隧道工程施工建設(shè)常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害及治理

1、2022/7/25西南交通大學(xué)1隧道工程施工建設(shè)常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害及治理 主講人：巫錫勇教授 西南交通大學(xué)前言 普遍存在于隧道及其它地下工程中的地質(zhì)災(zāi)害，是隧道工程建設(shè)的大敵。因此探討隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，研究其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及防治對(duì)策，對(duì)隧道工程建設(shè)將具有重要的意義。 在隧道及其它地下工程中，經(jīng)常發(fā)生由于地質(zhì)作用和人類工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起的災(zāi)害，有的還相當(dāng)嚴(yán)重，是隧道工程建設(shè)中的重要問(wèn)題。地質(zhì)災(zāi)害作為其中的一種，有其固有的形成條件，其發(fā)生發(fā)展也有一定的規(guī)律，但對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)目前還不夠深入，規(guī)律亦尚未完全掌握，特別是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)尚無(wú)突破性的進(jìn)展。 人們意料中的地質(zhì)災(zāi)害，并不可怕，也不是不可戰(zhàn)勝，

2、但意料之外的地質(zhì)災(zāi)害，往往給人以措手不及之感，甚至還會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)災(zāi)難，輕則停工、停產(chǎn)、延緩建設(shè)速度，重則造成機(jī)毀人亡，工程報(bào)廢。 正確、合理的防治措施，將起到抑制或減輕災(zāi)害危害程度的作用。相反，若不加以重視或采取錯(cuò)誤的對(duì)策，將加重災(zāi)害的程度，甚至起到誘發(fā)災(zāi)害發(fā)生的作用。 因此，探討隧道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展規(guī)律，研究預(yù)測(cè)出現(xiàn)災(zāi)害的可能時(shí)間、空間位置的技術(shù)方法，預(yù)見(jiàn)災(zāi)害的危害程度，以及研究災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，防治對(duì)策，將具有重要的意義。隧道地質(zhì)災(zāi)害概述 隧道地質(zhì)災(zāi)害具有普遍性，現(xiàn)以中國(guó)鐵路建設(shè)為例概述之。例一，成昆鐵路。全線有415座隧道，施工期間約有25%的隧道發(fā)生過(guò)較大型的塌方；93.5%的隧道發(fā)生過(guò)

3、不同程度的水害，其中涌水量超過(guò)10000m3/d的有8座；有多座隧道出現(xiàn)地下水對(duì)混凝土的腐蝕，含鹽、含石膏地層的膨脹，以及巖溶塌陷、瓦斯、地?zé)岷蛶r爆等災(zāi)害。例二，穿越于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的秦嶺、大巴山、云貴高原等山區(qū)的寶成、襄渝、貴昆、川黔、湘黔及枝柳鐵路等，都修建了大量的隧道工程，在隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，除發(fā)生大量的規(guī)模不同的塌方外，許多隧道還出現(xiàn)了洞口仰坡變形、洞身偏壓在巖溶地區(qū)，大部分隧道還遇到了嚴(yán)重的巖溶涌水、突泥和巨大洞穴以及地表塌陷等災(zāi)害。例三, 近年來(lái)修建的衡廣復(fù)線、大秦鐵路, 也有許多隧道發(fā)生了較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害如著名的大瑤山隧道中段，就發(fā)生了巖溶管道涌水、涌砂、地表大量塌陷和塌方

4、等災(zāi)害南嶺隧道則遇到了以嚴(yán)重巖溶涌水、大量突泥為特點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害，僅下連溪一段，最嚴(yán)重的一次突泥就達(dá)8000m3，堵塞了施工坑道長(zhǎng)達(dá)177m。按隧道地質(zhì)災(zāi)害的成因和特性，可將其分為以下四種類型：（一）圍巖的變形破壞這類災(zāi)害主要由于圍巖的屬性、結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的性狀及應(yīng)力條件不利而引起。包括： 1、軟弱巖體的變形破壞：主要破壞形式表現(xiàn)為大的變形位移和滑塌等； 2、破碎巖（如斷層破碎帶、風(fēng)化帶等）的變形破壞主要表現(xiàn)為大量的掉塊、滑塌、崩塌和泥砂石流等； 3、塊狀巖的變形破壞主要表現(xiàn)為局部掉塊； 4、堅(jiān)硬脆性巖的巖爆多發(fā)生于深埋、高應(yīng)力區(qū)的隧道中。（二）涌水、漏水災(zāi)害這類災(zāi)害主要是由于隧道的開(kāi)鑿，破壞或

5、改變了隧道所在地區(qū)原來(lái)的水文地質(zhì)環(huán)境, 隧道成為新的良好的地下水排泄通道引起。災(zāi)害的主要形式包括： 1、破碎巖的裂隙、縫隙滲水、漏水、涌水； 2、巖溶裂隙水、管道水的涌出，以及攜帶大量泥砂的突泥、突砂。（三）地面沉降和塌陷由于隧道開(kāi)挖及大量抽排地下水引起。包括： 1、淺埋隧道、城市地鐵或大型管道開(kāi)挖及大量抽取地下水造成的地面沉降； 2、巖溶地區(qū)隧道開(kāi)挖排放大量地下水造成的地面塌陷和泉水枯竭。（四）其它地質(zhì)災(zāi)害主要包括： 1、有害氣體如瓦斯突出造成的災(zāi)害； 2、地下水對(duì)隧道建筑物的侵蝕、腐蝕作用引起的災(zāi)害； 3、隧道的凍融災(zāi)害； 4、高地溫災(zāi)害； 5、地震災(zāi)害。特長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害及其特殊性 隧道施

6、工地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的普遍機(jī)制及其分類 廣義的隧道地質(zhì)災(zāi)害從時(shí)間上可以分為施工地質(zhì)災(zāi)害和運(yùn)營(yíng)災(zāi)害兩大類。前者是指施工期間，由水、巖、熱、氣等構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)挖過(guò)程形成的人工擾動(dòng)的一種正常反應(yīng)，反應(yīng)的形式和程度不同，災(zāi)害的類型和規(guī)模也就不同； 后者是指隧道運(yùn)營(yíng)期間，由于設(shè)計(jì)不合理、施工方法不當(dāng)或施工質(zhì)量不過(guò)關(guān)等因素，而出現(xiàn)的與地質(zhì)環(huán)境有關(guān)的影響列車正常通過(guò)的各種問(wèn)題。如漏水、涌水、涌泥、翻漿冒泥、仰供破裂、襯砌內(nèi)鼓及洞門塌方等。這里主要討論隧道施工的地質(zhì)災(zāi)害。 盡管人類為各種目的修建的各類隧道長(zhǎng)度越來(lái)越大，但從宏觀角度來(lái)看，即使最長(zhǎng)的隧道和地球的半徑相比仍然是十分渺小的；從隧道工程及觸及的深度來(lái)

7、看，基本限于巖石圈淺表部硅鋁層的風(fēng)化卸荷帶及其附近的新鮮巖帶內(nèi)，修建隧道的主要目的還限于克服地球表面的高山和水體對(duì)工程活動(dòng)的阻隔。 由于受到內(nèi)力和外力地質(zhì)作用的聯(lián)合影響，風(fēng)化卸荷帶及其附近的新鮮巖帶內(nèi)各種成因、不同次序的非連續(xù)結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育，使其成為巖石圈中連續(xù)性、整體性最差的層圈。同時(shí)該層位又是地下水最主要的賦存場(chǎng)所，地球的陸地部分就像被籠罩在一層飽水的海綿里一樣。此外，來(lái)自地核的熱能還通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流等方式向地表散射，即存在所謂的地溫梯度。 不僅如此，地球表面還存在一系列的溫異常區(qū)，構(gòu)造發(fā)育的褶皺山系就是地溫異常的多發(fā)區(qū)之一。煤層、煤系地層是十分普遍的巖性組合之一，做為隧道圍巖，其中蘊(yùn)涵的瓦

