隧道工程突水机制及对策

隧道工程突水机制及对策

摘要：为了有效防治隧道工程发生的水害问题，可以利用系统分析的方法和岩

体结构的控制理论等，对其突水机制和对策进行研究。从研究结果中可以看出，

水源的充足性和顺畅性是非常重要的，同时，还要按照优势指标对隧道工程当中

的断裂突水等级进行评价，本文借用G310（省界）大力加山至循化公路工程卧龙沟1号隧道出口左线洞内反坡排水工程案例，对隧道工程突水机制和对策进行分析。

关键词：隧道突水；突出机制；对策

现阶段，我国在基建工程上的数量突飞猛进，建设施工业得到了迅猛发展。隧道工程

的建设是基建建设过程中非常重要的一部分，有助于交通运输业的有效性发展。隧道工程项

目施工技术进步与升级是人民群众需要大量关注的问题，所以，要注意存在的安全问题，通

过对科学的方法和有效的技术的运用，减少危险事故的发生率，进而推动隧道工程施工的顺

利开展。

一、隧道工程的突水机制

（一）水源的分析

水源水量的充足性是导致隧道工程发生突水问题的重要因素。可以从被收集的隧道资

料中看出，主要存在五种水源。一是，隧道所在地的含水层，例如承压含水层。施工时，当

对地下含水层分布问题不重视的话，就会在施工过程中发生很多突水问题；二是，当隧道工

程的上方具有水库或者是工程在江、河、海底部存在，那么，水源的分布就会非常集中，很

容易发生突水现象；三是，一些隧道工程周围具有溶洞和采空区，有大量的积水；四是，一

旦出现洪灾，洪水就会沿很多通道达到地下，倒灌在隧道内；五是，很多富水优势的断裂层

具有含水层特征，该断裂层会成为出水通道。

（二）通道分析

原生断裂和施工扰动之后的活化或者是扩展断裂都是断裂的重要原生通道。所指的原

生通道是断裂，与之相应的在施工扰动之后的活化也是断裂活化。断裂带具有较好的透水性，一般而言，断裂带本身是指地下水储集的地方，但是如果断层和某种含水层之间的水力联系

比较好，就会成为地下水的传输通道。

对断裂富水性和导水性造成影响的主要原因有，断裂时间性和断裂规模与空间结构以

及力学性质等。

1.断裂规模和空间结构的分析

新构造的断裂控水，不一定具有富水性，只会在断裂长度和深度上具有一定规模的话，就会具备地下水运动以及储集空间，就会富水。如果断裂不但具有含水层，同时，还是导水

通道，这时才会出现突水事故。

就算属于富水优势的断裂，还是一些段或者是某些部位的含水，不一定所有都是含水的，含水部位的富水性不一定都相同。大断裂部位受力不均匀，因此，各位置的发育裂隙性

存在很大差异，富水性不均匀，因此，具备断裂富水性分段特征。比如，压性断裂，断裂面

的部分位置受到局部张应力的影响，比如舒缓波状断裂平缓段和断裂面的转弯位置与主干断

裂以及分支断裂的交会位置。除此之外，如果一条断裂从不同岩性中进行穿梭，因为岩性存

在差异，造成断裂不同部位的裂隙发育具有一定的差异。

2.施工扰动

如果隧道工程在施工时和富水的优势断裂进行连接，发生突水事故的几率就非常大。

然而从很多工程实例中可以看出，原始的地质条件非导水断裂，还是会发生突水问题。因此，可以看出，就算在开挖之前运用超前探水的策略，已经明确断裂的导水性，还是不能够对突

水事故的不发生进行保障。因为在该突水灾害当中，断裂富水和导水，并不是原始地质背景

下所具有的，是开挖扰动所造成的断裂变形。导致突水的断裂被称为“人工活化断裂”。

3.断裂的两盘岩性

断层的两盘岩石性质对断层充填物本身的岩性和结构造成影响，同时，还对断层带宽

度和破碎程度以及裂隙发育的程度造成直接影响，进而，直接影响断层带本身的富水性以及

导水性。

如果构造破坏的强度一致，不同性质的岩石裂隙在发育特点上存在一定差异，泥岩和

页岩与凝灰岩以及枚岩等多种软弱塑性岩层断层带破碎非常少，具有较好的充填效果，同时，密度也比较大，延伸性不好，不能储存并传导地下水。石英岩和石英砂岩与多数在岩构造裂

