狮子山隧洞穿越P2β3地层向斜构造突水突泥灾害源探测及致灾机理分析*

郝俊锁，刘俊峰，邱志洪，王国我

(1.中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

隧道及地下工程施工过程中突水突泥是最常遇到的地质问题，约占隧道灾害事故的1/3[1]，其发生具有难预测性、突发性、破坏性，给施工带来严重的安全威胁。因此，近年来工程技术人员对突水突泥地质问题进行了深入研究。

贺振宇等[2]根据致灾构造的成因将隧道典型致灾构造分为断裂带、岩溶含水体、向背斜和单斜含水层、人工富水空间和水下不良地质体5大类。李晓昭等[3]通过百余例隧道突水突泥案例的统计分析与现场调研，识别概括了2类5种隧道突水突泥致灾构造，即富水夹泥断裂带(富水断裂破碎带及夹泥断裂带)与充水充泥岩溶体(深部充水岩溶、表层裂隙岩溶带及充填岩溶洞穴)，总结分析了不同突水突泥致灾构造的典型地质特征，提出了不同突水突泥致灾构造的判别理论方法。李术才等[4]通过221例突水突泥灾害案例统计分析，将突水突泥致灾构造划分为3类11型，即岩溶类(溶蚀裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型)、断层类(富水断层型、导水断层型、阻水断层型)、其他成因类(侵入接触型、层间裂隙型、不整合接触型、差异风化型、特殊条件型)，研究不同类型致灾构造的结构特征、赋存规律和地质判识方法，并开展典型案例分析。

目前,国内外研究者针对隧道及地下工程所遇见的突水突泥类型、致灾机理和地质识别进行了系统总结。但隧道突水突泥影响因素众多，与埋深、地质构造、围岩地质、地下水及地应力等自然属性密不可分，同时也与施工方法、技术手段、仪器设备、施工理念与管理经验等人为因素有着不可分割的关系。狮子山隧洞穿越乌龙坝向斜构造P2β3致密玄武岩Ⅲ类围岩地层，由于超前地质预报未探明灾害源，开挖揭露施工过程中对其赋存特征、致灾机制和危害程度辨识不明，导致事故突发。因此，深入研究其突水突泥机理具有重大现实意义。本文在对狮子山隧洞穿越P2β3地层突水突泥灾害源赋存特征调查与探测的基础上，结合地质学原理分析引水隧洞玄武岩地层地质灾害源的形成与赋存机制及突水突泥灾害发生机理，为类似工程灾害源探测及辨识、灾害预防提供参考与借鉴。

1 工程概况与现场灾害情况

1.1 工程概况

滇中引水工程输水总干渠引水线路总长664km，其中狮子山隧洞位于宾川县，全长29.420km。隧洞设计流量125m3/s，净断面采用马蹄形，R=4.60m，宽×高=9.20m×9.20m，底坡为1/4 200。 DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越乌龙坝向斜核部，地层岩性为块状～厚层状微风化P2β3杏仁状玄武岩、致密状玄武岩。DLII29+884—DLII31+570段隧洞纵断面如图1所示。

图1 DLII29+884—DLII31+570段隧洞纵断面示意

1.2 灾害情况

1.2.1突水突泥过程

2020年8月10日进行DLII30+737—DLII30+738段上台阶钢支撑安装作业，于19：00出现拱部围岩掉块，组织作业人员撤离，准备喷射混凝土加固，20：10左右该段拱部突然崩塌，高压水裹挟大量泥砂碎石突出。11日待出水量减小稳定后，现场踏勘情况如图2，3所示：①突泥推移范围约125m，隧洞底板淤积平均厚度约1m，经测算突水突泥总量约8 000m3，突泥量3 500m3，突水约4 500m3；②涌水量80～90m3/h；③观测不到突泥口位置，目测掌子面约8m被满堵，拱架原架设13榀，现可见5榀。