8、斯對(duì)子隧道施工是一個(gè)巨大的威脅。 因此，隧道工程往往是修建在由水、巖、熱、氣等構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)之內(nèi)的。天然情況下，該系統(tǒng)具有自身的(動(dòng)態(tài))邊界(力學(xué)、補(bǔ)給或排泄)，系統(tǒng)各構(gòu)成要素或不同要素之間維系著一種動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系。 隧道的開(kāi)挖，相當(dāng)于在一定空間范圍內(nèi)改變了系統(tǒng)的邊界(對(duì)于巖體)或增加了輸出邊界(對(duì)于流體)，這樣，系統(tǒng)本身就必然按照其固有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)此作出反應(yīng)，具體表現(xiàn)則為隧道附近一定范圍內(nèi)的圍巖破壞，水、熱、瓦斯氣向隧道排泄。當(dāng)這種反應(yīng)形式過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，便演化為施工地質(zhì)災(zāi)害。 根據(jù)地質(zhì)系統(tǒng)對(duì)隧道開(kāi)挖的反應(yīng)形式，可以對(duì)施工地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行如下圖所示的分類。 對(duì)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分類的目的，

9、在于研究其發(fā)生規(guī)律并進(jìn)行超前預(yù)報(bào)和防治，其中規(guī)律研究是基礎(chǔ)。從物理形態(tài)和對(duì)開(kāi)挖的反應(yīng)形式上看，隧道周圍環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)成要素基本上可以分為固體及流體兩大類。軟巖在通常情況下具有固體特征，但在開(kāi)挖條件下向隧道運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有顯著的流體特征，因此，將其劃歸準(zhǔn)流體單獨(dú)列出。 顯然，將隧道施工地質(zhì)災(zāi)害按構(gòu)成圍巖系統(tǒng)的物質(zhì)的物理形態(tài)進(jìn)行分類，將有助于災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)制研究。需要指出的是，盡管從物理形態(tài)上硬巖、軟巖、水、瓦斯等是可以分開(kāi)的，但是，無(wú)論是天然條件下，還是開(kāi)挖環(huán)境下，它們的變形、運(yùn)動(dòng)往往都是互相聯(lián)系、彼此影響的，即(巖體)應(yīng)力場(chǎng)、(水和瓦斯)滲流場(chǎng)和(地溫)溫度場(chǎng)之間存在藕合作用。 一個(gè)典型現(xiàn)象是，開(kāi)挖后

10、，形成地下水的人工排泄邊界，隧道附近水力梯度加大，對(duì)結(jié)構(gòu)面的潛蝕作用變強(qiáng)，最后導(dǎo)致裂隙開(kāi)度增大，巖體強(qiáng)度減弱，變形加劇，并形成新裂隙，這些新裂隙反過(guò)來(lái)又促進(jìn)地下水向隧道的匯流，如此反復(fù)。 同時(shí)，隧道與正常地溫場(chǎng)之間的溫度梯度也因水的強(qiáng)烈徑流而增大，從而促進(jìn)了熱向隧道的傳輸。因此，既要看到不同物理形態(tài)變形、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異，同時(shí)也不能忽視它們之間的相互聯(lián)系。 上面所述的各類地質(zhì)災(zāi)害一般不會(huì)在一座隧道的施工中同時(shí)出現(xiàn)，但是兩種以上災(zāi)害同時(shí)發(fā)生的情況也是不少的。最典型的例子是辛普倫隧道，施工期間同時(shí)發(fā)生了軟巖大變形、高地溫和大涌水，而我國(guó)的家竹臀隧道則同時(shí)發(fā)生了大變形和高瓦斯。 應(yīng)該說(shuō)，隧道施工地質(zhì)災(zāi)

11、害是自然環(huán)境對(duì)人工擾動(dòng)的一種正常反饋，其發(fā)生有一定的必然性。相同環(huán)境下，災(zāi)害的嚴(yán)重程度取決于人工擾動(dòng)的程度，因此，降低開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)減災(zāi)的目的。當(dāng)災(zāi)害不可避免時(shí)，通過(guò)超前預(yù)測(cè)并采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧瑯涌梢赃_(dá)到降低災(zāi)害損失的目的。 特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的特殊性 盡管上文所述的各類地質(zhì)災(zāi)害在不同長(zhǎng)度的隧道施工中都可能出現(xiàn)，但是特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害及其研究工作與中、短隧道具有一系列不同之處，這主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： (1)相對(duì)于中、短隧道，特長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害研究的意義更加重大。對(duì)于中、短隧道，由于長(zhǎng)度和施工周期短，即使施工中遇到較嚴(yán)重的災(zāi)害間題，一般不會(huì)嚴(yán)重制約整條線路的工期;此外，如果前

12、期預(yù)測(cè)的災(zāi)害問(wèn)題比較嚴(yán)重，改道饒行也不至于嚴(yán)重惡化線形質(zhì)量。特長(zhǎng)隧道工程巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)，長(zhǎng)隧道的成功不僅將極大地改善線路的運(yùn)營(yíng)條件，將具有“一勞永逸”的效果;如果失敗或不順利，不僅會(huì)嚴(yán)重影響工期，成為整個(gè)線路通車的卡脖子工程，而且可能為運(yùn)營(yíng)留下不易根治的后患，因此，特長(zhǎng)隧道往往是整個(gè)線路可行性論證中的重中之重，特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害研究具有特殊意義。 （2）和中、短隧道相比，特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害本身也具有一系列特殊性。特長(zhǎng)隧道的顯著特征之一是可能出現(xiàn)深埋或超深埋洞段，而且長(zhǎng)度比較大。對(duì)涌水災(zāi)害而言，大埋深有兩種情況發(fā)生，一是隧道已經(jīng)進(jìn)人空隙不發(fā)育的隔水帶或不透水帶，涌水量很小或千燥無(wú)水，水頭壓

13、力也很小;另一種情況則是，隧道仍然處于空隙發(fā)育帶，由于隧道的位置低，降落漏斗規(guī)模大，將發(fā)生難于疏干的大涌水而且水頭壓力高，強(qiáng)行疏干可能引起大范圍的淺層地下水水位下降，甚至引起地表水倒灌及地面塌陷等環(huán)境生態(tài)問(wèn)題。 對(duì)于硬巖特長(zhǎng)隧道，隨著埋深的增大，圍巖中的結(jié)構(gòu)面將越來(lái)越稀疏，巖體強(qiáng)度將越來(lái)越高，塊體穩(wěn)定和塌方等問(wèn)題將有所減少，這對(duì)于圍巖穩(wěn)定是有利的；但同時(shí)也必須看到，巖體強(qiáng)度提高的同時(shí)，地應(yīng)力量級(jí)也在增大，特別是構(gòu)造應(yīng)力的量級(jí)較高時(shí)。 如果能采用合理的掘進(jìn)方式，如采用TBM或?qū)嵤﹪?yán)格控制爆破的鉆爆法，巖爆、片幫等災(zāi)害的發(fā)生幾率和規(guī)模應(yīng)該是較小的。如果對(duì)圍巖擾動(dòng)過(guò)大，巖爆、片幫等災(zāi)害的發(fā)生程度就可

14、能比中、短隧道嚴(yán)重得多。 因此，對(duì)特長(zhǎng)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)該有一個(gè)合理的認(rèn)識(shí)，既要看到安全的一面，又要看到可能發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)害的一面。只要對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行詳盡的超前(設(shè)計(jì)階段和施工階段)預(yù)測(cè)，并采取合理的施工方式，特長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害是可以避免或治理的。 (3)超前預(yù)測(cè)的難度更大。 中、短隧道的埋深一般較小，對(duì)于危險(xiǎn)路段，可以通過(guò)增加勘探工程量為災(zāi)害預(yù)報(bào)提供盡可能多的深部信息。特長(zhǎng)隧道重點(diǎn)路段的埋深一般都在數(shù)百米以上，往往達(dá)到一、二千米，通過(guò)大量的勘探工程來(lái)獲取各類參數(shù)是困難的。因此，特長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)是一個(gè)十分復(fù)雜的研究領(lǐng)域。隧道突涌水地質(zhì)災(zāi)害一、突涌水的概念、形成條件、征兆二、突涌水的地質(zhì)特征三、突