隙发育中侵入的岩石，都比较稀疏，然而张开度非常好，延伸的长度也比较大，储集与传导

地下水的性能非常好。此外，石灰岩等容易溶岩石的构造裂隙的张开度也比较好，具有较好

的延伸性，可溶性的岩石当中的溶孔和溶隙与溶洞在地下水的含量上非常大，如果和断层裂

隙一起组合为较复杂的含水系统，工程开挖的过程中就会容易出现突水事故。

断裂破碎带岩石，也就是断层岩特点和断层的性质密切相关。普通张性断层的岩疏松

裂隙会逐渐张开，压性断层的变形挤压并紧闭，其中扭性断层在两者之间。上述特点对断层

的透水性造成直接影响。

除此之外，断层岩性质还受到断层两盘岩石性质的影响。脆性岩断层岩碎粒的空隙非

常大，具有较好的透水性。但是塑性岩层例如页岩等，由于断层两盘之间的相对位移被拖曳

挤入，填于断层带中，促使其阻水性能比较好。一般阻水性和塑性岩层本身的厚度是正比例

关系，但是和塑性岩层距离是反比关系。也就是随着远离塑性的岩层，减少断层带当中的塑

性物质，阻水的性能也相对减小。

4.断裂时间性

断裂经历了自己的发展史，在不同时期，其所呈现的特点也就不同。断裂面一直在演化。其形成的越早，断裂面的胶结就会越好，总是会“愈合”，没有较好的断裂导水性能；但

是断裂的形成会越来新，断裂本身的切割性和连通性就会越好，具有较少的充填物，断裂带

胶结比较差，较强的富水和导水性能。断裂走向和活动性之间的关系非常紧密。新断裂具有

比较明显的方向性，与此同时，还在方向上具有一定的变异性，因为我国大陆东和西两单元

的构造活动在地史上具有非同步性，其应力场复合的叠加效应可以在一定程度上对方向本身

的鲜明性进行弱化。对先前构造进行继承的前提下，发展为新的构造断裂，构造继承性对构

造方向本身的鲜明性造成影响。所以，在具体的应用过程中，不但要对新构造断裂的方向性

进行掌握，还要对其进行教条化，值得一提的是，具体的应力场与边界条件所造成的影响。

5.断裂力学特征的分析

张性断裂是导水与富水的，随后才是扭性断裂，但是压性断裂并不属于导水的。所产

生的张性与张扭性断裂受到低围压条件的影响，一般情况下，张开的程度非常大，具有不平

的断裂面，破碎带当中的破碎物都是大小不一的棱角状的岩块角砾岩。破碎物具有疏松和空

隙发育的特点，同时，在透水性与含水性上都非常强。

压性与压扭性断裂受到高围压的作用，同时受到强烈挤压所形成，具有较好的闭合性，破碎带的物质主要是压碎岩和强烈片理化与糜棱岩化粉碎性的物质，在透水性与含水性上比

较差。然而具有较大规模的压性以及压扭性断层，其两盘都是脆性或者是可溶性的岩石，就

会对带裂隙的发育造成影响，还是具有一定的含水条件。所以，对于该类断层富水性的判断，还需要进行深入的研究。然而一般压性的断层和生裂隙构造相伴，是发育比较好的。扭性断

层带的构造裂隙在发育上处于张性和压性两者间，张扭性的断层裂隙具有较大的张开度，压

扭性断层的裂隙具有张开度小的特点。

此外，很多扭性断裂面都是倾向陡立，并且具有低序次张性的断裂发育，容易受到地

表水补给以及地下水垂直渗入，经过强烈冲刷与溶蚀作用，让裂隙张开的程度越来越好。所以，扭性断裂面导水性能并不见得比张性断裂面差。

然而，如果部分大规模的压性断裂两盘属于脆性或者是可溶性的岩层，上盘会对带裂

隙发育造成直接影响，一般具有含水条件。断裂属于先压后张时，具有张性断裂的疏松多隙

破碎带与压性断裂非常宽的影响带，受到适当岩性条件的影响，具有非常强的富水性。入股

断裂为先扭后张，受到剪应力的影响会先成断裂面光滑，后期受到拉张应力的影响，断裂面

的张开度逐渐增大。

（三）工程案例分析

1.工程概况

G310（省界）大力加山至循化公路工程卧龙沟1号隧道是一座上、下分离的四车道高

速公路小半径曲线隧道，右线起讫桩号：K6+008～K8+562.63，全长2554.63m，纵坡为2.3%；