浅析岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势

浅析岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势

发表时间：2017-08-25T11:57:44.647Z 来源：《基层建设》2017年第12期作者：杨宝良

[导读] 摘要：岩溶隧道的突水灾害特征非常显著，如流量较大，水压较高等等，属于多种类、强突发类型，具有极为复杂的灾害演变历程，目前仍不明确灾害动力失稳的规律问题。

云南云岭高速公路建设集团有限公司云南昆明 650000

摘要：岩溶隧道的突水灾害特征非常显著，如流量较大，水压较高等等，属于多种类、强突发类型，具有极为复杂的灾害演变历程，目前仍不明确灾害动力失稳的规律问题。本文浅要分析了岩溶隧道突水灾害的形成机理，对未来灾害研究的发展趋势者进行了重点剖析，以供借鉴和参考。

关键词：岩溶隧道；突水灾害；形成机理；发展趋势

1引言

本文以云南某高速公路隧道工程为例，该高速公路隧道的全长为20km，占总线路长度的30%左右，隧道的最大埋深为1800m，隧道最长的为5.2km。该高速公路隧道均处于崇山峻岭之中，地质条件极为复杂，且岩层多为岩溶地带，施工地带地应力较高，富水较强，岩溶性较强，因此，存在极为严重的突水灾害隐患，在岩溶隧道的建设过程中，其施工安全性令人堪忧。

2 力学判据与最小安全厚度的确定

隧道突水类型以隔水阻泥结构破坏模式为基础时，可划分成两种突水类型，即充填结构失稳突水类型，以及隔水岩体破裂突水类型。

2.1 隧道隔水岩体破裂突水类型分析

隧道的岩深区域，一般特征较为明显，如渗透压力强，岩溶性强，具有较高的地应力等等，如果岩体为裂隙，突水灾害的类型，主要体现为岩体的高压水力劈裂类型，此类型在高压裂隙水的作用之下，岩体裂隙进一步扩大化，逐渐贯通，最后出现破裂。这是形成突水通道的机制，对该类型突水的判据如以下公式所示：

2.1.2 双尖点突变模型分析

如隔水岩体具有极佳的隔水性能，则其渗流灾变的整个过程并不明显，而造成隔水岩体发生破断的关键等量关系，就是高水压这种关键性荷载，其他外力干扰因缘，如爆破和开挖等因素，则成为诱发的关键因素，该模型动力失稳的判断依据如下所示：

2.3 充填结构失稳突水类型分析

隧道如具有不良地质构造特点，存在断层岩溶管道，以及裂隙较宽等问题时，将出现隧道内部的充填介质渗流问题，进而形成突水通道，诸如隧道的岩溶管道，其填充物产生渗透性失稳突水问题，或者隧道出现断层活化突水现象等，上述情况均属于充分结构方面产生的失稳突水问题。针对充填物渗透主要特点，把突水划分分充填体滑移失稳及充填介质渗透失稳两个类型。

2.3.1 隧道充填介质渗透失稳类型分析

如某隧道地质构造为充填类型，且具有较强的渗透性，如果在灾害周边出现了较大型灾害源的时候，其充填地质构造的通道，将变成突水灾害的优势，受开挖因素，以及高渗透压因素的影响，其构造内部充填介质遭受严重潜蚀，进而产生流土及管涌问题，在力学状态达到一定标准时，水将快速冲跨掉充填物，导致突水通道的形成。如夹层、裂缝、断层、岩溶管道等结构，均具有较好渗透性能。

2.3.2 充填体整体发生滑移现象分析

某些地质构造为充填类型时，如具有透水较弱的特点，一旦在周边出现较大的灾害源，其充填构造则具有双重性特点，即充水、阻水。这种充水性受多种因素影响和控制。如果充填结构地质较稳定，且具有密实的充填物，其整体结构不具备条件，形成突水通道，阻水性极佳，此类结构最易产生整体性滑移失稳现象。.

3 隧道突水灾害机理的发展动向

3.1 突水灾害源赋存规律、特征的发展动向

隧道突水灾害的量级，主要由突水地质灾害源的大小、规模、充填性质等决定，这些地质灾害源一般赋存于岩溶地层中。如灾害源，属岩溶管道类型，且具有很纯的地层岩性，或为灰岩或者白云岩，具有较大的单层厚度，非常容易发育，成为较大类型的暗河，或者大型岩溶管道系统，具备丰富水量，能够对大量势能进行存储。一般溶洞溶腔类型的灾害源，存储了较大量的静态水，能够在一瞬间，产生极大水量的突涌。而断裂构造类型的灾害源，一般在岩性接触和断层破碎带中发育，最显著的包括区域性及大断裂带。现在的研究内容，仅仅针对地质的认识方面，并未系统性的研究灾害的释放及储能等内容。因此未来，应当将研究方向放在充填型溶洞溶腔，及断裂构造型等较大灾害的赋存规律方面，重点分析其储能特点，深入探讨在释能时，固液气三相体的置换模式，进而创建储能和释放灾变模式，该模式专门针对高压大体量的灾害源。这个研究方向具有重大作用和意义。

未来，为进一步提升深长隧道施工中突水灾害的预警能力，应当寻求科学合理的理论支撑，研究充填介质的渗流特点，及充填介质的力学特点，创建分析方法，用于描述突涌水孕育时多相物质迁移，以及多相物质的转换状态，进而体现出形成过程中，充填介质的流态演化规律，以及充填介质的耦合形式，因而提取到前兆信息，且有能力判断突水灾害的基本状态。

3.3 因隔水阻泥结构破裂而产生突水通道的发展分析

隧道的隔水阻泥结构，不仅多种参数对其稳定性产生影响，其动载因素也会产生影响，这些影响因素包括水压及地应力参数等。其中突水灾害为滞后性质时，因其结构破坏动态演化较为复杂，在明确其动力失稳的准则参数时，突破性不大。对于动力失稳现象的判据，以及关于安全厚度的计算模式方面，依然存在较大缺陷，无法直接得到推演的力学参数，在实际施工中，对突水灾害的预警仍然无法有效应用。所以，深入探讨在形成隔水阻泥结构突水破裂通道时，其围岩的位移及应力等因素的变化规律，寻找动力失稳的启动前提，以及破坏模式，演化形式等具有重大意义。

4 结束语

总而言之，隧道在治理高压、大型突涌水灾害方面依然困难重重，在未来，应当深入探讨以下几点：第一、要深入探讨灾害源的释能方法，及其固液气的三相置换模式。第二、深入分析突水通道的流态演化规律，以及多相物质的迁移规律。第三、要进一步分析隔水阻泥结构的动力灾害演变过程机理。第四、积极寻求科学合理的模拟方法，用于分析突水通道破裂过程。

参考文献：

[1]李术才，刘斌，孙怀凤等. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势. 岩石力学与工程学报，2014，33（6）

[2]李术才，李树忱，张庆松等. 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究. 岩石力学与工程学报，2007，26（2）：217-225