15、涌水的危害及治理2022/7/25西南交通大學(xué)212022/7/25西南交通大學(xué)22（二）突涌水的概念突涌水的概念突涌水形成的條件突涌水?dāng)嗔训膶?dǎo)水性、富水性的影響因素2.1概論 隧洞的開(kāi)挖，往往會(huì)使圍巖的性狀發(fā)生明顯的變化，而地下水是影響圍巖穩(wěn)定性和隧洞施工安全的重要因素。影響其一使圍巖的完整性和強(qiáng)度降低，其二是當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)對(duì)洞室穩(wěn)定不利，其三是向洞室涌水(涌流) 。 地下巖溶、導(dǎo)水構(gòu)造等往往是地下水富集的場(chǎng)所, 一旦在洞室中出露, 就會(huì)形成一定規(guī)模的涌水、涌砂或者是碎屑流涌入洞室中, 給隧洞的施工造成很大的困難。2.1.1隧道涌水的特點(diǎn)涌水屬于隧道施工中遇到的流體地質(zhì)災(zāi)害類型之一，與其它

16、地質(zhì)災(zāi)害相比，隧道涌水具有以下特點(diǎn)：（1）發(fā)生幾率高。 由于地下水的高度流動(dòng)性、在地殼表層中分布的普遍性以及大多數(shù)隧道都處于地下水富集帶或其以下附近，只要存在導(dǎo)水通道，就可能發(fā)生涌水，因此，其發(fā)生條件要比其它災(zāi)害類型寬松得多。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)1996年前已建成運(yùn)營(yíng)的4800余座隧道中，約三分之一發(fā)生過(guò)涌水問(wèn)題，其中30余座屬大型涌水，每座的涌水量均超過(guò)1.0104m3/d，最大的20.6104m3/d。 （2）一旦發(fā)生大規(guī)模的隧道涌水，不僅施工本身會(huì)嚴(yán)重受阻，而且可能引起淺層地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。 襄渝線中梁山隧道涌水造成地表14km2范圍內(nèi)的地表井泉

17、干枯、農(nóng)田漏水，給三個(gè)鄉(xiāng)的人畜用水造成極大困難；衡廣復(fù)線上的南嶺隧道涌水、涌泥，連溪河水全部灌人隧道，造成大面積地表塌陷，引起京廣線既有鐵路和107國(guó)道路基嚴(yán)重下沉。 也正是由于上述原因，無(wú)論是在隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)階段還是在施工階段，涌水都是重點(diǎn)研究的不良地質(zhì)現(xiàn)象之一，研究的核心則在于超前預(yù)測(cè)。2.1.2研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)50年代后期，日本學(xué)者高橋彥治(在修建北陸隧道中)，首次提出了簡(jiǎn)便的涌水量計(jì)算方法。此后，許多學(xué)者在涌水量)的室內(nèi)模擬和涌水量的計(jì)算方法方面進(jìn)行了大量的研究工作。 從60年代后期開(kāi)始，日本學(xué)者伊騰洋、佐騰邦明等利用室內(nèi)滲流槽對(duì)水下隧道的涌水量預(yù)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究； 80年代初

18、，另一日本學(xué)者基于模擬試驗(yàn)，提出了隧道涌水量預(yù)測(cè)的非穩(wěn)定流方法；原蘇聯(lián)學(xué)者阿拉文(V.I.ARVIN)和努米洛夫( S.N.NUMEROV)基于模擬試驗(yàn)結(jié)果提出用復(fù)數(shù)速度勢(shì)理論計(jì)算水底條形滲渠的涌水量。 盡管經(jīng)過(guò)了幾十年的研究，但涌水仍然是隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)測(cè)中十分薄弱的環(huán)節(jié)，涌水量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度還很低。 襄渝線大巴山隧道預(yù)測(cè)涌水量4.14104m3/d，施工時(shí)最大涌水量達(dá)到20.55104m3/d； 川黔線婁山關(guān)隧道預(yù)計(jì)涌水量6.00104m3/d，施工最大涌水量為19.20104m3/d； 貴昆線巖腳寨隧道預(yù)計(jì)涌水量0.66104m3/d，施工最大涌水量達(dá)10.08104m3/d。 2.1.

19、3特長(zhǎng)隧道的特殊性 特長(zhǎng)隧道作為隧道的一種特殊類別，其涌水和中短隧道既有相同之處，又有其特殊性，這種特殊性主要與它的大埋深有關(guān)： （1）由于圍巖滲透性一般是隨著埋深增大而減小的，從總體上說(shuō)，涌水的發(fā)生幾率相對(duì)較?。?（2）如果存在通暢的充水通道及豐富的補(bǔ)給源，可能發(fā)生比條件相同的中短隧道規(guī)模更大的涌水，并形成更大范圍的地下水疏干漏斗； （3）發(fā)生高壓涌水的可能性增大。 2.1.4滴滲水及突發(fā)涌水可能性判斷 地下巖溶、巖石中的裂隙、是地下水運(yùn)移、貯存的場(chǎng)所，它的發(fā)育程度和成因類型影響著地下水的分布和富集。 涌水地質(zhì)災(zāi)害通常發(fā)生在特定的地質(zhì)洞段，在被揭露之前會(huì)表現(xiàn)出一些明顯或不明顯的前兆標(biāo)志，除利

20、用TSP、HSP、CSAMT、TEM、BEAM 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)或超前鉆以外，通過(guò)提高施工人員對(duì)前兆標(biāo)志的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)防范意識(shí)，有可能會(huì)及時(shí)避免突發(fā)涌水災(zāi)害的發(fā)生。 若發(fā)現(xiàn)掌子面節(jié)理裂隙滲水量和組數(shù)增加、且常常含有泥質(zhì)或渾濁(常規(guī)鉆爆法的炮孔中的涌水量劇增、且?jiàn)A有泥沙或碎石)等則為突水、突泥的前兆標(biāo)志。 若發(fā)現(xiàn)有鐵銹染裂隙或有水、無(wú)水小溶洞的頻繁出現(xiàn)。對(duì)于大溶洞來(lái)說(shuō)，還常出現(xiàn)夾泥裂縫或小溶洞；對(duì)于暗河來(lái)說(shuō)，小溶洞還常常含有河沙，鉆孔中的涌水量劇增且?jiàn)A有泥沙和小礫石；對(duì)于稀釋的淤泥帶來(lái)說(shuō)，鉆孔中的涌水量劇增且渾濁，常常夾有大量泥沙和棱角尖銳的小碎石等，則為溶洞、暗河和淤泥帶的前兆標(biāo)志。2022/7/2

21、5西南交通大學(xué)31隧道突涌水的征兆 與承壓水有關(guān)的斷層水突水征兆：（1） 工作面頂板來(lái)壓、掉渣、冒頂、支架傾斜或折斷柱等現(xiàn)象：（2） 沿隧道開(kāi)挖縱向的底面膨脹、底鼓開(kāi)裂，一般在頂板來(lái)壓之后發(fā)生；（3）隧道側(cè)壁上出現(xiàn)小水珠并且有變大成線狀流動(dòng)的趨勢(shì)；洞內(nèi)溫度明顯下降；（4）開(kāi)挖過(guò)程中水量增大，這是因裂隙增多、聯(lián)通所致；2022/7/25西南交通大學(xué)32隧道突涌水的征兆 與含水層有關(guān)的斷層水突水征兆：（1）突水部位巖層發(fā)潮、滴水，且逐漸增大，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)細(xì)砂；（2）局部出現(xiàn)突水而且泥砂含量增加，水質(zhì)變渾濁，直到有大量的泥砂流出；（3）發(fā)生大量的潰水、潰砂，可導(dǎo)致塌方； 通過(guò)廢棄的煤窯附近時(shí)突涌水

