋存状态和条件发生改变“介质体活化”[10-11]。

通过取样和隧洞开挖揭示分析可知致灾介质包含大量粉质成分及岩石碎屑混合物具有碎石土特征。由此推断致灾介质物源主要为蚀变凝灰岩夹层风化-水解产物。

3.1.2 致灾介质相态

现场踏勘及调查突涌情景，突涌呈压溃支撑体瞬时爆发。工作面约8 m被相对较粗颗粒夹块石封堵；突泥推移范围约125 m，隧洞底板淤积平均厚度约1 m，呈粗细分级沉淀，有垂直交换，石块流速慢于浆体[12]。流体表现特征为紊流状，固、液两相做不等速运动，地下水呈波涌状。

突涌介质具有碎石土特征，查阅资料研究表明[13-14]：土石混合体关键剪切带变形特征影响程度由大到小依次为含石量、上覆压力、块石大小。当含石量达到50%时，试样内已形成骨架结构，变形受块石的影响突显，强度由块石和砂土共同作用。此外，地下及隧道工程施工领域，根据致灾介质组成和地质灾害特征分为突水、突泥和塌方等[15]。不同相态的致灾介质致灾机理不尽相同，在洞内分布以及破坏范围和方式等表现不同。突水以水为主，可能混合少量泥砂或碎石等固体成分；突泥为黏土、砂、砾石、块石及水等形成的可流动浆体；塌方则有黏土、砂、砾石、块石及水等形成的固体混合物，不具备流动性。液限与塑限是界定岩土体状态的重要指标，碎石土含水量不同则其物理力学性能不同，岩土体由稳定状态逐渐过渡到不稳定状态；随含水量增大呈水—碎石土流体状态类似泥石流，由黏性泥石流转变为稀性泥石流状态。通过分析可知，DLII30+738处突水突泥致灾介质类似稀性泥石流。

3.2 致灾介质运动特征

隧洞突水突泥致灾介质是由水与碎石土等形成可流动浆体，与泥石流灾害的物质组成类似，但在致灾工程地质条件存在很大的区别。Iversonl将泥石流定义为：地表物理力学性能较差的沉积物被水浸润饱和，在重力作用下沿斜坡的向下运动。而隧道突水突泥无论式直接揭露、渐进破坏、渗透失稳或间歇破坏[16]，均为具有高能量的致灾介质体转化为动能、热能、声光能量等，长距离裹挟、搬运物质，随着能量消耗固液分离分级沉淀，流速降低，冲击力破坏力减弱。针对此类突水突泥地质灾害，避免能量释放才是有效的防治措施，而对其基本特征及成因的认识则是进行防治的前提。DLII30+738处发生突水突泥灾害，是由于赋存高能量的“水-致灾介质”所致，孕灾环境、致灾因子、驱动要素和承灾体等致灾关键要素，研究各要素的属性参数，是为更准确地回答突水突泥灾害为什么发生、如何发生的根本问题。通过对致灾介质的重度、流速、突涌量等运动特征分析，进一步探讨突泥突水灾害起动过程和致灾模式。

3.2.1 致灾介质的重度

突涌瞬时参与的致灾介质体数量与携带的能量是致灾的“关键体”，现场实际估算的突泥突水量要较“关键体”大。特别是在灾害发生后并达到暂时稳定状态，由于远端围岩裂隙贯通地下水渗流补给，涌水量达到一定值并与区域地表水域、河流、降雨等渗流密切相关。假设现场在未发生二次突涌工况下，测定的突泥量Vm为参与致灾的真值；参与致灾的水量VW为突涌最大涌水量qmax与突涌后3～7 d监测稳定状态的涌水量q之间的差值，Δt为突涌爆发时间。VW按式(1)计算

VW=Δt(qmax-q) 。

(1)

现场选取有代表性的堆积物混合搅拌代表突出泥质体，则致灾介质的重度可按式(2)计算。

(2)

式中：γc为致灾介质的重度(10 kN/m3)；Gc为样品的总质量(103kg)；V为样品的总体积(m3)；ρ为水的密度(10 kN/m3)。

3.2.2 突涌量

突涌规模与致灾构造赋存特征，如凝灰岩夹层厚度、倾角以及与隧洞的相互关系有关；也与致灾介质基本特征有关，如物源岩性、富水情况、介质相态。突涌规模较大发生与地下岩溶、暗河以及与地表水系联通性较好的地质构造，而富水中小断层、节理裂隙密集带、层间接触带、背向斜构造带等一次突涌规模有限，一般主要集中在几千至上万方。测量与预测突涌量对灾害后期处理安全评估具有重要意义。实际突涌通道可近似为矩形。宽度为B，即认为坍塌宽度DLII30+738—735段；长度为L为1/2隧洞宽度。假定在隧洞外侧存在泥化液化区，高度为h，则突涌范围隧洞两侧与水-碎石土混合体的抗剪强度参数(c，ψ)相关；高度范围包括泥化区和凝灰岩塌落拱高Δh。按塌落拱原理可推算出失稳体体积，且认为携带能量的失稳体是主要致灾介质体。

