由于隧道揭露水文地质单元多、水源补给量充足、涌水量大、水头压力高,岩溶地区隧道突水事故常造成严重后果。岩溶隧道突水灾害轻则冲毁施工设施、堵塞坑道、造成施工中断、延误工期,重则造成生命财产损失,还会引发地面塌陷等次生灾害的发生。
岩溶隧道突水
在岩溶地区进行隧道开挖时,遭遇到富水及高水压的暗河、溶洞或断层时所诱发的大规模突水灾害。
- 英文名称
- water inrush in karst tunnel
- 所属学科
- 土木工程
岩溶隧道突水是岩溶水对裂隙岩体不断作用的结果,是一个渐进的过程。
岩溶突水的致灾因素主要包括:①岩溶含水层的富水条件。奥陶系石灰岩为含水丰富的高压承压含水层,其富水性是决定底板突水水量大小和突水点是否能持久涌水的基本条件。②足够的水头压力。承压含水层水压越高,越容易克服上覆隔水岩层内部的结构面(裂隙、断裂等)阻力和面上的摩擦力,使承压水位能变为动能,加速承压水发生渗流运动,并沿着薄弱结构面上升,成为底板突水动力源之一。③隔水岩层厚度、岩性及其组合关系。一般来说,隔水层越厚越安全。在隔水层厚度相同的情况下,不同岩性组合其抵抗水压能力是不同的。硬脆岩层易产生裂隙,但不容易被水冲刷扩大。软岩层受力后易发生塑性变形,虽然不易形成裂隙,但一旦形成裂隙,会被高压水流冲刷扩径。软硬相间隔水层能相互弥补各自的缺陷,提高抗水压能力。④地应力。是岩层自重、构造应力、承压水水压等综合作用的结果,而且是一个变化的力。它是地壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。在应力集中区,地应力加剧了隔水岩层变形和破坏,成为突水的附加作用力。⑤工程扰动。隧道开挖与水压的联合作用不断改变隔水层应力状态,使岩体加速破坏,并使隔水层中原生裂隙、断裂重新活动,形成新的过水裂隙。隔水层阻水能力降低,承压水很容易通过破坏裂隙进入开采工作面,造成突水。
岩溶突水按储藏条件可以分为:①高压裂隙突水。当岩溶隧道通过向斜、背斜的一翼时,层间挤压破碎带发育,裂隙密集,岩体破碎,高压裂隙水呈大股状涌出,甚至发生突水涌砂。②富水溶腔突水。当隧道施工至岩溶富水溶腔周边时,一旦隧道与溶腔间的防突厚度无法抵抗岩溶水压力,且受施工扰动作用影响,就会诱发富水溶腔型突水事故。③地下暗河或岩溶管道突水。当隧道直接穿越或由裂隙导通地下暗河和岩溶管道时,将引发地下暗河型突水。④断层突水。长大复杂岩溶隧道大多穿越地质构造比较复杂的地段,要通过区域性或地区性大断层,断层带汇水条件好,岩溶水量丰富且岩石渗透性好,在工程扰动下极易发生突水。
岩溶突水按影响因素可以分为:①渗水型突水。主要是揭露溶腔、裂隙、地下暗河等富水岩溶构造引起的,地下水对围岩没有进一步破坏。②纯劈裂型突水。由于岩溶水在内部高水头压力作用下对围岩产生劈裂作用导致突涌。③综合破坏型突水。在岩溶水压力与围岩压力共同作用下致使隧道与隐伏岩溶构造之间的防突岩层丧失隔水能力而发生突水灾害。
岩溶隧道突水是山区隧道建设中常见的地质灾害,在中国隧道修建历史中,不同时期修建铁路隧道都出现过程度不一的突水灾害,尤以涌水突泥(沙)最为常见,危害性极大,给隧道建设造成许多困难。20世纪70年代前,中国建成的成昆线、川黔线、贵昆线、盘西线,后建成的南昆线、株六复线、水柏线、渝怀线、宜万线、黔渝线、黔桂线等铁路线,在岩溶隧道施工过程中都发生过严重岩溶涌水突泥灾害。截至2008年12月,对中国已建长大深埋岩溶隧道涌突水灾害的不完全统计结果见表1。
线路名称 | 隧道名称 | 最大埋深/m | 长度/m | 主要岩性条件 | 显著涌水量m3·h-1 |
宜万线 | 野三关隧道 | 684 | 13864 | 碳酸盐岩层 | >1.0×105 |
齐岳山隧道 | 670 | 10528 | 灰岩 | 1.8×107 | |
马鹿箐隧道 | 600 | 7879 | 碳酸盐岩 | 3.0×105 | |
金子山隧道 | 420 | 6835 | 泥灰岩、粉砂质泥岩 | 6.2×103 | |
京原线 | 平型关隧道 | 300 | 6189.8 | 灰岩 | (5.0~8.0)×104 |
衡广复线 | 大瑶山隧道 | 910 | 14295 | 浅变质砂岩、灰岩 | (1.0~4.0)×105 |
南岭隧道 | 90 | 6100 | 灰岩 | 1.9×106 | |
水大支线 | 燕子岭隧道 | 3135 | 灰岩、白云岩 | 2.6×105 | |
渝怀线 | 圆梁山隧道 | 770 | 11068 | 碳酸盐岩层 | 3.5×106 |
