玉磨铁路新平隧道突涌致灾机理及措施响应研究*

李永志,王 华,王世明,田洪义,刘润华,曹贵才,肖 正

(1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东 广州 511458;2.隧道掘进机及智能运维全国重点实验室,河南 郑州 450001;3.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031)

0 引言

我国隧道工程建设正逐步向高落差、洞线长、埋深大、构造运动活跃等区域延伸。受复杂地质条件的影响,隧道施工过程中,极易诱发突泥涌水等地质灾害,严重威胁隧道的施工安全[1-3]。因此,研究隧道突泥涌水灾害的致灾类型及机理是进行该类灾害风险控制及防控的重要前提。

在隧道涌水突泥致灾分类方面,石少帅[4]提出将突水致灾构造基本类型分为裂隙型、断层型、溶洞(腔)型、管道及地下河型等几类蓄水构造;贺振宇等[5]根据致灾构造成因将致灾构造分为断裂带、岩溶含水体、向(背)斜和单斜含水层、人工富水空间及水下不良地质体等几类;李术才等[6]将突水突泥致灾构造分为岩溶类(岩溶裂隙型、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)和其他成因类(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)等3类(11型)。在致灾机理研究等方面,李晓昭等[7]研究了导致突水事故发生的断层变形活化机制,提出了突水与断层活化间的时空效应特征;王鹰等[8]运用地球化学和断裂力学有关理论,对圆梁山隧道突水机制进行研究,得出隧道开挖改变了岩溶地下水循环系统的平衡,特别是深埋隧道在高压水作用下,施工爆破等作业使围岩裂隙的连通性增大,张开度增加,围岩体内裂隙发生扩展是最终形成大岩溶管道的关键;龙洪[9]对关西隧道突泥机理进行研究,认为背斜轴部岩体裂隙发育及地表积水洼地是导致突泥灾害的主因;王章琼等[10]从推覆构造区域地质背景出发,通过分析灾害发生过程及特征,结合隧址区工程地质和水文地质条件,获得变质片岩隧道涌水灾害成因机制。然而,隧道突泥涌水等地质灾害的致灾机理,并非单一因素或简单的水-岩相互作用所致,而是不良地质与地下工程活动综合作用的结果,还应从多角度进行探讨分析。

本文基于玉磨铁路新平隧道突泥涌水工程实例,分析致灾相关因素,对突泥涌水的致灾类型进行分类,并对各类致灾机理进行总结、分析,提出各类突涌事故的防控及治理措施。

1 隧址区地质概况

图1 新平隧道地质断面

2 隧道突泥涌水致灾机理分析

基于新平隧道的突涌案例,对隧道突泥涌水机理进行分析。

2.1 案例简介

2.1.1案例1

图2 新平隧道D1K60+849.2

结合该案例,其致灾的相关原因分析如下。

1)该处为出口洞口浅埋段,地表有泉点出露,流量约1L/s,该地层为富水地层,其地下水位线距拱顶约25m,含丰富的松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及断裂构造裂隙水。

2)该段围岩为强风化变质砂岩夹黏土,强度低、胶结性极差,差异性风化显著,主体为碎石状～散体状结构;节理裂隙发育,岩体破碎～极破碎,掌子面多宽张节理,夹泥,洞口浅埋段,稳定性极差。

3)受扬武-青龙厂大断裂及阿不都逆断层的影响,尤其是逆断层,一般为压性断层,常出现较强烈的挤压破碎现象,致使隧道围岩整体破碎,局部极破碎,导水通道发育且导水能力强。

4)隧道采用三台阶开挖,开挖上台阶时拱架类型采用I20,间距为0.6m,据施工台账显示,在该处采用小导管注浆(4m)和径向注浆,超前支护强度不足。

阿不都逆断层距突泥涌水处约50m,构造发育,为天然的导水通道,该断层破碎带内,角砾岩多磨圆或磨光,在地下水作用下,更利于搬移、滚动;随着施工开挖的扰动及隧道开挖支护强度的不足,破碎岩体携裹着断层角砾岩及裂隙中黏土,途经导水通道蜂拥而出,诱发了突泥涌水等灾害。

2.1.2案例2

图3 新平隧道D1K58+899

结合该案例,其致灾的相关原因分析如下。

1)雨季降雨相对集中、连续,水源补给充足。

2)该段围岩为强风化板岩夹变质砂岩,强度低,板岩泥质胶结、结合性差,其抗风化和防水能力较差、饱和吸水性较强,极易出现浸水软化现象,主体多为碎石状结构;变质砂岩,强度相对略高,主体呈碎块石状结构;掌子面节理裂隙发育,岩体破碎,局部夹泥,稳定性较差。

