探析岩溶隧道涌突水的原因及治理技术

摘 要: 我国岩溶地区幅员辽阔, 岩溶地区修建长大隧道时岩溶构造突水是人为激发的最严重的施工地质灾害，例如富水、高水压、暗河、溶洞及断层等问题。本文通过数值模拟和理论分析阐述了岩溶突水的止水岩柱受拉破坏、裂隙剪切破坏、裂隙水力扩张、块体失稳破坏等突水机理,并对突水压力和突水量的估算和岩溶治理技术做了介绍。通过对岩溶涌水与气温、降雨量和降雨强度、施工引起的应力分布等因素的研究对岩溶发育特征与涌突水的关系作了深入介绍并给出了判断标准。

关键词：岩溶隧道;涌突水机理; 止水岩柱;裂隙;治理技术

中图分类号：P642.25文献标识码： A 文章编号：

1引言、

近年来, 在岩溶地区修建的高水压、富水、岩溶隧道也越来越多, 在这些地区修建隧道岩溶构造突水是人为激发的最严重的施工地质灾害。开挖施工极易诱发大规模的突水、突泥等灾害；同时，突水、突泥会严重破坏地下水环境，改变地下水渗流场及补排关系，造成地下水资源减少和枯竭，导致水质污染和破坏。岩溶涌突水对施工安全、施工质量及周围环境影响很大,严重时还将影响运营和环境安全甚至带来工程灾难,因此分析岩溶隧道涌突水原因,找出涌突水的关键因素,探讨涌突水治理技术显得非常重要。岩溶隧道涌突水与隧道穿越的地质构造有关,不同岩溶构造,涌水突水特点不同,同时还与施工和降雨因素有关,另外岩溶突水还与隧道的位置及安全距离有关,但以前的研究仅局限于对具体工程的处理。

2岩溶发育特征和涌突水的类型

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层(碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等)进行化学侵蚀、崩解和机械破坏、搬运、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。

2. 1 岩溶发育特征

岩溶发育具有位置和空间形态的不确定性、充填物的不均匀性,连通的复杂性、地下水和地表水相互转化的敏捷性、流态多变性。岩溶水既可以是潜水,也可以是承压水,既有稳定流状态,也有非稳定流状态。

2. 2 岩溶涌突水的类型和危害性

根据有关理论、工程类比和岩溶涌突水现象的观察和分析,可以总结出岩溶地下水的运动规律,隧道岩溶突水主要分5种类型,其特征和运动规律及危害性如表1。

3岩溶涌突水的主要影响因素

3. 1地质原因

岩溶发育条件具备时,岩溶作用即可产生并逐步发展,侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不断扩大形成溶蚀裂隙,宽大的溶蚀裂隙继续发展成岩溶管道,岩溶管道继续溶蚀逐渐形成大的溶洞,岩溶水具有水量大而分布不均、流动迅速和集中排泄的特点。

1)可溶性岩石的向斜核部和背斜翼部容易发生

岩溶涌突水。向斜褶皱核部纵张裂隙发育,轴部易汇水,易形成溶蚀裂隙和溶洞,发育成强岩溶带或暗河;在背斜褶皱翼部发育的层面裂隙和层间滑动裂隙通常是过水通道,受溶蚀作用,易沿岩层走向发育椭圆或扁平状溶管或洞穴;与背斜和向斜褶皱直交的横张裂隙一般张开性强、岩石破碎、胶结程度差、透水性强,容易起导水和汇水的作用也是岩溶发育带。

2)断层破碎带容易发生岩溶涌突水。

断层破碎带常因导水、富水而成为岩溶富水带,张性断裂常因张开性好、构造角砾胶结松散、孔隙较大而容易形成具有较大储水空间和宽大径流通道的强岩溶带和暗河径流带或管道流,张性断裂横切褶皱或挤压性断裂,使褶皱不同部位的地下水互相连通,促进岩溶发育,共轭出现。

3)可溶岩与非可溶岩接触面、膏溶面和碳酸盐岩

层间滑动带,极易发生强烈溶蚀生成溶洞,产生岩溶涌突水。很多沿层面走向发育的地下河都处在层间滑动带上,在石灰岩、白云岩与碎屑岩或煤系地层的接触面上最易汇集地下水和发生强溶蚀作用而形成岩溶管道和溶洞突水。

