DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.10.021

岩溶隧道突水突泥防突评判方法及其工程应用

黄鑫¹，林鹏¹，许振浩^{1, 2, 3}，李术才¹，潘东东¹，高斌²，李召峰¹

(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061；

2. 山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南，250061；

3. 中国地质科学院，北京，100037)

摘要：为实现对岩溶隧道安全性的快速评价，采用统计与理论分析相结合的方法，针对岩溶隧道突水突泥灾害的灾害源和防突结构，选取水动力条件、不良地质、防突厚度及围岩特征这4个方面因素，建立一种适用于工程现场的突水突泥快速判识方法即岩溶隧道突水突泥防突评判方法(PSAM法)，构建突水突泥防突评判影响因素指标体系，即以防突厚度、水压力特征、不良地质、岩体质量和完整性为主要影响因素，围岩节理状态、水源补给条件、水力连通性、岩石强度为次要影响因素，岩层走向与倾角、地应力、岩体透水性特征为修正因素，提出各影响因素的分类方法和等级划分体系，形成适用于工程现场快速查询与评判的影响因素分级与评分表，阐述防突评判实施流程。将该评判方法应用于宜万(湖北宜昌—重庆万县)铁路野三关隧道“602溶腔”大型突水突泥灾害工程。研究结果表明：该评判方法克服了现有突水突泥风险评价不能描述防突结构围岩特征及厚度影响作用的不足以及传统最小安全厚度计算方法针对孕险环境和围岩特征等重要影响因素考虑不全面的欠缺；工程应用结果验证了该评判方法的科学性和实用性。

关键词：岩溶隧道；突水突泥；防突结构；防突厚度；防突评判方法

中图分类号：TU43             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)10-2533-12

Prevention structure assessment method against water and mud inrush in karst tunnels and its application

HUANG Xin¹, LIN Peng¹, XU Zhenhao^{1, 2, 3}, LI Shucai¹, PAN Dongdong¹, GAO Bin², LI Zhaofeng¹

(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China;

2. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan 250061, China;

3. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

Abstract: In order to realize rapid assessment on the safety of karst tunnels, a prevention structure assessment method(PSAM) against water and mud inrush in karst tunnels was proposed through statistical and theoretical analyses based on disaster sources and prevention structure of water and mud inrush in karst tunnels. An evaluation index system was established for this method based on the research about hydrodynamic condition, unfavorable geology, prevention thickness and surrounding rock characteristics. In the evaluation index system, major factors were prevention thickness, hydraulic pressure, unfavorable geology, rock quality and integrality, secondary factors were joint state, recharge condition of groundwater, hydraulic connection and rock strength, and modifying factors were attitude of rocks, crustal stress and seepage state. In addition, methods and criterion of classification were put forward for the evaluation index system. Rating and score tables were created for efficient evaluation at the construction site based on aforementioned methods and criterion of classification. The implementation process of the method was expounded. The assessment method was applied in the actual engineering case of railway tunnel. The results show that the proposed method enriches the theories about risk prevention and control, and will make up for shortages of the minimum safety thickness method. The application effect indicates that the proposed method is rational and feasible, which provides a useful tool for prevention structure assessment at the construction site.

Key words: karst tunnels; water and mud inrush; prevention structure; prevention thickness; assessment method