22、的征兆： （1）煤層發(fā)暗，色澤無(wú)光； （2）煤層不透水或不含水，若其上有水或其它方向有高壓水時(shí)，則煤層表面會(huì)有水珠；巖溶巖溶巖溶的地下形態(tài)巖溶的地下形態(tài)地下水層示意圖地下水層示意圖巖石中的裂隙往往是地下水運(yùn)移、貯存的場(chǎng)所。巖石中的裂隙水2022/7/25西南交通大學(xué)41 突涌水： 山嶺隧道施工中十分常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，它是由先期賦存在隧道圍巖中地下水，在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)造裂隙、施工鉆孔、爆破孔等涌入隧道形成的，對(duì)于隧道施工威脅很大。 深埋長(zhǎng)大隧道涌水的發(fā)生必須滿足一定的條件，涌水量的大小及其時(shí)間和空間的變化特征受地形地貌條件、地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)條件的綜合影響，尤其各種破

23、碎帶(特別是斷裂破碎帶)更是隧道涌(突)水(泥)最常見(jiàn)的出現(xiàn)部位，其涌水具有突然性和水量大的特征，整治難度大。 2022/7/25西南交通大學(xué)42突涌水的形成條件 隧道工程中突水必須具備的2個(gè)基本條件是: （1）有充足的水源； 在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，必然破壞含水或潛在含水圍巖，揭露部分地下導(dǎo)水通道，使地下水或與之有水力聯(lián)系的其它水體(地表水、地下暗河及溶洞等)突然涌入隧道，發(fā)生涌水突水災(zāi)害。隧道涌水是由于隧道的掘進(jìn)破壞了含水層結(jié)構(gòu)，使水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生急劇改變，以致地下水體所儲(chǔ)存的能量以流體高速運(yùn)移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象。當(dāng)涌水中有大量的固體物質(zhì)(尤其是泥質(zhì)物)時(shí)，稱為

24、隧道的突泥。隧道涌水突泥是否發(fā)生，需滿足一定的條件，即含水圍巖的水源、能量?jī)?chǔ)存性能、釋放性能、水動(dòng)力性能和圍巖穩(wěn)定性能等。2022/7/25西南交通大學(xué)43水源 充足的水源是造成隧道工程突水的前提條件。目前隧道突水、涌水主要有以下幾種水源： （1）含水層特別是承壓含水層是常見(jiàn)的情形，隧道工程突水多是由地下承壓含水層的水造成的； （2）隧道工程之上的水庫(kù)、江、河、海也是經(jīng)常遇到的易造成突水的水源； （3）溶洞、老采空區(qū)積水； （4）江、河等發(fā)生洪水時(shí)，洪水沿各種通道進(jìn)入地下的倒灌水； （5）一些富水的優(yōu)勢(shì)斷裂本身就是含水層，此時(shí)，它不僅是導(dǎo)水的通道，還是斷裂含水層。2022/7/25西南交通大學(xué)

25、44 通道 順暢的、足夠大的通道是造成隧道工程突水的必要條件。它既是能量的儲(chǔ)存地，又是能量的產(chǎn)出地；有通道水才能儲(chǔ)水，才能流動(dòng)，才會(huì)有更大能量。 巖體中儲(chǔ)存的大量地下水體具有較高靜水壓力外，其它應(yīng)力的綜合作用也會(huì)使巖體儲(chǔ)存較大的能量。包括:巖體的結(jié)構(gòu)體(骨架)在靜水壓力、構(gòu)造應(yīng)力和重力等作用下產(chǎn)生的應(yīng)變能;靜水壓力等對(duì)地下水體壓縮產(chǎn)生的應(yīng)變能;在高水頭壓力作用下，地下水產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能。一旦能量達(dá)到一定程度，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，必然發(fā)生釋放，引起地下水向隧道高速涌出而形成涌(突)水(泥)。2022/7/25西南交通大學(xué)45隧道涌突水的通道主要有以下幾種：（一）隧道直接穿過(guò)水源區(qū)(如圖1) 隧道施工

26、過(guò)程中，有時(shí)會(huì)直接揭露含水層。此時(shí)，如果地下水位事先沒(méi)被疏降或含水層中水沒(méi)有事先得到探放，發(fā)生突水事故就在所難免。有時(shí)因?yàn)闂l件限制，隧道不得已有含水層中且沿著含水層的走向施工，則突水突涌水發(fā)生的可能性就更大了，此時(shí)必須放下探地下水。2022/7/25西南交通大學(xué)46隧道通過(guò)即有斷層又有煤層承壓水、巖溶地區(qū)，將會(huì)發(fā)生各種可能的危害：突涌水，塌方，冒頂，突泥。2022/7/25西南交通大學(xué)47（二）原生斷裂及其施工擾動(dòng)后的活化或擴(kuò)展斷裂 斷裂是最重要的原生通道，這里指的就是斷裂，相應(yīng)地，施工擾動(dòng)后的活化或擴(kuò)展通道指的也是斷裂的活化或擴(kuò)展。 斷裂包括斷層、節(jié)理、裂隙等，其中斷層的兩盤有相對(duì)位移，而節(jié)

27、理和裂隙沒(méi)有。斷裂帶透水性好，往往斷裂帶本身就是地下水的儲(chǔ)集場(chǎng)所，而當(dāng)斷層與某種含水層有水力聯(lián)系時(shí)就成為地下水傳輸通道。2022/7/25西南交通大學(xué)48大量的實(shí)例表明，突水與斷裂關(guān)系密切，因斷裂富水、導(dǎo)水而發(fā)生突水事故的情形有3種： 圖2（a）:表示隧道揭露富水的張性斷裂而發(fā)生突水事故； 圖2（b）:壓性斷裂本來(lái)不富水、不導(dǎo)水，是隔水?dāng)嗔眩捎谑┕さ挠绊?，其壓性斷裂的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化而導(dǎo)水； 圖2（c）:原斷裂沒(méi)有延伸到含水層，隧道施工影響造成原斷裂擴(kuò)展而溝通含水層；2022/7/25西南交通大學(xué)492022/7/25西南交通大學(xué)50影響斷裂富水性、導(dǎo)水性的主要因素 影響斷裂富水性、導(dǎo)水性

28、的主要因素: 斷裂的時(shí)間性； 斷裂的規(guī)模和空間結(jié)構(gòu)； 斷裂的力學(xué)性質(zhì)； 斷裂兩盤的巖性； 斷裂的施工擾動(dòng)程度；（隧道工程突水機(jī)制及對(duì)策）2022/7/25西南交通大學(xué)51（三）突涌水特征突涌水段巖層的地質(zhì)特征突涌水段巖層的物理力學(xué)特征2022/7/25西南交通大學(xué)52突涌水段巖層的地質(zhì)特征 突涌水段巖層的地質(zhì)特征 分析隧道突涌水的地質(zhì)構(gòu)造和特征是進(jìn)行防治水的第一步，通常主要根據(jù)勘察和設(shè)計(jì)文件的地質(zhì)資料并結(jié)合巖溶隧道施工實(shí)踐來(lái)判斷分析，根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及我國(guó)大量隧道施工中產(chǎn)生涌(突)水的部位分析，可能產(chǎn)生涌(突)水的地質(zhì)條件主要有： （1）斷層破碎帶、不整合面和侵入巖接觸帶。特別是活動(dòng)性

29、斷層，其未膠結(jié)構(gòu)造巖和派生構(gòu)造常形成斷層含水構(gòu)造（見(jiàn)圖1）；2022/7/25西南交通大學(xué)532022/7/25西南交通大學(xué)54 （2） 背斜軸部逆沖斷層的上升盤。隧道穿越背斜分水嶺時(shí)，往往產(chǎn)生逆沖擠壓斷層帶，斷層的下盤受壓，雖破碎但擠壓緊密，不易透水，而上升盤由于牽引作用，張裂隙發(fā)育，多成為導(dǎo)水通道，富水性強(qiáng)； （3）向斜盆地形成的蓄水構(gòu)造。向斜盆地軸部往往富含地下水；2022/7/25西南交通大學(xué)552022/7/25西南交通大學(xué)56 (4)可溶巖與非可溶巖接觸面、膏溶面和碳酸鹽巖層間滑動(dòng)帶。極易發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕生成溶洞，很多巖層面走向發(fā)育的地下河都處在層間滑動(dòng)帶上，在石灰?guī)r、白云巖與碎屑巖或

