复杂岩溶区域内隧道涌水预测方法分析

蒋敏，李春金

（1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530000；2.广西路桥工程集团有限公司， 广西 南宁 530201）

0 引言

由于岩溶区域隧道中水文地质断层破碎带岩土不完整，存在结构松散的问题，导致隧道施工时受到地下水干扰，使断层破碎带的岩土易于崩塌、泥化。经过长时间的堆积，形成导流渠道，常常会引发突水、涌泥等灾害。因此，如何防熔岩区域内隧道出现突水、涌泥灾害，成为当前地下工程领域的一个重要课题。国内外学者通过现场勘察，并结合理论分析研究了突水突泥灾变机理，制订了有效的工程灾变科学防治方案。文献［1］提出了基于突水机理的全时空防治技术，该技术结合水害影响，确定了突水突泥灾变模式，并构建突水突泥危险性评价公式。通过创建“四位一体”的立体网状防治方法，以达到预期治理效果；文献［2］提出的基于最小安全厚度的筒仓理论防治方法，通过构建突水突泥力学模型，获取力学判断依据，并分析破碎带宽度对突水突泥厚度的影响，以此作为突水突泥注浆治理的依据。上述两种研究方法主要集中在岩溶断层特长隧道突水突泥机理和预报技术上，从多个指标考虑突水突泥临界判断依据较少。鉴于此，本文提出了复杂岩溶区域内隧道涌水预测方法，以广西地区的复杂熔岩区域中特长隧道为例，详细研究突水突泥注浆治理技术。

1 复杂熔岩区域内隧道突水突泥渗透率演化特征分析

岩溶地区隧道涌水量预测方法大多建立在岩溶水文地质条件研究的基础上。岩溶化的岩体广义上为多重含水介质，其中既有岩块中的孔隙、分割岩块的裂隙，又有孔隙受岩溶化改造形成的溶孔、溶穴，裂隙溶蚀而成的溶隙，甚至形成宏观巨大的岩溶管道网络、溶潭、地下暗河等，都构成了不同规模大小的岩溶蓄水形式。

在工程施工过程中，钻孔揭露涌水后，经较长时间放水，水量并无显著减少，直至最终塌孔。推测前期多次突泥突水形成了塌穴塌腔，演化为隐伏高压泥水腔体，腔体蓄水量大、导水性好。在排水系统中，采用筛网将分散的微粒进行过滤和收集，并对相应的涌水量进行分析［3-4］。

水的流态会随着隧道渗透率的变化而发生改变，正常情况下，通过雷诺数分析水的流态，可描述如下：

当式（1）的计算结果小于等于10时，水的流态呈现为一种过渡流态形式，此时的压力梯度均匀分布，由此计算的渗透率如下：

式（2）中，Q表示涌水率；r表示渗流半径；p表示恒定水压力；hi表示渗流高度［5］。

当式（1）的计算结果大于10时，水的流态呈现为一种稳定流态形式，ti在时刻的渗透率与ti-ti+1时刻渗透率的平均值基本一致，由此计算的渗透率如下：

从上述结果可以看出，雷诺数越大，水的流态越复杂。在初始孔隙率相同时，随着外水压的不断增大，介质的孔隙度较小，渗透速度慢，粒子的迁移速率较慢；在相同的外水压条件下，雷诺数随着孔隙的增大而发生改变。在这种情况下，水的流态不再稳定，变为湍流状态［6-7］。当粒子大量涌出时，填充体孔间的空隙发生了连通，从而形成一个显著的主导渗透通道。水流是一种管状的流动，使水流从渠道中直接排出，从而形成突水突泥灾害［8-9］。

2 隧道帷幕注浆技术

为了避免因静压而造成的岩体损坏，必须在危险部位进行超前钻孔注浆，但在突水突泥灾害发生前，单一灌浆方案规模太小、循环灌浆长度太长、加固区域较窄、灌浆压力较低，没有办法形成良好的加固圈，导致岩溶断层特长隧道加固效果不佳，造成了突水冲泥灾害［10］。因此，需改变帷幕灌浆工艺参数，使其具有较好的加固、防渗作用，从而有效防止突水突泥灾害。

2.1 止浆墙厚度

为了确保注浆管道的安全，在每次注浆后，应添加一道较厚的止浆墙。在注浆之前，应先使用抗压承载力作为指标进行抗压分析，而注浆期一般由材料的剪力来决定，止浆墙厚度设计如下：

式（4）中，D表示隧道开挖直径；表示墙面与垂直轴线倾斜角度；Fc表示抗压强度；表示工作条件参数；表示超载系数。结合以往的工作经验，将2.0 m厚的混凝土作为止浆墙，能够达到止水注浆的效果。