深长隧道(洞)是交通、水利水电等国家基础设施工程建设的关键控制性工程，涉及公路、铁路、水电、跨流域调水以及矿山资源等诸多工程领域。然而，在隧道施工过程中，“高水压、大体量、强突发”类型突水突泥灾害频发，造成了大量人员伤亡和经济损失，诱发隧址区地表塌陷以及水资源枯竭等一系列重大次生灾害，造成严重的环境破坏和恶劣的社会影响^[1-7]，如衡广复线大瑶山隧道、广邻高速华蓥山隧道、渝怀铁路圆梁山隧道^[8]、武隆隧道^[9]、城黔公路通渝隧道^[10]、宜万铁路野三关隧道^[11]、大支坪隧道、云雾山隧道、马鹿箐隧道^[12]、齐岳山隧道、沪蓉西高速龙潭隧道^[13]、齐岳山隧道^[14]等隧道在施工过程中，均发生多次突水突泥事故，损失惨重：因此，开展隧道突水突泥重大灾害防治理论研究具有重要的理论意义与工程实用价值。突水突泥判识和风险评价与控制成为岩溶隧道安全施工的关键技术问题之一。针对岩溶隧道突水突泥地质灾害风险评价难题，国内外学者通过分析隧址区岩溶发育特征、地下水动力系统、地质构造、地形地貌以及地下水位等突水突泥的孕险环境，基于隧道突水、突泥危险性分级体系^[15]、隧道岩溶涌水专家评判系统^[16-17]、岩溶突涌水地质灾害系统^[18]，应用模糊综合评价法^[19]、层次分析法^[20-21]、属性数学法^[22]等理论与方法，建立了岩溶隧道突水突泥风险评价理论与方法，进而判断隧道施工期突水突泥的可能性，预测地质灾害风险等级及其覆盖区域^[23-26]。针对突水突泥灾害判识难题，国内外学者提出最小安全厚度的概念，并引入弹性力学、断裂力学、损伤力学、能量法以及突变论等理论开展研究^[27-30]，取得了大量研究成果。但最小安全厚度计算方法对突水突泥灾害孕险环境和隧道围岩特征等重要影响因素考虑不全面，且涉及较多难以直接获取或推演的力学参数。随着隧道建设重心逐渐向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，隧道修建面临大埋深、高水压、强岩溶等挑战，防突结构最小安全厚度计算方法不能很好地应用于复杂岩溶隧道突水突泥地质灾害评判中。基于上述分析，在突水突泥判识和风险防控方面，地质灾害风险评价方法主要针对孕险环境，是区域性灾害预测方法，不能描述防突结构围岩特征及厚度对突水突泥的影响作用；最小安全厚度计算方法是描述防突厚度与水压力特征等影响下的突水突泥判识方法，但针对孕险环境和围岩特征等重要影响因素考虑不全面，且涉及较多难以直接获取或推演的力学参数。为此，本文作者借鉴岩体质量评价与分类方法，分析突水突泥灾害的灾害源和防突结构，针对水动力条件、不良地质、防突厚度、围岩特征这4个方面，选取水压力特征、水源补给条件、水力连通性、不良地质、岩层走向与倾角、防突厚度、岩体质量和完整性、节理状态、岩石强度、地应力、岩体透水性特征共11个主要影响因素作为评判指标，提出隧道突水突泥防突评判方法(PSAM法)，建立各影响因素等级划分与评分体系，阐述防突评判实施流程。最后，通过在宜万铁路野三关隧道典型突水突泥灾害工程案例中进行应用，验证该防突评判方法的科学性和实用性。

1  防突评判方法

突水突泥实质上是不良地质构造在隧道及地下工程开挖作用的影响下，地下水、黏性土、砂石等涌入隧道的现象，其影响因素众多且复杂，因此，开展精确的突水突泥防突评判十分困难。本文通过分析突水突泥灾害的灾害源D_s和防突结构P_s，从水动力条件U_w、不良地质U_g、防突厚度P_t和围岩特征S_r这4个方面着手研究隧道突水突泥防突结构的稳定性评价方法。其中水动力条件包括水压力特征H_p、水源补给条件W_r和水力连通性H_c；围岩特征包括岩体质量和完整性R_i、节理状态J_s、岩石强度R_c，并受地应力G、岩体透水性特征K和岩层走向与倾角Ψ影响，如图1所示。围岩特征各影响因素的分类方法综合借鉴了岩体质量评价与分类的相关方法，如RQD分类法^[31]、BQ分类法^[32]、RMR分类法^[33]和NGI(Q系统)分类法^[34-35]，同时紧密结合隧道突水突泥灾害的工程特征，确保围岩特征影响因素的分类方法具有较强的科学性和适用性。

基于大量工程案例统计与分析^{[2, 4, 10, 19, 22, 26, 36]}及层次分析方法，防突评判针对防突厚度P_t、水压力特征H_p、不良地质U_g、岩体质量和完整性R_i、节理状态J_s、水源补给条件W_r、水力连通性H_c、岩石强度R_c、地应力G、岩体透水性特征K和岩层走向与倾角Ψ共11个影响因素，进行综合评分，最高分值为500。根据各因素对防突评判影响作用不同，对各因素分值进行分配，分配分值见表1。

图1  防突评判影响因素指标体系

Fig. 1  Index system of influence factors for safety assessment

表1  防突评判影响因素分值分配表

Table 1  Influence factors of safety assessment and their scores

从表1可知：防突厚度、水压力特征、不良地质、岩体质量和完整性对防突评判影响最大，分数比例占76%，为主要影响因素；其次为围岩节理状态、水源补给条件、水力连通性和岩石强度，分数比例占24%，为次要影响因素；最后为岩层走向与倾角、地应力和岩体透水性特征，为修正影响因素。

防突评判总分值Q计算式为

         (1)

水动力条件分值计算式为

          (2)

围岩特征分值计算式为

     (3)

式中：为防突厚度P_t的评分，其他符号含义类推。分值由岩石质量指标R_QD和完整性指标J_n决定，

             (4)

式(3)中，J_s由节理闭合情况J_c、节理粗糙度J_r和节理充填物性质J_a决定，

            (5)

岩溶隧道突水突泥防突评判等级分为I~IV级，如表2所示。I级表示防突结构处于理想安全状态，对突水突泥具有足够强的抵抗能力。II级表示防突结构处于基本安全状态，在施工过程中应注意控制好开挖步距，及时支护。III级表示防突结构可能会发生滞后破坏。在滞后破坏阶段，受水压力、地下水渗流以及施工扰动等影响，防突结构会发生渐进性破坏，最终诱发突水突泥灾害。当然，若处治及时，如采取注浆加固、泄水降压以及封堵地下水补给通道等措施，则仍然可以防止突水突泥灾害的发生。IV级表示防突结构将直接破坏，破断垮塌，发生突水突泥灾害。