3)埋深相对较浅,地表呈洼地地势,两侧为山体斜坡,地表水易汇集;大气降雨后,可沿坡面汇集至该处,并能将地表水快速导运至隧道拱顶处;为富水地层,含丰富的松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

4)施工开挖过程中,按IVb级围岩进行处理,采用IVb的支护类型,而实际揭示围岩为Va级,存在施工支护措施不足等问题。

隧道施工过程中,受连续降雨及地下水影响显著,原有支护强度无法适应现有围岩劣化后所需的结构稳定环境,加速诱发了隧道突泥涌水等灾害。隧道现场突泥涌水如图4所示。

图4 新平隧道现场突泥涌水

2.2 新平隧道突涌机理分析

2.2.1构造与突涌致灾机理的相关性

新平隧道出现突泥涌水等地质灾害,与构造作用关系密切,如断层、断层破碎带、岩性接触带等。隧道沿线穿越数条断层,其中大部分为逆断层、局部区域遭遇正断层。根据断层特点可知,逆断层多为压性断层,在外部条件作用下,常出现较强烈的挤压破碎现象,但其破碎带宽度一般相对较窄;正断层多为张性断层,断层带内岩石破碎相对不强烈,但其破碎带宽度较宽,且相较于压性断层带,带内岩石具有更松散的结构,更大的孔隙率及渗透率,导水性更佳,外在地灾表现形式一般以涌水为主、突泥为辅;压性断层受挤压作用,带内岩体结构相对致密,但岩体更破碎,外在地灾表现形多以突泥为主、涌水为辅。

同时,区内新构造运动强烈,受地质构造作用影响,挤压破碎带发育,层理出现扭曲、拖拉现象,岩体挤压强烈,节理裂隙发育,多呈碎石角砾状～散体状,形成透水性较好的过水通道,而板岩在遇水后,出现软化、崩解或泥化变成软弱夹层,其强度急剧下降,逐步演化成为蠕滑面,最终诱发了隧道突涌事故。

2.2.2隧道围岩岩性与突涌致灾机理的相关性

对玉磨3标隧道突涌案例进行统计分析,得出围岩岩性与突涌事件的相关关系,板岩地层发生突涌灾害次数居多,如图5所示。

图5 隧道围岩岩性与突泥涌水事件相关性

岩石的工程力学特性主要由岩石的矿物成分及结构所决定。研究区域围岩主要为板岩,其次为砂岩、页岩,板岩一般具有密集板状劈理,变晶结构较致密,其成分多为石英、长石等碎屑矿物及绢云母、绿帘石等黏土矿物;砂岩主要由砂粒胶结而成,碎屑结构,矿物多为石英、长石,含量一般相对较高;页岩主要由黏土脱水胶结而成,具有明显的薄层理构造,矿物成分多为伊利石、伊蒙混层,石英、长石等。

板岩富含一定量的黏土矿物,整体强度低,遇水易出现膨胀、软化、崩解。这就导致富水地层中,其结构受胶结作用劣化影响变得松散,从而使该类岩石的强度及力学性质发生显著劣化。李波[12]在对隧道围岩在爆破-地下水协同作用下岩性劣化机理的研究中发现,富水地层中,长期累积爆破产生的爆炸应力波与爆破气体会与地下水发生协同作用,共同劣化隧道围岩的各类性质,石英和长石等碎屑矿物含量随累积爆破及地下水作用的反复影响而不断降低,从而加速弱化了板岩的强度与力学性能。这也进一步解释了玉磨铁路沿线突泥涌水等灾害多发生在板岩地层的原因。

玉磨铁路沿线砂岩主要为泥质砂岩,强度相对较弱,透水性相对较强,受断裂、断层或向(背)斜构造影响,岩体破碎。尤其是逆断层附近,挤压作用更强烈,使砂岩更破碎。上述现象造成砂岩被挤压分割为若干极小碎块,碎块越小,块体越圆润[13]。此形态的颗粒物质摩擦阻力小,在外力作用下极易诱发灾害,这也补充说明了案例1中砂岩致灾的相关机理。