30、煤系地層的接觸面上最易匯集地下水而形成溶洞。 (5)其他含水構(gòu)造、含水體，如層狀隔水層形成的含水體、巖溶地層中的孤立含水體等（如圖3）；（長(zhǎng)大隧道防治水措施）2022/7/25西南交通大學(xué)572022/7/25西南交通大學(xué)58突涌水段的巖層物理力學(xué)特征 不同巖體結(jié)構(gòu)和巖性條件的巖體，物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，隔水層厚度也不盡相同。因此，不同類型圍巖被涌水突破所需的最小突水量差別較大，見(jiàn)表1。單位厚度巖體承受的水壓也隨巖體種類不同而異，如砂巖為0.1 MPa、砂質(zhì)頁(yè)巖為0.07 MPa、粘土質(zhì)頁(yè)巖為0.05 MPa、斷層角礫巖約為0.035 MPa。厚層且完整的巖體往往能承受較大水壓力，如數(shù)米厚

31、的砂巖和灰?guī)r能承受數(shù)十米高水頭壓力，甚至頁(yè)巖和泥巖等在有保護(hù)作用下也能承受一定水壓，阻止涌水突水的發(fā)生;而薄層巖體和破碎巖體所能承受的水壓力相對(duì)要小得多，抗涌水和突水的能力較低。2022/7/25西南交通大學(xué)592022/7/25西南交通大學(xué)60（四）突涌水的危害及防治措施突涌水產(chǎn)生的影響因素突涌水的危害突涌水的預(yù)防突涌水的治理突涌水的征兆2022/7/25西南交通大學(xué)61突涌水問(wèn)題的普遍性 京廣線大瑤山鐵路隧道(長(zhǎng)143 km)過(guò)9號(hào)斷層時(shí)，最大突水量達(dá)48104m3d-1 16。襄渝線大巴山鐵路隧道因切斷巖溶通道及斷層破碎帶,突水量達(dá)1910427104m3d-1 17。日本舊丹那鐵路隧道

32、過(guò)大斷層時(shí)，突水量高達(dá)288104m3d-1，由于突水事故的頻繁發(fā)生，隧道歷時(shí)16年才建成。日本黑部4號(hào)鐵路隧道穿越一條NE向陡傾斷層破碎帶時(shí)，突水量達(dá)066 m3s-1。黎巴嫩阿爾瓦水電隧道，穿越斷層時(shí)突水量達(dá)7125 m3s-1。美國(guó)San Jacinto輸水隧道，施工中遇到4條大斷層、20余條小裂隙(受NW向的Sanjacinto斷層控制)，斷層突水量達(dá)7125 m3s-1 。2022/7/25西南交通大學(xué)62突涌水產(chǎn)生的影響因素總結(jié)發(fā)現(xiàn)突涌水產(chǎn)生的主要影響因素有： 1 地形地貌條件 統(tǒng)計(jì)資料表明，隧道涌水與隧道穿過(guò)區(qū)地形地貌條件密切相關(guān)。按隧道與地形地貌的關(guān)系，在橫斷面上，分為平坦型(

33、T1)、凸型(T2)、山谷正下方平行型(T3)、山谷側(cè)下平行型(T4)和單斜面型(T5);在縱斷面上，分為平坦型(L1)、凸型(L2)、橫貫河流型(L3)、盆狀(L4)和平凸型(L5)。在橫斷面地形類別中，以T3和T4兩類隧道的比涌水量(單位長(zhǎng)度涌水量)較大，其次為T1和T5型，T2型最小;從縱剖面來(lái)看，T5，T4和T3三類隧道的比涌水量最大，T1和T2類較小。 從組合來(lái)T1/L5，T3/L3，T3/L5及T4/L3的比涌水量較大，其次為T5/L3和T2/L2，T5/L2和T2/L3組合時(shí)的比涌水量最小。2022/7/25西南交通大學(xué)63 砒霜坳隧道位于京珠高速公路小塘至甘塘段內(nèi)，為上下行分離

34、式單向雙車道公路隧道。隧道區(qū)地形地貌復(fù)雜，位于低山丘陵區(qū)，山坡及低洼處有第四系殘坡積層分布。山體縱斷面呈不對(duì)稱的馬鞍形，地形地貌復(fù)雜。山體周圍群山環(huán)繞，匯水面積較大，雨季水量大，隧道巖體溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，分布有較多溶洞、溶溝、溶槽等，其、類圍巖段長(zhǎng)度占據(jù)隧道長(zhǎng)度一半以上，據(jù)此可知砒霜坳隧道地質(zhì)復(fù)雜。在隧道施工時(shí)，隧道底部發(fā)生“突水”、“突泥”等不良現(xiàn)象，對(duì)施工造成巨大的災(zāi)害。2022/7/25西南交通大學(xué)64 2 地層巖性 灰?guī)r、白云巖等可溶巖類圍巖，隧道涌水量大、水量高，比涌水量一般為0.353.47 m3/(minkm)，豐水期和枯水期涌水量之比(即不穩(wěn)定系數(shù))達(dá)2.54.0。國(guó)內(nèi)外大于100

35、00 m3/d的隧道涌水，幾乎均發(fā)生在這些圍巖中，如我國(guó)的梅花山隧道(55497 m3/d)、平關(guān)隧道( 108060 m3/d )和大巴山隧道(205518 m3/d)，意大利格蘭薩索隧道(388800 m3/d)等?；鹕綆r、火山碎屑巖等洞段，隧道涌水量較可溶巖段小，比涌水量為0.351.39 m3/(minkm)，不穩(wěn)定系數(shù)1.52.5，如日本青函隧道(100800 m3/d)和大清水隧道(120384 m3/d)等。 2022/7/25西南交通大學(xué)65 2006年，龍?zhí)端淼雷缶€出口ZK72+167ZK72+202段發(fā)生突水導(dǎo)致拱頂坍塌， 隧道洞身處于奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組強(qiáng)巖溶地層，上半斷面

36、左側(cè)及下半斷面為泥夾塊石狀洞穴充填堆積體結(jié)構(gòu)，夾泥呈可塑狀 。掌子面右側(cè)拱有多處股狀混水流出，隨后掌子面垮塌，發(fā)生突水涌泥，泥石流由掌子面向下涌出，瞬間突水涌泥量最大約0.34 m3/s ，間歇性涌泥，涌泥總量約1200 m3，并使ZK72+178ZK72+205段初期支護(hù)個(gè)別部位變形、環(huán)向開(kāi)裂、剝落（見(jiàn)下面圖1、2）。2022/7/25西南交通大學(xué)662022/7/25西南交通大學(xué)672022/7/25西南交通大學(xué)68 花崗巖等深成巖的比涌水量一般為0.208 0.694 m3/(minkm)，不穩(wěn)定系數(shù)為1.5 2.0，如日本的六甲隧道(25 920 m3/d)和新清水隧道(66 960

37、m3/d)等。泥質(zhì)巖及砂巖類圍巖，隧道涌水量相對(duì)較小，但當(dāng)其受斷裂帶的影響時(shí)，往往會(huì)發(fā)生較大的涌水量，如梅坎鐵路松南隧道位于廣東省梅縣松南鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)3398 m，從實(shí)際已開(kāi)挖的近540 m地段揭示:自洞口共約340 m地段均為擠壓破碎石英砂巖，嚴(yán)重風(fēng)化，自穩(wěn)能力差，局部易坍，洞口局部嚴(yán)重偏壓，均為類圍巖，余下近200 m均為類斷層破碎帶，施工中多處、多次發(fā)生涌水，最大出水點(diǎn)水量達(dá)200 m3/h以上。2022/7/25西南交通大學(xué)69 3 地質(zhì)構(gòu)造 從隧道圍巖的結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，不論何種圍巖，當(dāng)其各種破碎帶較為發(fā)育時(shí)，隧道常會(huì)發(fā)生大規(guī)模、高水壓的涌水，并且往往伴有突泥災(zāi)害。破碎帶可以是斷層(裂)