表2  防突评判等级与分值

Table 2  Classification of safety assessment and scores

2  防突评判影响因素

2.1  防突厚度P_t

防突结构是阻止突水突泥灾害发生的最后一道屏障，是灾害源内积聚的能量释放时作用的对象，是突水通道最终贯通的突破口。防突结构的破裂是灾害源水体运移和隧道内施工扰动共同诱发的动力破坏过程。传统防突结构安全厚度通常由松弛带厚度D₁、过渡带厚度和裂隙带厚度D₂这3部分组成^[36-38]。松弛带厚度主要受开挖扰动影响，并与围岩级别有关。裂隙带通常发育在岩溶构造周边^[39]，裂隙带厚度主要受地层岩性、岩层厚度影响。当松弛带和裂隙带相互贯通即防突厚度d≤D₁+D₂时，防突结构将会发生滞后破坏或直接破坏，从而诱发突水突泥灾害事故。另外，大量工程案例实践经验显示，当防突厚度超过1倍洞径时，通常不会发生突水突泥灾害，称为安全厚度D₃。基于前述理论研究和工程经验，将防突厚度分为3个等级，并作为突水突泥防突评判的初步评判准则，如表3所示。松弛带厚度D₁和裂隙带厚度D₂可由物探和钻探手段测得，若无物探或钻探结果，则可据表4和表5取值。

表3  防突厚度等级与初步评判准则

Table 3  Classification of thickness and preliminary assessment criterion

表4  松弛带厚度D₁取值查询表

Table 4  Thickness of relaxation zone D₁

表5  裂隙带厚度D₂取值查询表

Table 5  Thickness of fractured zone D₂

2.2  水压力特征H_p

地下水是隧道突水突泥的主要灾害源，也是决定性因素之一。地下水位越高，水压力越大，对防突结构的安全性威胁越大，突水突泥发生的概率越高，且一旦发生突水突泥灾害，其危害也越大。在传统隧道突水突泥风险评价中，通常以水头高度来描述地下水位对突水突泥风险的影响作用^[20]。基于此，水压力特征根据水头高度或水压力同样分为4个等级，其等级划分与评分值如表6所示。

表6  水压力特征H_p等级与评分值

Table 6  Classification of hydraulic pressure H_p and scores

2.3  不良地质U_g

在隧道施工过程中遭遇各种不良地质，构成岩溶类、断层类和其他成因类突水突泥致灾构造^[40]。这些不良地质体的类型、规模等在很大程度上决定了隧道突水突泥的致灾性。按致灾性强弱，不良地质体可分为4个水平分级，如表7所示。

表7  不良地质体等级U_g等级与评分值

Table 7  Classification of unfavorable geology U_g and scores

2.4  岩体质量和完整性R_i

岩体质量和完整性是影响岩溶隧道防突评判的一个重要因素。若围岩完整性好、强度高、无不利结构面，则抗变形能力强，施工扰动变形量小，抵抗突水突泥灾害能力强；若围岩完整性差、强度低、不利结构面发育，则抗变形能力弱，施工扰动变形量大，特别是断层破碎带、充填型溶腔等软弱带(体)在地下水作用下，常产生渗透失稳或整体挤出破坏，若施工稍有不当，则可导致突水突泥灾害发生。表8为岩石质量指标R_QD与评分值，表9所示为岩体完整性指标J_n与折减系数。岩体质量和完整性评分值根据式(4)、表8和表9确定。

表8  岩石质量指标R_QD与评分值

Table 8  R_QD and scores

表9  岩体完整性指标J_n与折减系数

Table 9  Rock integrality index J_n and reduction factors

2.5  节理状态J_s

若围岩节理的张开程度越大、节理越平直且无充填物，则岩石风化越严重，围岩越破碎，对围岩稳定性越不利，地下水在节理中运移越通畅，发生突水突泥时地下水补给源越丰富，灾害越严重。表10所示为节理闭合情况与评分值，表11所示为节理粗糙度与评分值，表12为充填物性质与折减系数。节理状态评分值根据式(5)和表10~12确定。

表10  围岩节理闭合情况J_c与评分值

Table 10  Joint closing state J_c and scores

表11  围岩节理粗糙度J_r与评分值

Table 11  Joint roughness J_r and scores

表12  围岩节理充填物性质J_a与折减系数

Table 12  Character of fillings in joint J_a and reduction factors

2.6  水源补给条件W_r

水源补给条件和地下水连通性在很大程度上会改变地下水的水压力特征，从而影响防突评判。洼地、漏斗、落水洞、槽谷等负地形都是地下水系统的重要输入点，输入水量与各输入点的地表汇水面积有关。大型地下水输入点如洼地、地下河入口的地下延伸一般是地下河支流的河道。根据地表负地形、汇水能力或地下水补给情况不同，将水源补给条件分为4个水平并进行评分，如表13所示。