歌乐山隧道 | 280 | 4050 | 灰岩、白云岩 | 1.3×106 | |
武隆隧道 | 825 | 9418 | 灰岩、白云质灰岩 | 3.0×105 | |
襄渝线 | 大巴山隧道 | 777 | 5333.7 | 灰岩 | 6.1×105 |
中梁山隧道 | 269 | 3985 | 灰岩、页岩、砂岩 | 3.4×105 | |
盘西支线 | 平关隧道 | 5139 | 灰岩 | 2.6×106 | |
胜境关隧道 | 4931 | 灰岩 | 2.2×106 | ||
南昆线 | 家竹箐隧道 | 445 | 4980 | 灰岩夹砂岩 | 8.0×104 |
二排坡隧道 | 200 | 4770 | 页岩夹泥灰岩、砂岩 | 1.8×103 | |
内昆线 | 新寨隧道 | 450 | 4409 | 灰岩、白云岩、白云质灰岩 | 2.7×104 |
贵昆线 | 梅花山隧道 | 500 | 3968 | 灰岩 | 1.3×106 |
隧道突水防治研究的核心是采取超前预测。经过了几十年的研究,中国在涌水预报方面取得了一些进展,但涌水量预测准确度还很低,仍然是隧道地质超前预测中十分薄弱的环节。有关岩溶隧道突水研究,采取实时监测与预警是灾害防治技术的重要发展趋势,特别是临界预警标准和预警方法的研究是决定监测预警成功实施的重要基础。地质超前预报的成功与否关系着隧道能否安全施工,以及施工期间围岩的准确评定。超前预报方法有很多(见图)。常用的超前预报方法优缺点比较见表2。
方法 | 原理 | 适用范围 | 优点 | 缺点 |
地面地质调查法 | 运用地下、地表构造的相关性原理,隧道周围的不良的情况进行宏观和较为粗略的预报 | 长期超前预测方法,预报距离200米以上 | 有可靠的理论基础,适用性强,成本低 | 在地层岩性变化极为复杂(如强烈褶皱地层)的隧道中预报的难度很大 |
地质雷达法 | 用超高频电磁波探测地下介质分布 | 短期超前预测方法,预报距离掌子面前方10~30米 | 分辨率高,无损伤,探测和数据处理快,机动灵活 | 很难克服施工隧道内的干扰因素,影响探测成果的准确性,而较准确预报距离往往只有十几米 |
TSP法 | 利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方的地质条件和岩石特性变化 | 长期超前预测方法,预报距离150米以上 | 精度高,同时能够提供岩石力学参数,为信息化施工顺利进行奠定基础 | 探测费用高,对隧道施工有细微干扰。在探测成果图中,断层、节理、软弱带等都以相近形式出现,差别甚小,受人员专业素质影响大 |
由于每种方法各有优缺点,必须结合实际工况综合使用才可以取得最好的预测效果。除了对超前预报科技手段的重视,安全管理对隧道防止突水也具有重大意义,关于对风险征兆的辨识可以由有经验的专员负责,在临灾害发生前给予紧急预报。
岩溶隧道突水灾害前兆:当隧道开挖至临近导水断层时,断层破碎带及影响带、下盘泥页岩、页岩等隔水岩层有明显湿化、软化或出现淋水现象。当隧道开挖至临近大型溶洞水体时,周围岩体常有较多的铁锈染、溶垢或夹泥的裂隙存在,小溶洞出现的频率增加。当隧道开挖临近暗河时,伴随有大量铁锈染、溶垢裂隙或小溶洞出现,且小溶洞含有河砂。在超前探测钻孔中涌水量剧增,并夹有泥沙或小砾石。
隧道岩溶洞穴处理原则为探明情况、因地制宜、消除水患、综合治理。在调查岩溶洞穴时应采用综合物探的方法探明突涌水渗流途径,岩溶洞穴规模大小及水文、工程地质条件以及内部填充物性质,针对不同的岩溶洞穴采取不同的处理方案和技术措施加以解决,达到综合治理灾害的目的。
引排方案。针对规模不大的过水型岩溶,原则上以引排水为主,以维持岩溶既有通道,不得随意堵塞岩溶管道,避免造成水害。
注浆堵水方案。当确定隧道前方为富水充填型岩溶时,若直接开挖易出现突水突泥地质灾害,难以保证施工安全,可以采取全断面超前预注浆进行堵水,之后配合超前大管棚预支护通过。对注浆帷幕厚度可根据超前探孔涌水量,及现场实测水头压力值进行确定。
泄水洞方案。当隧道遭遇暗河时,为确保施工和运营安全,原则上应设置泄水洞对暗河水进行排放。泄水洞根据泄水点标高,并结合洞外地形条件设置。泄水洞断面原则上应满足无压排水要求,最大排水量按水文地质条件进行估算。泄水洞断面尺寸除满足泄水要求外,为保证泄水洞快速投入使用,应按现场机械配置和施工通风要求确定开挖断面。
堆积体加固堵水方案。当隧道处于岩溶暗河堆积体中时,可通过控制注浆技术对堆积体进行堵水、加固,维持原暗河排水系统,之后进行隧道施工。
绕避方案。当隧道遇到难度极大的复杂地质条件时,在不丧失其功能的条件下,应尽量采取绕避方案。