图2 现场突水突泥情况

图3 测绘纵断面示意

1.2.2水量监测

突水突泥后，8月11日预估涌水量为80～90m3/h。从12日进行涌水量监测，采取间隔1h统计排水流量计显示的瞬时流量，计算日平均涌出量。22d统计情况如图4所示，初期涌水量达130m3/h，1周后涌水量稳定在50～60m3/h，且无明显变化。

图4 隧道涌水量检测曲线

1.2.3突出物组成分析

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，颗粒组成如表1所示。

表1 突出物组成颗粒筛分

由表1分析可知，涌出物质中≤2.5mm成分约占42.6%，主要成分为火山灰，主要由凝灰岩、玄武岩在地下水及风化作用下的产物组成；>2.5mm颗粒约占57.4%，主要由玄武岩碎屑组成。

综合以上情况，狮子山隧洞DLII30+737—DLII30+738段现场涌水量大，持续时间长，挟带大量火山灰及玄武岩碎屑，严重影响现场施工进度，威胁现场施工人员安全。因此，对现场灾害源进行调查，分析灾害形成机制，以便为灾害预测及灾害处治方法提出有效建议。

2 灾害源调查与探测

由于隧洞突水突泥影响因素众多，为避免因对灾害源识别不清、方案针对不强、参数不合理或风险估计不足等，导致处治过程中发生次生灾害，处治效果不理想而造成窝工浪费，因此，突水突泥后续处理首要任务是搞清灾害源赋存特征。本文通过查阅设计地质资料，调查围岩地质和地表情况，在地质分析的基础上结合超前物探及钻探等综合探测方法对隧洞灾害源进行探测及分析。

2.1 地质与水文条件

2.1.1地质条件

隧洞大地构造跨越扬子准地台(Ⅰ)的丽江台缘褶皱带(Ⅰ1)和康滇地轴(Ⅰ2，称川滇台背斜)，二者以程海—宾川断裂(F16)为界，F16以西为鹤庆—洱源台褶束三级构造单元，F16以东为滇中台陷三级构造单元。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越乌龙坝向斜核部，平面相互关系如图5所示。

图5 隧洞与乌龙坝向斜平面位置关系

2.1.2地层岩性

DLII29+916—DLII31+570段埋深为400～620m，地层岩性为块状～厚层状微风化P2β3杏仁状玄武岩、致密状玄武岩，岩体较完整；岩体节理、裂隙多微张～半闭合，裂隙延伸长度<5m，起伏粗糙，无充填～局部岩屑充填；岩层流面走向洞线交角<30°，流面倾角为10°～50°。围岩强度应力比为2.74～7.38， 岩石强度应力比为4.56～12.31。

2.1.3水文地质

地下水位高出洞身底板350～510m，岩体弱～微透水，渗透系数k=0.02m/d，外水压力折减系数βe为0.1，洞室以干燥～潮湿为主，洞室平均渗水量为1.4m3/(d·m)(9.4L/(min·10m))，最大渗水量为2.3m3/(d·m)(15.8L/(min·10m))。

2.2 施工调查

2.2.1洞内施工

1)DLII31+138.5—DLII30+749.0段 该段揭示围岩为致密状玄武岩。结构面发育1～3组，间距10～30cm，结构面平直光滑，岩体较完整，呈镶嵌～块状结构，围岩稳定且干燥，支护方式为Ⅲ1类。

2)DLII30+749.0—DLII30+735.0段 该段顶拱岩性为弱风化致密状玄武岩。掌子面前方存在剪切破碎带，剪切破碎带内发育挤压软弱泥化夹层，掌子面后方顶拱受构造挤压影响，岩块中发育大量石英条带，呈网纹分布，致密状玄武岩构造由于压碎作用突出，岩块间为软弱夹层或陡倾平直光滑剪切面嵌合，且沿破碎带出现滴水、渗水现象，受构造挤压及结构面渗水影响，岩体结构松弛，切割块体发育，顶拱存在块状塌方风险。围岩局部不稳，类别及支护方式为Ⅲ1类。隧洞按Ⅲ类围岩掘进至DLII30+735 处，如图6所示，掌子面右侧拱肩位置发生崩塌，有干燥砂状岩体涌出并伴随气体突出，随后拱部出现块状塌落，并伴有裂隙水流出，坍塌体滑移出10m。