2.7  地下水连通性H_c

地下水的连通性主要体现在：隧址区溶蚀裂隙的发育状况；与岩溶洼地、落水洞的连通性；岩层的倾角及层面裂隙发育状况；岩层的竖向贯通性；断层是否连通隧道；地表、构造裂隙发育情况等。地下水的连通性越好，对突水突泥防突结构的安全性越不利。根据地下水连通情况不同，将地下水连通性分为强导水性、中等导水性、弱导水性、微导水性共4个等级，并进行评分，如表14所示。

2.8  岩石强度R_c

完整岩石强度的评分值通过测量点荷载强度或单轴抗压强度并根据表15进行确定。

2.9  岩层走向和倾角Ψ

岩层走向和倾角评分值通过分析岩层走向与隧道轴线和掘进方向的关系确定，如表16所示。

2.10  地应力影响G

隧道开挖会改变初始应力场的分布，应力场的初始状态在一定程度上决定了应力场的二次分布。当应力与渗流耦合时，初始地应力则通过隧道施工应力二次分布影响着渗流场的变化，进而影响突水突泥过程。将初始地应力状态分为极高应力、高应力、中等应力和低应力共4个等级，并进行评分，如表17所示。

表13  水源补给条件W_r分级与评分值

Table 13  Classification of water recharge condition W_r and scores

表14  地下水连通性H_c分级与评分值

Table 14  Classification of hydraulic connection H_c and scores

表15  完整岩石强度R_c分级与评分值

Table 15  Classification of rock strength R_c and scores

表16  岩层走向和倾角Ψ分级与评分值

Table 16  Classification of attitudes of rock Ψ and scores

表17  地应力G分级与评分值

Table 17  Classification of crustal stress G and scores

2.11  围岩透水性K

围岩透水性是地下水流动与运移的重要影响因素之一。围岩透水性越强，在适宜的补给条件下，地下水流动和运移速度越快，对围岩体不利结构面的弱化作用越强，越不利于防突结构安全。根据隧道开挖后的出水状态及涌水量，可将围岩透水性分为5个等级并进行评分，如表18所示。

表18  围岩透水性K分级与评分值

Table 18  Classification of seepage state K and scores

3  防突评判实施流程

岩溶隧道突水突泥防突评判实施流程如图2所示。

1) 确定松弛带厚度D₁、裂隙带厚度D₂和安全厚度D₃；松弛带厚度和裂隙带厚度可由物探和钻探测得或查询表4和表5获得。

2) 初步评判。根据防突厚度d进行初步评判：若d≤D₁+D₂，则防突结构将发生滞后破坏或直接破坏；若d＞D₁+D₂+D₃，则防突结构处于安全或基本安全状态；若D₁+D₂＜d≤D₁+D₂+D₃，则需要对防突结构进行分值评判。

图2  防突评判流程

Fig. 2  Workflow of safety assessment

3) 分值评判。对防突厚度、水动力条件、不良地质和围岩特征等所有影响因素进行分级评分，根据式(1)和表1进行防突评判，评判结果分为安全、基本安全、滞后破坏或直接破坏共4种。

4  案例分析

4.1  工程概况

宜万铁路野三关隧道位于恩施州巴东县野三关镇碗口河和支井河之间，从DK116+205~ DK130+038，全长13 833 m，最大埋深684 m，为宜万铁路全线最长的隧道^[41]。由于隧道洞身通过广泛分布的可溶岩地层，岩溶发育强烈，水文地质条件和地质构造复杂，是宜万铁路的重要控制工程。隧道穿越三叠系大冶组、嘉陵江组、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层。在该隧道中，碎屑岩地层占37%，灰岩地层占隧道63%，隧址区内发育岩溶管道流6条，其中3号暗河对隧道影响最大。3号暗河呈带状分布，在隧道上方斜穿，排泄基准面标高为1 050 m，高于隧道220 m，暗河通过岩溶裂隙、断层等通道与隧道的水力联系较强；区内共发育12条断层，其中F18断层切割、连通3号暗河，存在重大突水突泥风险，隧道多次通过碎屑岩与灰岩接触带，施工风险高^[41-42]。宜万铁路野三关隧道部分地质剖面图如图3所示。

4.2  突水突泥情况

2007-08-05，在宜万铁路野三关隧道I线出口端开挖至DK124+602时，突然发生大型崩塌、突泥、突石的重大透水灾害。在高水压作用下，地下水沿隐蔽破碎岩体传递压力，压裂隧道临空面完整围岩，导致隧道洞室大规模崩塌，并贯通隧道上方的岩溶管道，袭夺3号地下暗河。瞬间涌水量达到15万m³/h，涌出泥砂及块石5.4万m³，堆满隧道400 m左右，造成巨大经济损失和人员伤亡^[43]。

图3  宜万铁路野三关隧道部分地质剖面图

Fig. 3  Geological section map of Yesanguan tunnel on Yichang—Wanzhou railway

4.3  影响因素分析

4.3.1  防突厚度P_t

在对泄水支洞前方的溶腔进行超前钻孔锁定边界时，发现泄水支洞前方岩墙临溶腔侧存在1.2~1.9 m厚度不等的破碎灰岩区，因此，可以取裂隙带厚度D₂为2.00 m；围岩等级为II级，因此，松弛带厚度D₁取1.00 m；隧道正洞断面为马蹄型，宽7.16 m，高9.46 m，取安全厚度D₃为7.50 m。