38、破碎帶和節(jié)理密集帶，也可以是各種巖性接觸帶，如可溶巖與不可溶巖接觸帶、巖漿接觸擠壓帶和變質(zhì)接觸帶等。其中，在大斷裂帶和區(qū)域性斷層(尤其是張性斷層)附近，隧道涌水量更為嚴(yán)重，見(jiàn)表2。事實(shí)上，隧道大規(guī)模的涌(突)水均與斷層破碎帶有關(guān)。這種涌水雖也有一般涌水的特征，但其涌水量更大、水壓高、突發(fā)性強(qiáng)，且通常有突泥相伴，災(zāi)害性更為嚴(yán)重;涌水的動(dòng)態(tài)變化主要取決于圍巖的地質(zhì)構(gòu)造特征。2022/7/25西南交通大學(xué)702022/7/25西南交通大學(xué)71褶皺儲(chǔ)水時(shí)受到各種因素的影響，從而造成儲(chǔ)水能力有所差異，其特點(diǎn)如下所示：（1）兩翼比較開(kāi)闊的褶曲的富水性將比兩翼緊密時(shí)好；（2）不對(duì)稱的褶曲，緩傾斜翼的富水性較

39、陡翼好；（3）褶曲構(gòu)造中含水層所占比例越大，則富水帶水量一般也大，對(duì)于等斜褶曲，富水特征則和單斜巖層相似。 2022/7/25西南交通大學(xué)72（4）非溶巖與可溶巖的地層界面處和強(qiáng)溶巖與弱溶巖的地 層界面處。（5）隧道開(kāi)挖過(guò)程中的巖層分界面(侵入巖與圍巖的接觸 面)、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等。 2022/7/25西南交通大學(xué)734 隧道的長(zhǎng)度及埋深 隧道延伸越長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)的水文地質(zhì)單元就越多，匯水面積及補(bǔ)給范圍越大，其單位涌水量就越大.但不同的隧道，經(jīng)過(guò)的地質(zhì)單元及水文地質(zhì)單元有較大的差異，故其比涌水量與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系并不十分明顯，也即隧道的比涌水量主要受控于地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造特征.當(dāng)長(zhǎng)大隧道埋藏

40、較深時(shí)，地下水補(bǔ)給較為充足，隧道總涌水量和比涌水量均有隨著上覆巖體厚度增加而增大的特征。2022/7/25西南交通大學(xué)74突涌水的危害 國(guó)內(nèi)外許多隧道發(fā)生過(guò)涌水甚至突泥災(zāi)害，如法國(guó)仙尼斯峰隧道、日本青函隧道、前蘇聯(lián)北穆隧道、我國(guó)大瑤山隧道和軍都山隧道等，我國(guó)有近1/3的鐵路隧道發(fā)生漏水，如成昆鐵路的415座隧道中，在施工期間有93.5%的隧道發(fā)生不同程度的涌水或突水災(zāi)害，其中涌水量超過(guò)10 000 m3/d的有8座，而嚴(yán)重涌水者13座。 涌水的存在，不僅填塞坑道、淹埋設(shè)備，給隧道施工帶來(lái)了巨大的困難，嚴(yán)重者還會(huì)造成人員傷亡。若施工時(shí)對(duì)隧道涌水認(rèn)識(shí)不足，防排和處理措施不當(dāng)，還會(huì)不同程度地影響隧道

41、建成后的正常運(yùn)營(yíng)。 2022/7/25西南交通大學(xué)75（一）突泥 通渝隧道位于重慶市開(kāi)縣與城口交界的雪寶山地區(qū)，為單洞二車道雙向行駛公路隧道， 全長(zhǎng)4279m 。隧址區(qū)巖層主要為石灰?guī)r， 巖溶發(fā)育，特別是地表淺部溶蝕洼地、落水洞、漏斗成片出現(xiàn)，再加上隧址區(qū)處于向斜地質(zhì)構(gòu)造，極利于地下水的匯集，且匯集的地下水形成巖溶水使隧道施工的難度增大。故，巖溶及巖溶水問(wèn)題是該隧道修建中的最主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象，并且極易發(fā)生涌水突泥。 連續(xù)多天降雨后，在通渝隧道K21+780處右側(cè)圍巖突然發(fā)生涌水突泥事故，涌出坍方量累計(jì)約3 000m3， 沿隧道軸線長(zhǎng)約70m范圍，形成了縱向最長(zhǎng)約9m，高達(dá)拱頂?shù)奶?，部?/p>

42、初支鋼拱架已變形破壞，而且發(fā)生了數(shù)次小規(guī)模的突泥，坍渣以飽水泥夾石為主。（通渝隧道涌水突泥災(zāi)害的處治）2022/7/25西南交通大學(xué)76通渝隧道涌水突泥災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)2022/7/25西南交通大學(xué)77 突泥產(chǎn)生的原因?yàn)? （1）與巖體裂隙的關(guān)系 巖溶引起的裂隙面為附近地表水、地下水天然的排泄通道，也是突水涌泥的良好通道。根據(jù)重慶天池隧道鉆探揭露和掌子面開(kāi)挖揭露情況可知：K35+040掌子面為27563構(gòu)造裂隙面，該裂隙面為附近地表水、地下水天然的排泄通道，地表水和地下巖溶水先沿巖層巖層排泄后沿受陡傾裂隙切割影響，改變其排泄通道，使其順裂隙面向下滲透并運(yùn)移至隧址區(qū)進(jìn)洞的低洼地段。 2022/7/25西

43、南交通大學(xué)78（2）與大氣降雨的關(guān)系 大氣降雨使土體含水量中等豐富，土質(zhì)較軟； 雨季豐水期地下水量突然增加，土體易產(chǎn)生軟化、泥化現(xiàn)象，容易產(chǎn)生圍巖變形失穩(wěn)；洞頂?shù)貙訛樯皩?，其透水性較強(qiáng)，地表水容易下滲，土石界面含水量增加，更發(fā)生突泥現(xiàn)象。 天池隧道于2007年4月29日突泥以來(lái)，先后共發(fā)生了5次的涌水、突泥事件。其總涌水、突泥量達(dá)12。8萬(wàn)方。通過(guò)對(duì)地表水文及氣象觀測(cè)，累計(jì)降雨量達(dá)402mm。通過(guò)一系列的計(jì)算，結(jié)果表明：隧道溶隙內(nèi)的固有物質(zhì)已基本排干，大氣降雨已通過(guò)隧道頂部或底部發(fā)育的的水平巖溶管道排泄。2022/7/25西南交通大學(xué)79 （3）與結(jié)構(gòu)構(gòu)造裂隙的關(guān)系 結(jié)構(gòu)構(gòu)造造成的裂隙面或是孔

44、隙可以將封閉的孔隙連通起來(lái)，形成大的孔洞，當(dāng)其與含水巖土層一旦連通，地表水、地下水、降水等將沿著構(gòu)造裂隙涌入隧道。 （天池隧道突水_突泥段地質(zhì)分析研究） 2022/7/25西南交通大學(xué)80（二）涌水 巖溶地區(qū)鐵路隧道的開(kāi)挖及隧道內(nèi)的巖溶涌水，將改變隧道所在地區(qū)地下水原有的運(yùn)移、排泄條件，開(kāi)挖的隧道成為地下水新的排泄廊道。巖體中裂隙水隧道涌水初期主要是靜儲(chǔ)量釋放，涌水因水力梯度較大，由大變小而后趨向與動(dòng)儲(chǔ)量均衡的穩(wěn)定涌水相比，巖溶涌水由于大小溶隙、溶道充填物沖蝕逐漸貫通，常呈現(xiàn)涌水量由大到小又由小到大反復(fù)變化現(xiàn)象，涌水很難達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。尤其巖溶地下水大量補(bǔ)給為大氣降雨補(bǔ)給時(shí)更是如此，甚至隧道