4)其他含水构造、含水体涌突水。

如层状隔水层形成的含水体、岩溶地层中的孤立含水体等。

3.2施工因素

在隧道施工之前,岩体处于自然平衡状态,隧道开挖时扰动了岩体,形成临空面,并在隧道周边形成松动圈,导致原有裂隙扩张和出现新的裂隙,改变了围岩的应力状态和地下水的流动状态,加速了水循环,而岩体的破裂首先是从围岩内的节理裂隙面开始的,当充水裂隙垂直方向受拉应力作用或者裂隙面上受剪应力作用时,不高的水压即可使其产生破裂,从而引起裂隙进一步扩展,水流在扩展方向的流动和劈裂又加剧了裂隙的扩展,从而诱发隧道涌水突泥,其主要表现在以下

3个方面。

3. 2. 1 隧道开挖直接诱发涌水突泥

主要原因是, 1)爆破或非爆破开挖直接破坏含水构造周围的地层,导致止水岩柱或关键岩块失稳和破坏,岩溶水突然涌出; 2)隧道开挖直接揭穿高压、富水溶洞或岩溶管道造成隧道涌水突泥; 3)为爆破或非爆破施工导致岩体溶隙或岩溶管道扩张,造成岩体局部应力集中和破裂,岩溶水突然涌出。

3. 2. 2 隧道开挖间接诱发涌水突泥

主要原因是,爆破或非爆破开挖后导致止水岩柱和关键岩块出现变形和位移,不足以抵抗水压力、土压力和构造应力,止水岩柱受力和变形过大或关键岩块位移过大,逐渐失稳或破坏造成岩溶突水。

3.2. 3 隧道开挖面后方的涌水突泥

隧道开挖扰动地层造成围岩松散压力增大或大气降雨造成水压力突然升高,使隧道后部的支护结构不足以抵抗地层中的土压力和水压力,支护结构局部或整体发生失稳和破坏,造成隧道涌水突泥。

4 岩溶涌突水的机理

岩溶涌突水的机理是十分复杂的,不同的地区、不同的地质条件下、不同特点的工程及工程的各个部位岩溶突水机理都各不相同,根据常见的岩溶涌突泥情况,分析止水岩柱受拉破坏、裂隙面受剪破坏、裂隙的水力扩张、关键岩块的失稳4种情况。

4. 1 止水岩柱受拉破坏

经验和计算表明,在高水压作用下,岩溶区隧道开挖过程中,一定要留够一定厚度的安全岩柱,安全岩柱的厚度越大和强度越高,越不易突水,否则,很容易发生涌突泥,合理的安全岩柱可以通过工程类比法、解析法、数值计算法等方法获得。工程类比法就是根据相似条件下隧道开挖未产生涌突水的岩柱和开挖产生突水的岩柱厚度的对比分析,同时根据围岩松动圈、裂隙扩展长度等确定。

4. 2 裂隙的剪切破坏

对于软弱围岩或节理裂隙发育的岩溶隧道,岩溶突水基本符合为摩尔-库仑强度强度理论,即当土体中某点的任一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,就认为该点已发生剪切破坏,该点也即处于极限平衡状态。表达式为

Sf[SR(3)

Sf=Rtan

式中:Sf为某一溶隙或节理面上土体的剪应力;SR为该节理面土体的抗剪强度;R为作用在剪切面上的法向应力;c为土的黏聚力(内聚力);

4. 3裂隙的水力扩张

岩溶地层中存在较多的节理、裂隙,在某些情况下,其破坏主要裂隙在水压力作用下的张开和滑移,参考断裂力学[8]的最大周向正应力理论,其破坏准则为12[kÑ(1+cosH0) -3kÒsinH0]cosH02=k1c

(5)式中:kÑ为在外力作用下,Ñ型裂缝尖端产生的应力强度因子;kÒ为在外力作用下,Ò型裂缝尖端产生的应力强度因子;H0为裂缝的张开角度;k1c为材料固有的断裂韧度性。

4. 4关键块体的失稳

在高压、富水比较坚硬的岩溶地层中开挖隧道,围岩被节理和裂隙切割成各种类型的空间镶嵌块体,在隧道开挖以前,这些块体处于自然平衡的状态下,隧道开挖以后,由于应力释放和高水压的作用使关键块体失去稳定,从而导致隧道其它块体变形和坍塌,从而与含水构造连同,引发隧道涌水突泥。在断层破碎带、软弱夹层以及节理和裂隙互相切割的地层中,应特别注意隧道掉块和坍塌引发涌水突泥。

结语：

岩溶隧道施工应坚持/早探测、严注浆、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测0的原则,稳扎稳打,步步为营,确保施工安全。 高水压、富水、岩溶区隧道施工,要防止岩溶管道或溶洞的内压过大,产生爆喷型涌水突泥,因此应制定合理的处理方法,并选择合适的处理时机。

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