经初步评判可得：当d≤3.0 m时，防突结构将发生直接破坏或滞后破坏；当d＞10.5 m时，防突结构安全或基本安全；当3.0＜d≤10.5 m时，继续进行分值评判。

4.3.2  不良地质U_g

溶腔发育范围为DK124+583~DK124+610，沿隧道纵向长27.0 m。溶腔横穿隧道，主溶腔位于I线DK124+580~DK124+640左侧40 m、左上方100~250 m附近，向上与地表连通，向右侧逐渐尖灭，发育成宽张裂隙。充填物为灰岩块石、砂卵石、淤泥及水，“602溶腔”突水突泥溃口在DK124+602~DK124+605左侧边墙，总涌水量达2 600万m³。

4.3.3  水压力特征H_p

突水前，DK124+602处溶洞内实测水压力为1.0 MPa，突水后，溶洞水压力一般在0.1 MPa左右，周边岩体裂隙水压为0.3~0.9 MPa^[41]。

4.3.4  水源补给情况W_r

隧道处于灰岩与泥岩接触带区的灰岩段，属于灰岩含水层向泥岩非含水层过渡带。灰岩段岩溶裂隙水发育，富含地下水，其地下水与野三关隧道3号暗河处于同一水文地质单元。示踪试验结果表明：隧道突水点与水洞坪岩溶洼地地表水以及3号地下暗河之间存在明显的水力联系，表明水洞坪岩溶洼地地表水、3号地下暗河和二叠系栖霞—茅口组岩溶含水层是突水的主要水源^[44]。

4.3.5  水力连通性H_c

该区段垂向岩溶如落水洞、岩溶漏斗、洼地等极为发育。地下水补给条件及径流条件好，通过断层破碎带易将岩溶水导入隧道。

4.3.6  围岩完整性R_i

该段隧道穿越二叠系下统栖霞组和茅口组的灰岩以及含燧石结核灰岩夹沥青质地层，厚层状，岩心较完整，R_QD=70%，隧道围岩分级为II级，J_n=1.2。

4.3.7 节理状态J_s

岩溶裂隙发育，裂隙发育方向与隧道近垂直或大角度相交，横穿I线、II线，基本上沿岩层走向发育，主要节理闭合或发生剪切错动，为粗糙或波状节理，偶有裂隙夹泥或夹杂炭质灰岩颗粒。

4.3.8  岩块强度R_c

隧道DK124+550~+650段穿越围岩情况如前4.3.6节所述，岩体完整，为Ⅱ级围岩。隧道围岩崩塌堆积体为栖霞组深灰色灰岩块体，岩块的单轴抗压强度为90~110 MPa。

4.3.9  修正因素

1) 围岩透水性影响K：地质资料显示，DK124+ 550~+650段洞身处于地下水深部循环带，岩溶发育程度较弱，以裂隙渗水、滴水为主，水量动态较稳定。实际施工揭露情况为靠近掌子面里程出现多个涌水点^[42]，且涌水量较大。

2) 地应力影响G：DK124+602溶洞处隧道埋深为520 m，δ＞7，属于低应力。

3) 岩层走向和倾角Ψ：该段位于石马坝背斜的西翼，隧道反倾向掘进，岩层倾角Ψ为10°~45°。

4.4  防突评判结果

根据上述针对野三关隧道各影响因素分析得到相应因素评分值，如表19所示。

表19  野三关隧道防突评判影响因素评分值

Table 19  Scores of assessment factors of Yesanguan tunnel

下面针对水动力条件、不良地质和围岩特征这3个主要大类影响因素在防突评判中的影响程度进行分析，主要从其贡献的评分值和评分值占各类总分值的百分比2个方面考虑。评分值越高，说明此因素在防突作用方面越强；百分比越低，说明此因素在防突方面是“短板”因素，是施工补强措施中首要考虑的因素。野三关隧道防突评判中主要大类影响因素评分值和百分比见图4。

从图4可知：围岩特征S_r评分值最高，说明该段围岩条件在防突结构稳定性中起重要作用；水动力条件U_w的百分比仅为25%，是明显的“短板”因素，要加强防突结构的安全性，首先考虑水动力条件，泄水降压，封堵补给通道，主动防控。

根据表19中各因素评分值，按照式(1)可得防突评判分值Q为

              (6)

当d∈(D₁+D₂，D₁+D₂+D₃]即3＜d≤10.5 m时，防突评判分值与防突厚度之间的关系曲线如图5所示。图5中防突厚度的评分值与防突厚度按呈线性关系，即

图4  水动力条件、不良地质和围岩特征的评分值和百分比

Fig. 4  Scores and percentages of hydrodynamic condition, unfavorable geology and surrounding rock characteristics