图6 围岩地质

2.2.2洞外调查

地表踏勘情况如下：DLII30+738处山体地势北高南低，埋深约533m，附近冲沟发育较多。地表岩石破碎，完整性差，属于强风化岩体。在DLII30+738附近存在一天然小冲沟，与隧洞轴线位置关系如图7所示。冲沟尺寸宽×高=3.5m×3m，与隧洞轴线夹角约64°，两侧植被茂密，无积水。在DLII30+738处半径500m范围进行了地表水文地质调查，未发现有泄水区、泉眼、地表陷穴、溶洞、地表裂缝等特殊地质构造。

图7 冲沟与隧洞轴线位置关系示意

通过突水突泥段洞内外地质调查，结合设计地质资料综合分析结论为：①突泥突水位置位于乌龙坝向斜构造核心轴部附近；②该段隧洞穿越地层为P2β3致密玄武岩，围岩级别为Ⅲ，接近突水突泥位置围岩节理、裂隙发育；③开挖揭露致密玄武岩段无地下水，裂隙发育地段存在渗水、滴水现象；④突水突泥瞬间压溃拱部顶板，赋存能量较大；⑤地下水主要为基岩裂隙水，主要影响因素为降雨。

2.3 物探探测

探测分2步实施：首先，在DLII30+810处进行长距离物探测试(距离突水突泥位置72m)，初步掌握突水突泥对已开挖洞段的影响情况和灾害源特征，避免盲目清淤与反压接近突溃位置时发生次生灾害。其次，在掌子面反压稳定后，对DLII30+745处进行二次物探，并进行超前钻孔探测，以便相互验证。

2.3.1第1次物探结果(见图8)

图8 第1次物探结果

1)TGS法 DLII30+738—DLII30+707段纵波速度范围在5 200～6 500m/s，推断该段围岩为坍塌空腔区，岩体完整性差～较破碎，节理、裂隙发育，稳定性差，易发生坍塌，地下水较发育，以线状～股状流水为主。

2)地震波法(AGI-T3) DLII30+728—DLII30+705段受构造裂隙影响，岩石风化程度高，节理、裂隙发育密集，岩体破碎，局部裂隙发育密集，岩体极破碎，有泥质物充填，含有大量地下水，围岩完整性和稳定性差。推断该段围岩等级为Ⅴ级。

3)TRT7000法 DLII30+735—DLII30+704段地震反射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。隧洞线路穿越乌龙坝向斜储水构造，当穿越节理、裂隙剪切破碎带时，受剪切破碎带延伸控制，破碎带切穿相对富水层时，可能发生涌(突)水风险。

2.3.2第2次物探结果(见图9)

图9 第2次物探结果

1)TGS法 推断桩号DLII30+738—DLII30+703段附近为坍塌空腔区，空腔具体三维分布情况如图9所示，以隧洞上游至下游方向，空腔主要由隧洞轴线右侧往隧洞轴线上方，继续往隧洞轴线左上方方向发育。DLII30+678—DLII30+658段，岩体横波波速明显降低，动泊松比明显增大，推断该段岩体总体完整性差～较破碎，节理、裂隙发育，地下水发育。

2)地震波法(AGI-T3) DLII30+738—DLII30+715段有强反射界面，推断该段围岩受构造影响，节理、裂隙发育密集杂乱，岩体破碎，有泥质物充填，有股流状地下水，围岩完整性和稳定性差；DLII30+715—DLII30+691段，在DLII30+690 处附近有强反射界面，推断该段围岩受构造影响属于风化破碎区，节理、裂隙发育，岩体较破碎，有泥质物充填，有大量地下水，围岩完整性和稳定性较差。

3)TRT7000法 DLII30+725—DLII30+705段，为受坍塌破坏影响的节理、裂隙剪切破碎带，岩体较破碎，围岩极不稳定，涌水突泥风险高；DLII30+705—DLII30+645段，为软弱夹层发育的剪切挤压破碎带，岩体破碎，易发生掉块或塌方失稳破坏，存在涌水突泥风险。