在注浆止浆墙施工中，采用预埋方法保证工程的整体稳定。在地质条件较差时，可在周围设若干根直径的锚杆，并采用注浆或桩法进行加固。在进行防渗加固时，应保证其注浆强度［11］。在岩壁与岩体不稳固处，可选用较小直径的注浆管线。浇注完成后，可以使用事先埋好的水泥、水玻璃双浆等预强型浆液，使墙与围岩紧密结合，防止水泥浆渗出。在浆料浇筑完成后，混凝土强度达到设计指标的75%时，表明该止浆墙的厚度已满足设计指标［12］。

2.2 帷幕注浆段划分

注浆时泥浆在灌浆过程中的扩散对灌浆工艺的影响很大，通过现场注浆模拟研究发现，在岩溶断层破碎带中，浆液主要以渗透、压实、劈裂为主，在注浆口周围存在大量压实变形。因此，有必要划分帷幕灌浆区段。

在合理选取帷幕灌浆厚度时，必须综合考虑力学计算、施工条件及施工经验。该工程应用小孔扩张原理，对小孔进行了压缩计算，得出围岩厚度为4.50~5.55 m的围岩体，注浆范围以松软为好。为了保证隧道工程的安全，采用5 m帷幕进行注浆，根据地质条件、水文条件、旋转设备、堵墙厚度等因素，确定了注浆区的长度。

2.3 引排泄压

在灌浆期间，由于泥浆不断填充围岩的空隙，导致地下水管道逐渐阻塞，使得围岩无法承受较大的水压而发生洪灾。若导流排水压力发生在浅层，突水出泥后，断层周围的岩体状况非常差，而浅层导流排水会造成岩体失稳，所以在深层排水时应采取降压式排水，即在灾害发生时使用排水井，以分散出露断层的涌水量，降低注浆时对岩体的水压。

当左洞掌子面导流时，受到动态水流影响，泥浆难以有效地扩散。因此，采用堵、排水相结合的原则，设计引排泄压布置方案，在循环治理段设计一个工作酮室，通过中间岩桩的岩柱进行引排泄压钻孔，由此实现水体泄压。同时，受到泄压孔变化影响，通过改变泄压孔大小，能够引导泥浆扩散，方便薄弱位置加固。引排泄压布置如图1所示。

图1 引排泄压布置示意图

由图1可知，在支护初期，工作酮室开挖3 m左右时，使用间距为50 cm的钢拱架，该拱架拱部高度为180°，每个拱架之间设置3 m长的注浆锚杆，间隔为50 cm。在工作酮室内布置泄压孔，并向存水区域延伸，受到流动水的影响，充填颗粒被吸走，造成围岩结构失稳、导流排水口崩塌，严重影响工程安全。为了避免该现象的发生，采取多级孔板式管法，并及时进行了孔板清洗灌浆。

2.4 隐伏高压泥水腔体定域注浆

隧道涌水、涌泥后，隧道围岩内出现了较多的泥水压力空腔。在井底露出后，突水的速度非常快。如果采用常规的分段正向注浆，由于井内涌水压力较大，容易受到水流的冲刷，并容易蔓延到浅层固结区，从而影响到深层高压料浆腔的充填，同时也容易产生涌水现象。在隐蔽式高压钻井液中，采用了局部注浆技术，主要是采用局部注浆管法和模袋法进行封堵。

在出现突水后，将一条直径为42 cm的小灌浆管置于井中。第一次暴露5~8 m时，先将钢管包入模具中，再在模具中填入1~2 m的小洞，形成花管，再将孔管固定。在局部注浆时，先将快速凝固的浆料注入模具，使之充气，紧贴井壁，防止浆体发生堵塞，然后采用局部注浆管对注浆室进行定向注浆。

3 隧道用水预测方法

通过分析熔岩中的隧道突水突泥渗透率演化特征，结合FLAC三维流固耦合原理，构建数值分析模型，以此为基础，制订隧道突水突泥注浆治理方案。

3.1 基本假定

结合FLAC三维流固耦合原理，采用弱化方法对岩溶断层隧道进行了数值模拟。假设：①将不同类型的岩土看作是均匀、连续的各向同性介质。②隧道在开挖之前，岩体中的孔隙水是静止的，而在自由表面以下则是饱和的［13］。在开挖过程中，地下水流基本符合达西定律，是一种稳定水流状态。③隧道破碎带为本构模型，符合弹性变形规律。④充分考虑地应力和自重应力，通过土层自重模拟隧道开挖深度。⑤采用全剖面方式进行数值模拟，并分析突水突泥临界判据［14］。

3.2 模型的建立

当隧道入口的上下、左右各取5个孔径时，该模型的宽度为80 m，高度为100 m，顶部至模型上表面的间距为45 m。在纵向上，断裂段的围岩为20 m，断裂段长度为20 m，隧道总长度为60 m。基于这些参数，构建数值分析模型（如图2）。