图5  防突评判分值Q与防突厚度d之间的关系曲线

Fig. 5  Relation curves between assessment score and prevention thickness

           (7)

分析图5中Q-d关系曲线2可得：当防突厚度d＞10.0 m时，防突评判等级为II级，基本安全；当防突厚度3.0＜d≤10.0 m时，防突评判等级为III级，发生滞后破坏；当防突结构厚度d≤3 m时，防突评判等级为III级或IV级，发生滞后破坏或直接破坏。

野三关隧道实际工程施工中发生“602溶腔”突水突泥时厚度为7.5 m，小于计算所得的临界防突厚度10.0 m，并且本次灾害是在高水压和开挖扰动双重作用下，防突结构裂隙扩展至贯通，发生渐进性破坏诱发突水突泥，为滞后型突水突泥。

4.5  讨论

若在灾害发生前对602溶腔进行泄水降压，将溶腔水压力降至低于0.1 MPa(见图5中曲线1)，则当防突厚度d≥6.5 m时，防突评判等级为II级，基本安全。此时，当掌子面开挖至防突厚度为7.5 m时，便不会发生突水突泥灾害。若进一步采取封堵地下水补给通道、注浆加固围岩、改善不良地质体等主动防控措施，则防突结构发生破坏的临界防突厚度会逐渐减小，如图6所示。采取泄水降压、封堵地下水补给通道主动防控措施后，水动力条件、不良地质和围岩特征的评分值之和为210，防突结构临界防突厚度为5.5 m，小于实际突水厚度。当进一步改善不良地质条件时，防突结构临界防突厚度会进一步减小。

野三关隧道突水突泥灾害处理过程中“实施高位泄水支洞降低水压力，采取注浆堵水固结溃口块石堆积体以及超前管棚预支护措施”等技术^[43]与上述“泄水降压、封堵地下水补给通道等主动防控措施”相一致，避免了后期处治过程中突水突泥灾害的再次发生。在类似存在突水突泥灾害的岩溶隧道施工过程中，也可采用上述措施进行控制，从而降低防突评判等级，避免突水突泥灾害发生，保证隧道施工安全。

图6  主动防控措施条件下临界防突厚度对比

Fig. 6  Different critical prevention thickness under different preventive measures

5  结论

1) 针对突水突泥灾害的灾害源和防突结构，考虑水动力条件、不良地质、防突厚度和围岩特征这4个方面，建立了隧道突水突泥防突评判方法，形成了一种适用于工程现场的突水突泥快速判识方法，克服了现有突水突泥风险评价未能描述防突结构围岩特征和厚度影响作用的不足以及传统最小安全厚度计算方法针对孕险环境和围岩特征等重要影响因素考虑不全面的欠缺。

2) 构建了突水突泥防突评判影响因素指标体系：防突结构厚度、水压力特征、不良地质与岩体质量和完整性为主要影响因素；围岩节理状态、水源补给条件、水力连通性和岩石强度为次要影响因素；岩层走向与倾角、地应力和岩体透水性特征为修正因素。提出了各影响因素等级划分方法与评分体系，形成了分级与评分查询表，保证了防突评判方法的科学性和实用性，并实现了工程现场快速查询与评判。

3) 在宜万铁路野三关隧道“602溶腔”突水突泥防突评判中，水动力条件是确保防突结构安全的“短板”因素；灾害发生时的厚度小于计算所得的临界防突厚度，为滞后型突水突泥。工程案例分析证明了防突评判方法的科学性和实用性。

参考文献：

[1] 钱七虎. 地下工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(10): 1945-1956.

QIAN Qihu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1945-1956.

[2] LI Shucai, ZHOU Zongqing, LI Liping, et al. Risk assessment of water inrush in karst tunnels based on attribute synthetic evaluation system[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 38: 50-58.

[3] LI Xueping, LI Yunan. Research on risk assessment system for water inrush in the karst tunnel construction based on GIS: case study on the diversion tunnel groups of the Jinping II Hydropower Station[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40: 182-191.

[4] 李术才, 周宗青, 李利平, 等. 岩溶隧道突水风险评价理论与方法及工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(9): 1858-1867.

LI Shucai, ZHOU Zongqing, LI Liping, et al. Karst tunnel water inrush risk evaluation theory and methods and engineering application[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(9): 1858-1867.

[5] GATTINONI P, SCESI L. An empirical equation for tunnel inflow assessment: application to sedimentary rock masses[J]. Hydrogeology Journal, 2010, 18(8): 1797-1810.

[6] ZHAO Yong, LI Pengfei, TIAN Siming. Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013, 5(6): 468-477.

[7] WANG Xiaozhen, XU Jialin, ZHU Weibing, et al. Roof pre-blasting to prevent support crushing and water inrush accidents[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(3): 379-384.

[8] 刘招伟, 何满潮, 王树仁. 圆梁山隧道岩溶突水机制及防治对策研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(2): 228-232.

LIU Zhaowei, HE Manchao, WANG Shuren. Study of karst waterburst mechanism and prevention countermeasures in Yuanliangshan tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(2): 228-232.