根据物探结果分析得出如下结论：①DLII30+748处隧洞已开挖洞段围岩-支护系统稳定；②破坏区以中陡倾角倾向隧洞上游的不明形体，推测DLII30+738—DLII30+703段附近为突水突泥破坏区；③DLII30+703—DLII30+645段为受构造影响属于风化破碎区；④破坏区内节理、裂隙发育，岩体较破碎，有泥质物充填，有大量地下水，围岩完整性和稳定性较差，存在突水突泥风险。

2.4 钻探验证

为了探明该段水量、水压和水文地质条件等，对突水后水文观测数据进行采集与分析，进行相应区域水文地质专项调查，并采用超前钻孔探测等多尺度探测手段[5-7]。超前探孔布置点位于DLII30+750.0处，探孔长25m，共布置10个点位，其中1～3号点位外插角为7°～12°，4～7号点位外插角为5°～7°，8～10号点位垂直于岩面布置，具体布置如图10所示。钻探结果表明，拱部钻至DLII30+745处时有地下水涌出，涌出量15～30m3/(h·孔)；钻进至DLII30+740.5处时钻入破碎软弱层，并快速推进至DLII30+725处。DLII30+750—DLII30+740.5段为硬岩层，DLII30+740.5—DLII30+725段为破碎软弱层。

图10 超前探孔布置示意(单位：m)

根据隧洞穿越乌龙坝向斜构造地段地质条件，采用施工与地质调查，配合超前物探、钻探及水体探测等手段进行分析总结，基本查明灾害源赋存特征：①DLII30+738—DLII30+645段为破碎及影响带；②DLII30+738—DLII30+703段为突水突泥破坏段，宽度约为35m；③灾害体与隧洞呈陡倾角相交，向隧洞前方倾，右侧先揭露；④该段地下水丰富，主要为结构裂隙水，来源为降雨；⑤灾害体由构造挤压致密玄武岩在地下水作用下形成，深埋高地压和地下水压力等为其提供能量。

3 P2β3地层突水突泥致灾机理分析

以地质分析法为基础，通过TGP，TRT7000，AGI-T3分阶段多设备远距离探测和超前钻探法验证，查明灾害源赋存的基本特征。隧洞DLII30+738处突水突泥原因为：①由于开挖工作面与灾害源间安全岩盘厚度不断减小；②隧洞开挖后，施作加强支护为岩体内已有的裂隙扩展贯通提供了时间。从地质分析角度来说，未查明灾害源的形成，即蓄水空间(或透水岩层)与乌龙坝向斜构造的关系。因此，需进一步分析突水突泥致灾构造及孕灾模式。

3.1 向斜构造突水突泥地质条件

查阅相关研究资料[2,8]，隧洞穿越向斜轴部发生突水突泥应具备的地质条件为：①向斜构造中隔水的存在，是形成地下向斜储水构造含水体的基本条件；②存在地下水补给通道，以便地表水渗入或侧向透水层补给；③隧洞穿越含水构造，或与储水构造含水体岩盘厚度不大于安全岩盘厚度。

3.2 孕灾模式

根据隧洞地质条件，线路在乌龙坝含水体下方隔水层中行进，含水条件差，施工揭露P2β3地层致密玄武岩洞室段无地下水，洞室呈干燥状态；隧洞顶板置于该地层最小厚度约150m。查阅地质勘察资料，该段上层地层为致密P2β3杏仁状玄武岩，下层地层为杏仁状玄武岩、块状～厚层状微风化P2β3凝灰质玄武岩夹凝灰岩条带。通过开挖揭示和综合超前地质预报判定DLII30+738—DLII30+703段为富水破碎带(灾害源)。根据地质学原理，主要从地质构造和主要地质标志，如埋深、地层岩性、地质构造、水文地质和灾害源赋存特征等相关资料探讨突水突泥致灾机理。