3.2.3 突涌速度

根据水痕调查法，采取曼宁公式按式(3)计算瞬间流速v。

(3)

式中:n为曼宁系数，取值0.012；R为水力半径，由过水断面面积与湿周的比值计算得到水力半径；S为水力坡度。

3.3 致灾动力

隧洞突水突泥表现为爆发式涌出携带能量巨大。按照动能公式(式(4))分析，当溃口面积和致灾介质物质总量一定时，则突涌能量取决于S。

(4)

式中:EK为突涌能量(J)；m为突涌物质总量(103kg)。

在未突涌前，地下水以静水压力形式作用于隧洞围岩安全承载体。在发生突涌过程中，形成以涌水通道为中心的泄水漏斗。此时，在裂隙通道内的水力坡度最大，至裂隙通道中心的距离越远,水力坡度越小；裂隙通内的水力坡度可用无补给的承压水完整井定流量非稳定流计算公式，即泰斯公式来计算[17]。假定裂隙通道为半径rw的圆形，则裂隙通道可近似看作半径为rw的抽水井。含水层向裂隙通道的充水过程，可看作是承压含水层单井定流量抽水。裂隙通道内的水力坡度按式(5)计算。

(5)

式中:S为突水突泥裂隙内的水力坡度(m)；M为含水层厚度(cm);H为含水层的水头高度(m)；R为突水突泥影响半径(m)；rw为假设裂隙通道为圆形截面半径(m)。在实际的突涌溃口断面近视为矩形，B为宽度，L为长度，可将其转化为圆形截面，rw按式(6)计算。

(6)

4 突水突泥致灾分析

4.1 变形-时空效应-致灾分析

随着工作面的推进,接近乌龙坝向斜构造核部致密玄武岩和凝灰岩互层时，在卸荷效应和开挖扰动作用下围岩变形。当工作面推进到DLII30+735时，导致构造下盘破碎围岩应力集中，坚硬岩层破断塌方形成裂隙空腔积水，为致灾介质形成发育提供了空间。在隧洞回填反压→渣体注浆加固→二次开挖，为突涌形成发展提供了时间和能量积累，致灾过程如图6所示。

图6 变形-坍塌-积水致灾过程Fig.6 Deformation-collapse-flooding process

4.1.1 下盘碎裂围岩变形

从狮子山隧洞突涌演变发展的过程分析来看，受构造挤压影响下盘DLII30+745—732段围岩呈碎裂状，隧洞开挖前岩体处于三向稳定且较高应力状态，岩体内的结构较为稳定；在开挖卸载和高地应力作用下，围岩内应力重新分布，结构面错动、滑移，围岩强度下降并持续扩容松弛发生变形。凝灰岩条带软岩层在强烈构造应力的作用下表现出结构流变特征，并与上盘岩层间裂隙扩大形成积水空间。上盘玄武岩节理裂隙密集富水构造内裂隙向深层发展贯通，水顺孔隙、裂隙汇入层间裂隙开始积水，如图6(a)所示。

4.1.2 时空效应形成致灾介质

该段隧洞为向斜轴部挤压破碎带，埋深522～527 m，围岩岩性Р2β3深灰色强风化玄武岩，发育4组结构面，间距5～20 cm，较发育，延伸长度>10 m，延伸长，微张，1～2 mm，泥质充填，起伏粗糙；主要结构面走向与洞轴线夹角27°～87°，倾角14°～75°。隧洞右侧首先开挖接近凝灰岩条带，在右拱肩产生应力集中，破碎岩体卸荷作用下失去自稳能力导致塌方。坍塌位置为下盘硬质破碎围岩与软质岩接触位置，在空间上呈“漏斗型”。承载关键块失稳，导致上覆隔水层凝灰岩夹层应力释放崩解，且在上盘储水构造水压力作用下崩塌，表现为有干燥砂状岩体涌出并伴随气体突出的动力现象。隧洞坍塌后采取回填反压措施抑制了围岩向隧洞挤出，软弱夹层内形成三角拱达到暂时平衡。坍塌空腔充水过程是地下水向完整井的非稳定运动并快速充满。

由于硬质玄武岩与凝灰岩岩层厚度、抗拉强度不同，层间裂隙扩展形成空腔。含水层围岩裂隙逐步向深层发展贯通，充水范围扩大，渗透性改变。凝灰岩条带内形成三角拱平衡在地应力和渗流的作用下平衡被打破，形成坍塌→平衡→坍塌的循环过程，直至水—碎石土填满达到新的平衡点。在水力作用下凝灰岩崩解形成的碎石土达到含水饱和状态，呈水—碎石土流塑体,如图6(b)所示。