[9] 张小华, 刘清文. 武隆隧道暗河突水特点与整治技术分析[J]. 现代隧道技术, 2005, 42(3): 59-64.

ZHANG Xiaohua, LIU Qingwen. Analysis of the features of water outbursts from underground rivers and the counterm easures in Wulong tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2005, 42(3): 59-64.

[10] 顾义磊, 李晓红, 赵瑜, 等. 通渝隧道涌突泥成因分析[J]. 岩土力学, 2005, 26(6): 920-923.

GU Yilei, LI Xiaohong, ZHAO Yu, et al. Analysis of forming reason of mud breakout in Tong—Yu tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(6): 920-923.

[11] JIANG Haiming, LI Lang, RONG Xiaoli, et al. Model test to investigate waterproof-resistant slab minimum safety thickness for water inrush geohazards[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2017, 62: 35-42.

[12] 金新锋, 夏日元, 梁彬. 宜万铁路马鹿箐隧道岩溶突水来源分析[J]. 水文地质工程地质, 2007, 34(2): 71-74, 80.

JIN Xinfeng, XIA Riyuan, LIANG Bin. Analysis of bursting water source of Maluqing tunnel, Yichang—Wanzhou railway[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2007, 34(2): 71-74, 80.

[13] 刘钦, 李术才, 李煜航, 等. 龙潭隧道 F2断层处涌水突泥机理及治理研究[J]. 地下空间与工程学报, 2013, 9(6): 1419-1426.

LIU Qin, LI Shucai, LI Yuhang, et al. Study on mechanism and treatment of gushing water and burst mud at F2 fault in Longtan tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1419-1426.

[14] 林传年. 齐岳山隧道岩溶裂隙水超前预报与治理研究[J]. 地下空间与工程学报, 2008, 4(4): 789-792.

LIN Chuannian. Study on prediction and treatment technology of karst fissure water of Qiyue Mountain tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2008, 4(4): 789-792.

[15] 毛邦燕, 许模, 蒋良文. 隧道岩溶突水、突泥危险性评价初探[J]. 中国岩溶, 2010, 29(2): 183-189.

MAO Bangyan, XU Mo, JIANG Liangwen. Preliminary study on risk assessment of water and mud inrush in karst tunnel[J]. Carsologica Sinica, 2010, 29(2): 183-189.

[16] 韩行瑞. 岩溶隧道涌水及其专家评判系统[J]. 中国岩溶, 2004, 23(3): 213-218.

HAN Xingrui. Karst water bursting in tunnel and expert judging system[J]. Carsologica Sinica, 2004, 23(3): 213-218.

[17] 叶志华, 韩行瑞, 张高明, 等. 隧道岩溶涌水专家评判系统在朱家岩隧道涌水预报中的应用[J]. 中国岩溶, 2006, 25(2): 139-145.

YE Zhihua, HAN Xingrui, ZHANG Gaoming, et al. Application of experters judging system in predicting karst water bursting in Zhujiayan tunnel[J]. Carsologica Sinica, 2006, 25(2): 139-145.

[18] 匡星, 白明洲, 王成亮, 等. 基于模糊评价方法的隧道岩溶突水地质灾害综合预警方法[J]. 公路交通科技, 2010, 27(11): 100-103.

KUANG Xing, BAI Mingzhou, WANG Chengliang, et al. Research of comprehensive warning of water inrush hazards in karst tunnel based on fuzzy evolution method[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27(11): 100-103.

[19] 李利平, 李术才, 陈军, 等. 基于岩溶突涌水风险评价的隧道施工许可机制及其应用研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(7): 1345-1354.

LI Liping, LI Shucai, CHEN Jun, et al. Construction license mechanism and its application based on karst water inrush risk evaluation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1345-1354.

[20] 许振浩, 李术才, 李利平, 等. 基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J]. 岩土力学, 2011, 32(6): 1757-1766.

XU Zhenhao, LI Shucai, LI Liping, et al. Risk assessment of water or mud inrush of karst tunnels based on analytic hierarchy process[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(6): 1757-1766.

[21] 杜毓超, 韩行瑞, 李兆林. 基于AHP 的岩溶隧道涌水专家评判系统及其应用[J]. 中国岩溶, 2009, 28(3): 281-287.

DU Yuchao, HAN Xingrui, LI Zhaolin. Professional evaluating system for karst tunnel gushing based on AHP and its application[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(3): 281-287.

[22] 周宗青, 李术才, 李利平, 等. 岩溶隧道突涌水危险性评价的属性识别模型及其工程应用[J]. 岩土力学, 2013, 34(3): 818-826.

ZHOU Zongqing, LI Shucai, LI Liping, et al. Attribute recognition model of fatalness assessment of water inrush in karst tunnels and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(3): 818-826.

[23] 钱七虎, 戎晓力. 中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(4): 649-655.

QIAN Qihu, RONG Xiaoli. State, issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(4): 649-655.

[24] 黄宏伟. 隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展[J]. 地下空间与工程学报, 2006, 2(1): 13-20.