45、完工交付運(yùn)營(yíng)多年后，每年雨季仍涌水不斷。2022/7/25西南交通大學(xué)81 截止1998年底我國(guó)26座巖溶地區(qū)鐵路長(zhǎng)隧道中，發(fā)生過(guò)較大巖溶涌水者10座，38.46%;涌泥砂5座，占19.2%;不同程度的地表塌陷水源枯竭5座，占19.2%。 研究巖溶地區(qū)鐵路長(zhǎng)隧道涌水、涌泥砂及地表塌陷和水源枯竭災(zāi)害的規(guī)律，不僅對(duì)今后的巖溶地區(qū)長(zhǎng)隧道的勘察、設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，而且對(duì)既有巖溶地區(qū)鐵路長(zhǎng)隧道巖溶水害、泥害、砂害及地表塌陷和水源枯竭災(zāi)害防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2022/7/25西南交通大學(xué)82涌水特征： (1)時(shí)間特征 突發(fā)性：隧道襯砌背后或底板下巖溶集結(jié)突破襯砌或底板涌水，在時(shí)間上無(wú)不表現(xiàn)

46、出突發(fā)特性。 滯后性：降雨經(jīng)過(guò)一段時(shí)間累積和大氣降雨達(dá)到一定量時(shí)才突然增大。觀測(cè)表明，婁山關(guān)、梅花山、大瑤山等隧洞內(nèi)巖溶涌水量突然增大滯后于地表大氣降雨開(kāi)始的時(shí)間約為515h。一般而言，滯后時(shí)間隨隧道巖溶段埋深、巖溶管道貫通度變化。埋深越大，滯后時(shí)間越長(zhǎng);巖溶貫通度越高，滯后時(shí)間越短。 陣發(fā)性：巖溶涌水往往含有大量的泥砂，在巖溶涌水時(shí)，水中所含泥砂常由于涌水速度的下降而沉積堵塞涌水口或巖溶管道中的某一段致使涌水中斷，當(dāng)巖溶管道水位上升至一定高度時(shí)，水壓力作用又將堵塞物破壞，造成二度、三度涌水。 （巖溶地區(qū)鐵路長(zhǎng)隧道涌水涌泥砂及地表塌陷規(guī)律的研究）隧道涌水隧道施工中遭遇雨?duì)钣克?.2渝懷線圓梁山

47、特長(zhǎng)隧道的地質(zhì)與水文地質(zhì)背景 渝懷鐵路西起重慶，經(jīng)涪陵、彭水、黔江、酉陽(yáng)、秀山，至湖南懷化，航空距離400km左右。是“十五”期間，國(guó)家將在西部地區(qū)興建的長(zhǎng)大干線鐵路之一，總投資近220億人民幣。 渝懷鐵路是60年代曾經(jīng)論證過(guò)的川漢鐵路的一部分，沿線地形高差大，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，選線、展線困難。圓梁山隧道位于酉陽(yáng)縣城東北40km，隧道全長(zhǎng)近11km，總投資4.7億人民幣，是渝懷鐵路的關(guān)鍵性控制工程，也是我國(guó)繼大瑤山、長(zhǎng)梁山、秦嶺后的第4條鐵路特長(zhǎng)隧道。隧道穿越的主要地質(zhì)單元是桐麻嶺背斜和毛壩向斜，隧道標(biāo)高550m左右，最大埋深700m(圖5.l、5.2)。 桐麻嶺背斜和毛壩向斜均為N2030E

48、展布的線狀褶皺，寬度23 km，延長(zhǎng)超過(guò)60 km。桐麻嶺背斜的主體巖性為寒武系石灰?guī)r，翼部為奧陶系灰?guī)r；毛壩向斜的翼部主要為志留系砂泥巖，志留系頂部為厚度不大的泥盆系砂巖，向斜核部為二疊系和三疊系石灰?guī)r。 圓梁山隧道開(kāi)挖可能遇到的主要施工地質(zhì)災(zāi)害是高壓涌水，可能發(fā)生涌水的地段包括桐麻嶺背斜段、冷水河河谷段和毛壩向斜段。由于上述三個(gè)區(qū)段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及可能的涌水機(jī)制差異較大，這里主要介紹毛壩向斜段的涌水災(zāi)害預(yù)測(cè)問(wèn)題。2.2.1地層、構(gòu)造與巖溶 毛壩向斜為一四周被厚達(dá)1775m的志留系砂泥巖隔水層完全圈閉的、主要由可溶巖構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。邊界為P1q形成的懸崖峭壁，內(nèi)部為P1、T1灰

49、巖及P2w泥巖形成的規(guī)模不一的槽谷與洼地，向斜區(qū)域內(nèi)的降水除蒸發(fā)外，幾乎全部滲人地下，地下水的補(bǔ)給條件極好。 此外，不僅向斜內(nèi)部各種成因、不同序次的構(gòu)造形跡十分發(fā)育，而且該區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也比較活躍，這些因素的綜合使得毛壩向斜區(qū)碳酸鹽巖的巖溶作用極為發(fā)育。 強(qiáng)巖溶化首先表現(xiàn)在地表巖溶方面。根據(jù)規(guī)模，地表巖溶可以劃分出三級(jí)巖溶景觀：一級(jí)為巨型組合槽谷，如長(zhǎng)度超過(guò)10km的黃家槽毛壩槽谷及小排坡毛家院子槽谷等；二級(jí)為獨(dú)立的巖溶槽谷、巖溶洼地及溶丘；三級(jí)為規(guī)模較小的溶溝、溶槽等。 這些巖溶地貌的有機(jī)組合，使得整個(gè)向斜區(qū)具有很強(qiáng)的吸收降水能力。 地下巖溶發(fā)育的最直接表現(xiàn)是巖溶貯水空間的高度管道化，地下水

50、的高度(暗)河流化。毛壩場(chǎng)西側(cè)發(fā)育于T1中的K381號(hào)暗河天窗上方的干溶洞直徑大于3 m，長(zhǎng)500余米；可能呈斷續(xù)分布的綠蔭潭毛家院子管道長(zhǎng)達(dá)26 km(圖5.4)，相當(dāng)長(zhǎng)的地段直徑大于2 m。 此外，向斜兩翼所有大的巖溶水排泄點(diǎn)都是從巖溶管道中流出的暗河。該區(qū)地下水己高度河流化、明渠化，而且這些暗河在水系構(gòu)成、河流改道、沉積物及階地等方面已基本具備了地表河流的特征。 毛壩向斜從上向下的地層結(jié)構(gòu)為：下主疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）為灰色中厚層薄層灰?guī)r夾薄層紫紅色泥巖和淺灰綠色白云質(zhì)灰?guī)r。它是毛壩向斜核部的最新地層，厚度6080m。 下三疊統(tǒng)大冶組（T1d）上部為紫紅色泥巖，厚度2856 m；中間為薄

51、層白云質(zhì)灰?guī)r及薄層灰?guī)r，厚度256369m；下部為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖，厚度200m左右。T1d是向斜核部的主體地層。上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c )：灰色厚層中厚層灰?guī)r，厚度3577m。上二疊統(tǒng)吳家坪組(P2w)：泥頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、灰?guī)r及煤線，厚度70100m。下二疊統(tǒng)茅口組(P1m)：灰白、灰、深灰色含隧石灰?guī)r，厚層狀至塊狀；厚度150190m。下二疊統(tǒng)棲霞組P1q)：深灰色、灰黑色厚層狀灰?guī)r，含瀝青質(zhì)及少量隧石結(jié)核，厚度90-100 m。 向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列與向斜正交或大角度斜交的北西向斷層，這些斷層對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶具有重要的控制作用；它們僅在P1q以內(nèi)的核部分布，進(jìn)人翼部志留系后，就基本尖滅。 毛壩向斜區(qū)