4.1.3 裂隙通道贯通，关键块崩塌致灾

如图6(c)所示,坍塌空腔及层间裂隙积水后，由于水的不可压缩性，上盘岩层的荷载作用于水体使下盘岩层的裂隙在荷载作用下开始逐渐向隧洞方向扩展。当工作面临近致灾介质体时开挖扰动对围岩影响增大，围岩裂隙阶段性扩张的频率增大。随着隧洞开挖推进至DLII30+738处，在隧洞拱部产生连通裂隙。在致灾介质荷载、动水压与开挖扰动作用下，其荷载达到安全岩盘强度极限时围岩压溃形成突水突泥通道，富水凝灰岩介质体的势能转化为动能并瞬间释放致灾。

4.2 致灾介质泥化荷载与动水压协同致灾

如图1、图6所示，凝灰岩与玄武岩层间接触带为30～50 cm泥化层，靠近层间接触面3～5 m玄武岩受挤压产生节理裂隙发育密集带，部分为钙质胶结。分析认为，在水-岩的作用下凝灰岩软弱夹层发生风化向泥或松散性转化。由于层间错动带是地下水流通途径，在水-岩相互作用下凝灰岩中的Na+、Ca+被分解溶入地下水形成了黏土矿物。随黏土矿物含量增加，透水性减弱，使地下水滞留在层间错动带，地下水与基岩在层间错动带上部和下部发生化学作用形成风化带泥化层。因此，在结构未扰动破坏前，凝灰岩夹层蚀变含黏土并在挤压下致密形成隔水层。

地下水渗流对蚀变凝灰岩具有显著的弱化作用[18]。主要表现：①由于隧洞开挖卸载效应，凝灰岩条带内已有的裂隙发生扩展相互贯通，随着含水率的提高，水与岩土介质结合形式发生很大改变，致灾介质体抗剪强度及内摩擦角等参数都呈现减小趋势。②爆破震动致使岩体内裂隙贯通，围岩渗透性发生改变，远端地下水向隧洞向渗透使其产生动水压力。同时，也对富水蚀变凝灰岩地层产生液化影响[19-20]。③乌龙坝构造向斜上盘节理裂隙密集带储水构造对下位凝灰岩软岩层产生侵蚀分割和水压作用，凝灰岩层内的裂缝逐渐向上扩展发育崩解软化、泥化。

假定在卸荷效应致灾介质液化与泥化在隧洞四周形成泥浆体，深度为凝灰岩厚度，可建立致灾介质体在隧洞上的力学模型，作用于下部岩体的压强按式(7)计算[21]。

(7)

式中:PS为致灾介质体产生的压强(MPa)；PW为动水压强；γC为致灾介质重度(10 kN/m3)；h为致灾介质液化等效高度(m)；H为水头高度(m)；β为水头折减系数，按强透水取0.55～1.0。

动水压力作用于下部凝灰岩，使凝灰岩夹层内的张拉裂隙向上扩展快速连通上覆储水构造，致灾介质荷载与动水压协同作用突破岩盘向隧洞突出。由式(7)可知，在原始较高的水头情况下，隧洞工作面接近或直接揭露富水构造易发生突水突泥现象。因此，消能降压是防治突水突泥的关键技术。采取物探分析隧洞可能穿越或接近富水构造，隧洞坍塌后注浆加固，突水突泥帷幕注浆后等情况下，有必要采取远距离钻孔排水泄压措施。

5 结 论

以滇中引水工程狮子山DLII30+738处突水突泥案例为依据，通过现场踏勘及调查突涌情景，对突涌物取样进行颗粒组成和隧洞开挖揭露的凝灰岩条带地质特征分析，进一步研究突涌介质特征、致灾动力、致灾模式等各要素的属性，揭示其致灾机理。

(1)隧洞DLII30+738处突水突泥致灾介质物源主要为蚀变凝灰岩夹层风化-水解产物，包含大量粉质成分及岩石碎屑混合物，细料占55.5%，粗料占44.5%，具有碎石土特征。富水状态类似稀性泥石流，突涌瞬时爆发，携带巨大能量。

(2)隧洞卸荷坍塌、地下水作用及应力释放等导致介质体赋存空间、物理力学性能等改变而具有致灾特性；塌方形成裂隙空腔积水为致灾介质形成发育提供了空间。水力作用下凝灰岩崩解形成的碎石土达到含水饱和状态，呈水-碎石土流塑体。水动力条件是灾害发生的动力源，是主控因素。致灾介质荷载与动水压协同作用压溃岩盘形成突涌通道。