HUANG Hongwei. State of the art of the research on risk management in construction of tunnel and underground works[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(1): 13-20.

[25] 陈龙, 黄宏伟. 岩石隧道工程风险浅析[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(1): 110-115.

CHEN Long, HUANG Hongwei. Risk analysis of rock tunnel engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(1): 110-115.

[26] 许振浩, 李术才, 李利平, 等. 基于风险动态评估与控制的岩溶隧道施工许可机制[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(11): 1714-1725.

XU Zhenhao, LI Shuca, LI Liping, et al. Construction permit mechanism of karst tunnels based on dynamic assessment and management of risk[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(11): 1714-1725.

[27] 杨天鸿, 唐春安, 谭志宏, 等. 岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(2): 268-277.

YANG Tianhong, TANG Chun’an, TAN Zhihong, et al. State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 268-277.

[28] WOLKERSDORFER C, BOWELL R. Contemporary reviews of mine water studies in Europe[J]. Mine Water and the Environment, 2005, 24(1): 2-37.

[29] SALIS M, DUCKSTEIN L. Mining under a limestone aquifer in southern Sardinia: a multiobjective approach[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1983, 1(4): 357-374.

[30] KUZENTSOV S V, TROFLMOV V A. Hydrodynamic effect of coal seam compression[J]. Journal of Mining Science, 2002, 39(3): 205-212.

[31] DEERE D U, HENDRON A J, PATTON F D, et al. Design of surface and near surface construction in rock in failure and breakage of rock[C]//Proceedings of the 8th U.S. Symposium on Rock Mechanics. New York: Society of Mining Engineers, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers (SAUS), 1967: 237-302.

[32] GB 50218—94, 工程岩体分级标准[S].

GB 50218—94, Standard for engineering classification of rock masses[S].

[33] BIENIAWSKI Z T. Determining rock mass deformability: experience from case histories[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1978, 15(5): 237-247.

[34] BARTON N, LOSET F, LIEN R, et al. Application of Q-system in design decisions concerning dimensions and appropriate support for underground installations[C]//International Conference on Sub-surface Space, Rock Store. Stockholm, 1981: 553-561.

[35] BARTON N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002, 39(2): 185-216.

[36] 李利平, 李术才, 张庆松. 岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(2): 523-528.

LI Liping, LI Shucai, ZHANG Qingsong. Study of mechanism of water inrush induced by hydraulic fracturing in karst tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2): 523-528.

[37] 干昆蓉, 杨毅, 李建设. 某隧道岩溶突水机制分析及安全岩墙厚度的确定[J]. 隧道建设, 2007, 27(3): 13-16.

GAN Kunrong, YANG Yi, LI Jianshe. Analysis on karst water inflow mechanism and determination of thickness of safe rock walls: case study on a tunnel[J]. Tunnel Construction, 2007, 27(3): 13-16.

[38] 郭佳奇. 岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2011: 139-147.

GUO Jiaqi. Study on against-inrush thickness and waterburst mechanism of karst tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2011: 139-147.

[39] CRISS E M, CRISS R E, OSBURN G R. Effects of stress on cave passage shape in karst terranes[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2008, 41(3): 499-505.

[40] 李术才, 许振浩, 黄鑫, 等. 隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(5): 1041-1069.

LI Shucai, XU Zhenhao, HUANG Xin, et al. Classification, geological identification, hazard mode and typical case studies of hazard-causing structures for water and mud inrush in tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(5): 1041-1069.

[41] 孙明彪. 宜万铁路野三关隧道602溶腔处治[J]. 现代隧道技术, 2010, 47(1): 91-98.

SUN Mingbiao. 602 karst cave treatment in Yesanguan tunnel on Yichang—Wanzhou railway[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(1): 91-98.

[42] 马栋. 深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2012: 27-45.

MA Dong. Study on impact mechanism of deep buried Karst to tunnel safety and the treatment technique[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2012: 27-45.

[43] 张梅, 张民庆, 孙国庆. 宜万铁路野三关隧道高压富水充填溶腔溃口处理技术[J]. 铁道工程学报, 2010, 27(3): 81-86.

ZHANG Mei, ZHANG Minqing, SUN Guoqing. Technology for treating burst port of filling solution cavity with high-pressure and rich water of Yesanguan tunnel on Yichang—Wanzhou railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 27(3): 81-86.

[44] 邬立, 万军伟, 陈刚, 等. 宜万铁路野三关隧道“8.5”突水事故成因分析[J]. 中国岩溶, 2009, 28(2): 212-218.

WU Li, WAN Junwei, CHEN Gang, et al. Cause of the “8.5” water burst incident at Yesanguan tunnel along the Yi—Wan railway[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(2): 212-218.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-04-11；修回日期：2018-06-09

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51509147，51709158)；国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51422904)　(Projects(51509147, 51709158) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(51422904) supported by the National Natural Science Foundation for Excellent Youth Scholars of China)

通信作者：许振浩，博士，副教授，从事地下工程灾害防控理论与技术研究；E-mail：zhenhao_xu@sdu.edu.cn