由图2可知，数值分析模型的边界条件主要有位移、应力、水力3个方面。在前、后、左、右均受到了法向位移限制，在下侧施加了三向位移约束，而在上部，则依据上覆土体的重量，施加垂直应力［15］。在此基础上，将初始孔隙水压力设定为梯度分布的静水压，以3 MPa作为顶水压力，保证模型的上部、工作面、初期支护前巷道表面是具有渗透性的，其他部分是不渗透的。

图2 数值分析模型

4 试验

4.1 试验系统

面对岩溶断层破碎带的突水突泥灾害问题，设计大型室内突水突泥试验系统（如图3）。

图3 试验系统

由图3可知，该系统的围压、轴压和水压由增压泵和调速器驱动，能够在10 MPa内收集相关参数信息。

4.2 试验材料制备

分析了破碎带试样的粒度，其级配状况见表1。

表1 断层角砾岩粒径分布

从表1可见，从粒度分布来看，破碎带中的岩土以块状骨架为主，并以细粒为主。为此，本研究选择以石灰石为骨架，以钻石微粉为填料，按破碎角砾岩的粒径分布比配制而成。

4.3 试验结果与分析

以广西郁江调水工程引水隧洞为例，通过河道疏浚，可将广西郁江支流的河水调入到那庆河中，由此实现园区的持续供水，同时兼顾改善农田灌溉水及环境用水，保护河水的生态环境，为建设新农村创造有利条件。

对于该地区的突水突泥灾害分析，需在广西郁江调水工程的岩溶断层隧道选取试样。将每一批的粒径和质量按一定的比例进行分级称重，然后装入试样桶内，将试样与筒壁接触表面用凡士林涂抹，使其层间变得粗糙。在渗水石的作用下，样品中的水分含量达到饱和。当试样处于饱和状态时，启动气体驱动增压泵，由转换器将预定的围压、水压、轴向压加入试样中。经过长时间跟踪与记录发现，隧道破碎带中的岩石微粒随压力水的持续入渗而排出。在分析过程中，每隔1 min采集一次资料。

对注浆压力和流量实时跟踪记录，分析其变化规律，评估注浆效果（如图4）。

图4 实际压力-流量跟踪记录结果分析

由图4可知，实测时，注浆压力先升高，注浆速率逐渐降低。当压力达到峰值后，出现了劈裂现象，形成新的扩展通道，注浆液扩展范围逐渐增大。劈裂后，注浆压力线降低后上升，并最终达到预期压力，流量也呈现同步负相关趋势，说明在该过程中完成了注浆转换，注浆加固作用得到强化。

基于此，分别使用基于突水机理的全时空防治技术、基于最小安全厚度的筒仓理论防治方法和隧道突水突泥注浆治理技术，对比分析压力-流量跟踪记录结果（如图5）。

由图5（a）可知，使用基于突水机理的全时空防治技术，注浆压力逐渐升高，注浆流量逐渐下降。当注浆压力达到峰值后，注浆流量开始大幅度下降。注浆压力超过峰值后，出现下降趋势，最终没有达到预期压力。其中，注浆压力峰值是在时间为22 min时出现的，峰值大小为3.2 MPa。在时间为80 min时，注浆压力为3.5 MPa，注浆流量为40 L/min。

图5 3种技术压力-流量记录结果分析

由图5（b）可知，使用基于最小安全厚度的筒仓理论防治方法，注浆压力先升高后降低并逐渐平稳，注浆流量逐渐下降。当注浆压力超过峰值后，出现下降趋势，最终没有达到预期压力。其中，注浆压力峰值是在时间为13 min时出现的，峰值大小为3.8 MPa。当时间为80 min时，注浆压力为3.6 MPa，注浆流量为40 L/min。

由图5（c）可知，随着时间的增加，浆压力先升高，注浆流量下降。当注浆压力达到峰值后，出现了劈裂现象，注浆液扩展范围逐渐增大。注浆压力线降低后上升，并最终达到预期压力。其中，注浆压力峰值是在时间为32 min时出现的，峰值大小为3.7 MPa。当时间为80 min时，注浆压力为4 MPa，注浆流量为14 L/min。

通过上述分析结果可知，使用隧道用水预测技术能够完成注浆转换，注浆加固作用得到强化，与实际记录结果一致。

5 结语

在发生突水、突泥后，本着安全、有效的原则，结合实际工程实际，提出了复杂岩溶区域内隧道涌水预测方法。应用帷幕注浆技术，既能达到补强、堵水的效果，又能有效地控制断层的突水、涌泥，使得破碎带的围岩得到有效加固，以此控制隧道涌水量，这对同类工程的治理具有借鉴意义。