52、的地表巖溶形態(tài)基本可以分為巨型組合巖溶槽谷、獨(dú)立巖溶槽谷和巖溶洼地三大類。巨型組合巖溶槽谷的長(zhǎng)度一般大于2km，往往由多個(gè)獨(dú)立槽谷或不規(guī)則洼地組合而成。該類槽谷主要在核部T1內(nèi)順巖層走向發(fā)育，從向斜南端到飛水涯可以劃分出數(shù)個(gè)這樣的巨型槽谷（圖5.3 )。 事實(shí)上，這些巨型巖溶槽谷，又可以組合成一個(gè)統(tǒng)一的大槽谷，這種組合，加上向斜兩側(cè)細(xì)砂河和冷水河（圖5.4）的切割作用，使得毛壩向斜成為一個(gè)高聳的不對(duì)稱“水槽”，也使向斜成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。 獨(dú)立巖溶槽谷在向斜區(qū)內(nèi)廣泛分布，切割深度一般在200 m以上，最大達(dá)450 m，是最主要的匯水地貌單元。洼地是僅次于槽谷的又一種重要地表巖溶形態(tài)

53、，其分布見(jiàn)圖5.3；大多數(shù)洼地呈圓形或等軸型，部分呈長(zhǎng)條形和不規(guī)則形；許多洼地中心或邊緣都有落水洞；有些洼地內(nèi)既有泉水又有落水洞。溶洞是區(qū)內(nèi)分布最為廣泛的地下巖溶形態(tài)。溶洞規(guī)模相差懸殊，斷面直徑從幾十厘米到十幾米，長(zhǎng)度為幾米、幾百米，甚至更長(zhǎng)，核部主管道可能在幾千米以上?？傮w上看，核部溶洞的規(guī)模大，數(shù)量相對(duì)較少;翼部溶洞的規(guī)模小，但數(shù)量多。 根據(jù)含水情況，溶洞基本上可以被分為三類： 一是完全的干溶洞(毛壩場(chǎng)西側(cè)干溶洞)； 二是“洪水溶洞”，即它們僅在雨季充當(dāng)降水灌人的通道； 三是現(xiàn)今的暗河及其支流的河道。根據(jù)空間展布方向，可以分為近水平溶洞、垂直溶桐和傾斜溶洞。 溶洞內(nèi)的沉積物可以分為化學(xué)沉積

54、物和機(jī)械沉積物兩大類?；瘜W(xué)沉積包括石鐘乳、石筍、石曼等；機(jī)械沉積包括黃泥、塊石混雜堆積物和“正常河流”沉積物兩類。黃泥、塊石混雜堆積物主要見(jiàn)于“洪水溶洞”內(nèi)；“正常河流”沉積物主要見(jiàn)于毛家院子暗河、毛壩場(chǎng)西側(cè)干溶洞等處，這些沉積物主要是直徑介于1200mm之間的砂礫石。砂礫石的磨圓很好，一般為圓狀或次圓狀；分選程度較高；成分主要為石灰?guī)r。 溶洞發(fā)育主要受到各類構(gòu)造的控制。這些構(gòu)造總體上可分為與巖層走向一致的層間滑動(dòng)面、縱張裂隙與垂直走向的北西向斷裂（包括它們的低序次）及橫張節(jié)理等兩大類。 除了溶洞外，區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列地下暗河的大型天窗，如綠蔭潭、K381及K27等（圖5.4），這些天窗主要分布在

55、向斜核部的管道系統(tǒng)上，深度一般為510m，個(gè)別的僅35m；有的表現(xiàn)為流動(dòng)緩慢的深潭或地下湖，有的則可以看到流動(dòng)的地下河。 根據(jù)主要巖溶水排泄點(diǎn)的標(biāo)高（圖5.4）及區(qū)域與局部構(gòu)造格局，毛家院子以南，向斜核部及東翼，巖溶管道發(fā)育深度在900m以上；向斜西翼及毛家院于以北的核部及東翼，巖溶管道發(fā)育深度在750m以上。2.2.2巖溶水 如果將毛壩向斜作為一個(gè)統(tǒng)一的水文地質(zhì)單元來(lái)考慮，其補(bǔ)給量全部來(lái)自大氣降水，不存在地下水的側(cè)向補(bǔ)給。 除部分蒸發(fā)排泄量外，大部分地下水都是通過(guò)地下和地下地表徑流的方式排出向斜的。單元的排泄系統(tǒng)由位于向斜邊界，即P1q灰?guī)r底面附近的一系列暗河出口、泉及河流出口構(gòu)成。河流出口

56、包括毛壩場(chǎng)附近的半節(jié)河出口和西砂灘附近的木葉河出口；主要暗河出口及泉包括東翼的上蠻寨、馬頸子、水推磨、犀牛洞、刺豬壩龍洞和西翼的水爬巖、響水洞等(圖5.4)。 向斜翼部巖溶水具有“分散補(bǔ)給、分散排泄、動(dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定”之特點(diǎn)。整個(gè)向斜翼部既是補(bǔ)給區(qū)，又是徑流區(qū)，同時(shí)，排泄也比較分散。因此，在翼部很難劃分出單獨(dú)的“補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)與排泄區(qū)”，“三區(qū)”在翼部是同位一體的。盡管翼部巖溶水對(duì)降雨過(guò)程的反應(yīng)比較敏感，但動(dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，水量變化幅度相對(duì)較小。 與翼部相比，核部具有“分散補(bǔ)給、集中排泄、動(dòng)態(tài)變化劇烈”之特點(diǎn)。核部在地貌上表現(xiàn)為槽谷狀負(fù)地形，而且洼地、漏斗廣布，吸收降水的能力很強(qiáng)，整個(gè)核部都是補(bǔ)給區(qū)；

57、但與翼部不同的是，其排泄相對(duì)集中，從黃家槽到毛家院子近40km2范圍內(nèi)，只有兩個(gè)排泄點(diǎn)，因此，集中性是很強(qiáng)的。核部巖溶水動(dòng)態(tài)對(duì)降雨過(guò)程反應(yīng)極為敏感，水量變化幅度大甚至已經(jīng)基本具備了地表河流的基本特征。 盡管如此，與其它強(qiáng)巖溶化地區(qū)相比，毛壩向斜區(qū)巖溶水的排泄總體上是比較分散的。從黃家槽到飛水涯，向斜兩翼已知的排向區(qū)外的大小排泄點(diǎn)就有30余處；向斜核部一些排泄點(diǎn)的水量，最終也通過(guò)地表河流的形式排出了向斜；二級(jí)巖溶水系統(tǒng)中，以黃家槽犀牛洞系統(tǒng)的分散排泄最為典型。 從隧道涌水的角度來(lái)看，巖溶水的分散排泄是十分有利的。相對(duì)獨(dú)立的巖溶水系統(tǒng)越多，隧道發(fā)生大規(guī)模穩(wěn)定涌水的幾率就越小，因?yàn)?，隧道疏干排水誘發(fā)的人工徑流系統(tǒng)不可能在很短的時(shí)間內(nèi)將所有的系統(tǒng)完全襲奪。2.3巖溶水的系統(tǒng)性分析 巖溶水作為地下水的一種重要類型，按系統(tǒng)發(fā)育是其重要特性之一。所謂巖溶水系統(tǒng)是指具有統(tǒng)一補(bǔ)給來(lái)源和排泄區(qū)的地下水單元。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的巖溶水是一個(gè)整體，某一部分接收或排泄的水量就是整個(gè)系統(tǒng)收人或支出的水量。一般地說(shuō)，不同系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系較差或無(wú)水力聯(lián)系。 通常情況下，豐富的巖溶水都賦存在管道化程度比較高的介質(zhì)中，地下水在能量、流態(tài)、空間分布等許多方面具備地表河水的特征，具有支流、干流、流域和排