3.2.1乌龙坝向斜构造作用

在乌龙坝向斜构造褶皱作用过程中，核部玄武岩岩层发生折断、碎裂。其中，隧洞开挖揭示石英条带为玄武岩构造作用下的地质产物，这种基性玄武岩含有大量基性斜长石，在构造应力作用下析出SiO2形成石英，玄武岩层间错动为石英形成提供了空间和物质基础。在褶皱的两端，硬质脆性岩层往往成为层间错动破碎带。当硬质脆性岩层两侧岩层的错距较大时，即为顺层断层[9]。乌龙坝向斜构造作用下玄武岩层内岩体破碎带为突水突泥构造提供储水空间及过水通道，如图11所示。分析认为该破碎带位于巨厚P2β3地层致密玄武岩受拉部位。当向斜受到垂直于轴部压应力作用时，向斜内部的压应力最大，而外部的拉应力则最大。脆性岩石受拉部位裂隙将逐渐向向斜内部发展形成纵向张节理，在垂直于轴向的应力持续作用下纵向张节理将继续向核部发展形成更大规模的纵向张节理,即在该地层受拉区形成一定厚度的条带状剪切破碎带。下覆地层凝灰质玄武岩夹凝灰岩条带，软硬互层岩层在褶皱作用下软层岩体易被压缩且变形较大，承受了大部分应力，而随着软层的岩体增厚，硬层岩体的完整性越好[10]。因此，该硬层岩体断裂间连通性差、透水性差，起到隔水作用。

图11 剪切破碎带赋存示意

向斜型蓄水构造的地下水径流模式主要有切层顺轴径流、单翼顺层径流、顺层绕轴径流和复合型径流4种形式[11]。根据隧洞地质条件,乌龙坝向斜轴部为山岭，地形上表现为两翼出露高差大；区域受侵蚀严重，沿向斜轴部分布多个丘陵单元，沟谷纵横。总体来说，地下水从补给翼向排泄翼运动，流经向斜轴部，呈带状富水赋存于剪切劈理构造破碎带中。

3.2.2揭露导水通道

隧洞穿越乌龙坝向斜构造发生突水突泥，其自然属性是主因。此外，施工扰动及时间-水压力耦合作用等也是导致岩体内应力重新分布、围岩裂隙扩展贯通、岩体渗流性改变等形成突水突泥通道的重要因素。

隧洞开挖逐渐接近灾害源：①围岩的应力发生改变，引起灾害源内应力、位移等发生改变，趋势为掌子面和洞身向洞内变形挤出；②爆破扰动和围岩损伤。

当工作面接近灾害源时，损伤破坏区进一步扩大，围岩内部裂隙开始局部扩展。当推进至隔水安全岩盘临界值时，围岩应力、水压、施工振动等叠加，围岩瞬间失稳突水[12]。

3.2.3高水压压裂

DLII30+738处埋深约533m，该处静水压力按下式估算：

P=βeγH

(1)

式中：P为原始水压力值；βe为外水压力折减系数，该段受构造影响节理、裂隙发育，取0.45；γ为水的重度；H为作用水头，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线间的高差确定，取420m。

未揭露灾害体前存在高水压，估算达1.85MPa。在隧洞掌子面与灾害源间隔厚度达到一定值，高应力-高水压-时间共同耦合作用下，岩体内已有的裂隙发生扩展相互贯通，岩体结构失稳，充填水突破岩盘向隧洞突出[13]。

4 结语

1)灾害源的形成是乌龙坝向斜构造的产物，与地层结构特殊性相关。隧洞埋深一定位置存在巨厚层硬质脆性岩体，其构造受拉区产生剪切破碎带提供过水通道，下覆隔水层提供储水条件。

2)高应力-高水压-时间共同耦合作用下，围岩应力、外移、渗流场等变化及爆破振动导致围岩内裂缝扩展、贯通，直至叠加突变，导致围岩崩塌失稳。

3)该类特殊地质构造赋存的灾害孕灾模式具有极强的隐秘性，采用常规探测技术难以发现。解决此类难题的重点在于现场及时准确掌握邻近不良地质体的预兆，对超前预报探测到的不明灾害源应进行详细补勘，明确成灾机制，完善防控措施。