页岩主要由黏土岩变质而来,强度低,其水-岩机理与板岩类似,因玉磨铁路沿线遭遇此类岩石的次数不多,此处不再赘述。

围岩岩性与诱发灾害的成因密切相关,施工建设过程中,应对具体岩性进行具体分析。

2.2.3地下(表)水与突涌致灾机理的相关性

地下水是诱发隧道突涌的有利条件,补给能力的大小对隧道涌水量及持续性同样具有重要影响。一般而言,雨季或雨量充沛地区,地表水及地下水量相对较富存,诱发隧道涌水突泥的概率也相对较大;而地下水压相对较高时,同样易引发规模性的塌方及突涌事故。

新平隧道沿线地表起伏相对较大,西南地区雨量相对充沛,降雨后雨水多通过地表洼地及裂隙通道下渗,而该隧道沿线节理裂隙发育,结构面延伸性及贯通性较好,为地下水远距离运移提供了通道;同时,测区内基岩裂隙水较发育,盆地边缘或沟谷坡脚多见线状泉水,破碎风化岩体受到地下水流的冲刷搬运,连接性及完整性降低,更不利于围岩的稳定。

2.2.4施工措施与突涌致灾机理的相关性

以玉磨铁路新平隧道为例,隧道全长14 835m,设计围岩Ⅱ级460m,Ⅲ级6 830m,Ⅳ级5 390m,Ⅴ级2 155m,占比分别为3.1%,46.04%,36.33%,14.53%。Ⅳ级、Ⅴ级围岩总占比达50.86%。施工揭示围岩级别Ⅱ级3m,Ⅲ级120m,Ⅳ级5 067m,Ⅴ级9 645m,占比分别为0.02%,0.81%,34.15%,65.02%。Ⅳ级、Ⅴ级围岩总占比达99.17%。Ⅴ级围岩实际总长度与设计Ⅴ级围岩长度相差甚大,两者对比如图6所示。

图6 隧道围岩设计-实际揭示级别情况对比

由图6可知,设计围岩级别高于实际揭示围岩级别,易造成开挖扰动相对较大、实际支护强度不足等问题。据统计,新平隧道先后发生突泥涌水31次,突涌量达6.7万m3,其中在V级(实际揭示)发生的多达24次。

实际揭示围岩级别与设计围岩级别相差较大,且揭示围岩情况弱于设计围岩,造成实际支护强度不足,超前预加固措施不到位,开挖扰动较大等问题,则洞内发生地质灾害的概率相对较大。

基于以上分析,认为新平隧道致灾频繁的内在因素主要归结于隧道沿线围岩多为炭质(泥质)板岩、炭质页岩等软岩,力学强度低,开挖变形大;外在因素主要归结于设计围岩与开挖揭示围岩级别相差较大,设计支护强度无法满足实际支护需要;其次,沿线构造较发育,使裂隙更发育、围岩更破碎;而沿线地表在接受大气降雨补给后,迅速在洼地汇集,沿岩层间裂隙贯入,运移至隧道区内,使隧址区内围岩加速劣化,助推了隧道灾变的发生。

3 隧道突涌的致灾类型

新平隧道施工过程中,累计发生突泥涌水31次、累计突涌量约6.7万m3。在诱发隧道突泥涌水等灾害因素中,区域构造是控制因素,主导着围岩的完整程度及地下水的径流方向;地层岩性[14]是基础因素,其围岩的矿物成分、软硬强度及是否具有膨胀性,直接影响地下水是否赋存及水-岩相互作用的可能性;地形地貌、降雨、水文地质是重要因素,影响地表水的汇集及地下水的渗流量大小;施工是关键诱发因素,施工工法、支护参数等选用不当都可能直接诱发隧道发生突泥涌水等地质灾害。

基于隧道突涌的机理,从隧道的致灾因素出发,提出隧道突涌的致灾分类。其类型的划分关键在于致灾因素的汇总分析;某种程度上,主要体现在致灾因素影响程度的区别,如施工措施等因素,往往是因为设计围岩与实际揭示围岩存在差异,且实际揭示围岩级别低于设计围岩级别,支护参数偏弱、开挖扰动相对较大,使施工措施等因素影响度相对偏高,这是造成隧道涌水突泥的最主要因素;又如岩性等因素,软岩隧道开挖过程中发生变形、坍塌等风险相对较高,主要归结于软岩的强度低及泥化、软化等劣化性质,受水等外界应力的影响较大,极易诱发变形、溜坍等地质灾害;富水等因素是造成隧道灾变的助推剂,补给来源较广泛,大气降雨、构造裂隙水、基岩裂隙水等地下水的渗流、水化作用,使围岩强度、支护强度等劣化影响显著提升,造成了隧道灾害的发生;与此同时,即使隧道某一段在施工过程中,地下水相对弱发育,但仍有发生灾变的可能,如构造作用、软岩及支护强度偏弱等综合因素,亦会诱发隧道灾变。

结合新平隧道突涌特征及机理分析,将该区域致灾类型划分如下:①构造-岩性-富水-施工措施;②构造-岩性-弱水-施工措施;③岩性-富水-施工措施。致灾类型及其特征如表1所示。

表1 隧道突涌致灾类型划分

依据致灾机理分析,可将案例1致灾类型划分为①构造-岩性-富水-施工措施型,方案2致灾类型划分为③岩性-富水-施工措施型。同时,新平隧道隧址区域岩溶不发育,不再考虑岩溶类的致灾类型;从作用机理上分析,降雨仅加速了地下水的渗流及增加赋存量,可统一按富水等因素予以考虑。

岩性-弱水-施工措施的致灾类型较其他类型的致灾机率相对较小,且在新平隧道灾变的结果统计中,仅有小规模的溜坍等灾害,此处不再赘述。

4 隧道突涌灾害防控措施

4.1 隧道灾害防控工作流程

隧道灾害防控工作流程如图7所示。①依据地质、水文、气候、勘察及设计等综合基础资料,评估区域内可能诱发灾害的位置;②初步分析、评判隧道发生灾害的种类;③依据地质灾害种类,分析、归纳其致灾的相关因素,并掌握相应致灾的机理;④依据隧道超前地质预报、围岩监控量测情况与实际开挖揭示进行对比判别,若开挖揭示围岩情况或预测预报围岩情况与设计一致,则暂可按照原有设计施工措施,进行防控,若不一致,根据开挖揭示情况,及时反馈给业主、勘察、设计、监理,及时调整施工工法、防护措施,降低隧道施工灾害风险,确保隧道安全施工。

图7 隧道灾害防控工作流程

4.2 隧道突泥涌水灾害防控措施

针对玉磨铁路新平隧道致灾类型,结合相关学者[15-18]研究成果及现场实际情况,提出相应致灾类型的灾害防控措施,如表2所示。

表2 隧道突泥涌水灾害防控措施建议

4.3 分析及讨论

几类致灾类型主要依据相关的致灾因素组合形式进行区分,而其中一些致灾因素,如含水量、施工措施等,又随实际情况在不断调整、变化,当此类因素逐步演变成致灾的主因后,也直接诱发了隧道地质灾害的发生。因此,文中所述的几种灾害类型,在某种层面上可进行类型转换。其关键在于在初步划分灾害类型后,还应着重分析、判断导致此类事故的主因,再考虑是否需调整灾害类型;随着外部环境的变化,还应进行灾害预判,考虑是否需重新调整灾害类型。

相对于几类致灾类型所对应的防控措施,其主要区别在于各类灾害类型所对应的致灾主因有所不同。因此,在实际灾害治理过程中,需针对该类主要致灾因素先行处理,而后循序渐进采用相关措施处理。

基于以上分析,在隧道施工过程中,可依据超前地质预报、监控量测等手段,对隧道地质情况进行简易判别;并对比设计等基础资料,自查现有支护措施是否满足实际支护要求,初步做出灾害类型划分。当遇持续性降雨或地下水量与原有设计存在出入时,还应适时考虑调整灾害类型,重点考虑地下水对诱发灾害的影响,及早排除地下水或降雨对隧道安全造成的隐患,预防隧道地质灾害的发生。

5 结语

1)新平隧道突涌的主要根源在于围岩自身的低强度、开挖易变形特性,在设计围岩与实际揭示围岩存在较大差异的情况下,施工支护强度存在不足,伴随着沿线构造及地下水的劣化作用,加速了隧道的灾变生成。

2)系统分析了新平隧道致灾原因,进行了隧道致灾类型划分。

3)提出了隧道灾害防控的工作流程,应加强现场地质预报、监控量测、开挖揭示比对等基础工作,重点评判异常区与现有的设计支护参数符合程度,为隧道开挖支护提供依据。

4)针对新平隧道现有的致灾类型,提出了相应的灾变防治措施。

5)结合实际,明确可能致灾的几类因素,掌控灾害源的发展及规模,动态调整隧道致灾类型,针对性地采取防控措施,力争进一步降低隧道致灾风险,确保隧道施工安全。