佘林輝

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

近10年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的大幅度提高，鐵路公路交通建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，我國已修建了不少長隧道、特長隧道以及隧道群，隧道占鐵路公路里程比例不斷增大。預(yù)報(bào)技術(shù)在應(yīng)用中不斷發(fā)展進(jìn)步。但是在建隧道，涌突水事故仍然時(shí)有發(fā)生，給人民的財(cái)產(chǎn)安全和人身安全帶來了重大危害。為降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度，對不良地質(zhì)段進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，但目前的勘察報(bào)告通常只有段落涌水量預(yù)測，沒有具體構(gòu)造涌突水水量、水壓、水電導(dǎo)率等相關(guān)信息的報(bào)告。為了預(yù)測、預(yù)防涌突水，減少涌突水帶來的危害，需要有針對性地布置實(shí)施勘察、預(yù)報(bào)工作，進(jìn)一步增大重點(diǎn)地段的投入，需要對隧道涌突水原因、規(guī)律進(jìn)行了解。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)通常包括常規(guī)地質(zhì)法、物探法、超前鉆探、超前導(dǎo)坑和工程類比法等。常規(guī)地質(zhì)法作為綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)方法，總是被不斷地應(yīng)用，文獻(xiàn)［1－2］主要介紹了常規(guī)地質(zhì)法的作用，分析了涌突水的可能性及其規(guī)模，將多解性的物探異常翻譯成地質(zhì)術(shù)語。文獻(xiàn)［3－6］主要介紹了物探法能更準(zhǔn)確地尋找已經(jīng)推斷存在的涌突水位置，判斷地表發(fā)育的涌突水構(gòu)造，尋找可能被錯(cuò)過的含水構(gòu)造，但物探仍然不能判定涌突水的規(guī)模，它的特點(diǎn)是對隧道施工干擾小，是指導(dǎo)鉆孔探測的方向。超前鉆探與超前導(dǎo)坑一方面可以探測這種可能性及其規(guī)模，另一方面可以通過鉆孔釋放壓力，將突水變成涌水，并能減少最大涌水量，但是鉆孔的斷面小且少量鉆孔，無論是在地表鉆探、洞內(nèi)鉆探及導(dǎo)坑都不能完全代表隧道施工時(shí)的情況。而大量鉆孔則耗時(shí)過多，因此鉆孔的布置需要地質(zhì)法和物探法為指導(dǎo)。工程類比法對整體地質(zhì)情況的把握較好，但類比條件比較苛刻，需要大量工程實(shí)例的積累。

本文從地質(zhì)角度出發(fā)進(jìn)行研究，將涌突水進(jìn)行分類，并分述其發(fā)生的條件，從水源、水匯集速度和水壓等幾個(gè)方面談隧道發(fā)生涌突水的可能性，并對幾個(gè)隧道涌突水事件進(jìn)行分析，提出勘察、超前預(yù)報(bào)及施工注意事項(xiàng)。

1 涌突水條件

涌突水一般可分為長時(shí)間持續(xù)涌突水和短時(shí)間一次性涌突水。

涌水需要具備的條件為豐富的地下水補(bǔ)給源、足夠大的含水構(gòu)造和能很快匯聚地下水的流動(dòng)途徑。

突水需要在涌水條件的基礎(chǔ)上增加條件，開挖面巖體導(dǎo)水裂隙不發(fā)育，能形成一定水壓，且水壓超過了開挖面巖體的抵抗能力。

1.1 地下水補(bǔ)給源

地下水補(bǔ)給源主要有大氣降水、地表水和含水層之間的補(bǔ)給。地下水補(bǔ)給示意圖見圖1。

1.1.1 大氣降水補(bǔ)給

大氣降水補(bǔ)給量由降雨量、地表匯水和降水入滲能力綜合確定，且大氣降水有季節(jié)性。主要通過大氣降水補(bǔ)給的隧道段，可進(jìn)行如下分析。

1)大氣降水補(bǔ)給不豐富的部分，可認(rèn)定為不存在持續(xù)涌突水的可能，需提防有些地方雖年降雨量少，但日降雨量頗高，加之地表匯水面積大，可能發(fā)生短時(shí)間涌水;大氣降水補(bǔ)給豐富的部分，可根據(jù)季節(jié)降水量來判斷不同季節(jié)涌突水的可能，根據(jù)情況選擇避開豐水季節(jié)，切斷補(bǔ)給源，或者選擇合適的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。在枯水季節(jié)施工時(shí)，判斷豐水季節(jié)情況，注意加強(qiáng)支護(hù)，以免豐水季節(jié)圍巖抗剪強(qiáng)度降低，水壓增大，導(dǎo)致隧道涌突水。

2)通常采用年降雨量或者月降雨量計(jì)算隧道地下水水量，不考慮地表是否有集水、積水地貌，這對于整個(gè)隧道日常涌水量計(jì)算也許合適，但是對于推測是否發(fā)生涌水或者突水事故，通常是不合適的。假設(shè)某隧道處于地下水垂直循環(huán)帶灰?guī)r段，豎向溶洞、溶槽發(fā)育，對應(yīng)隧道段附近地表為一淺溝，匯水面積大，溝內(nèi)某處發(fā)育有一落水洞，隧道通過這些巖溶空隙與地表聯(lián)通，大氣降水在數(shù)小時(shí)甚至幾十min內(nèi)，就匯集到落水洞進(jìn)入隧道內(nèi)。因此，對大氣降水補(bǔ)給能力強(qiáng)的地段，應(yīng)根據(jù)地表集水能力、降水入滲能力和降水匯集速度等存在較大差異的進(jìn)行分段研究，具體情況具體分析。

1.1.2 地表水補(bǔ)給

地表水補(bǔ)給與地表水系的分布形態(tài)、規(guī)模及流動(dòng)途徑有關(guān)。

通常根據(jù)調(diào)查段內(nèi)下降泉流量及地下水對河流的補(bǔ)給來計(jì)算地下水補(bǔ)給量，但實(shí)際上隧道處于地表徑流以下，即使這種相互補(bǔ)給是零，當(dāng)隧道開挖后地表水都會(huì)進(jìn)入隧道內(nèi)。另外，采用滲透系數(shù)進(jìn)行分析，這種隨機(jī)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，未必能代表個(gè)別的導(dǎo)水能力強(qiáng)的管道，這種情況還需要注意的是，地表水體底部的裂隙往往為泥土填充，導(dǎo)水能力差，但是雨水季節(jié)，水量上漲，地表水體通過中部及上部對地下水進(jìn)行數(shù)倍甚至數(shù)十倍的補(bǔ)充，那么更長的，尤其是數(shù)十年或者百年一遇的洪水季節(jié)的觀察才具有說服力。

此外，由于大雨沖刷、地表崩塌、地下通道坍塌或淤積堵塞等，可能改變地表降水的匯集地點(diǎn)和流動(dòng)途徑，預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)注意保持定期不定期地進(jìn)行地表調(diào)查和水文觀測。

1.1.3 含水層之間的補(bǔ)給

處于隧道以上的含水體都可能對隧道進(jìn)行地下水補(bǔ)給。需要注意的是補(bǔ)給源不是一成不變的，隧道開挖后，水勢水位的變化會(huì)讓原來的排泄區(qū)成為補(bǔ)給源地。地下水途徑可能因?yàn)榫植慷氯l(fā)生。

1.2 含水構(gòu)造

通常含水構(gòu)造指巖體空隙中含水。只有水量到達(dá)一定的程度之后才可能發(fā)生涌突水，對隧道造成危害，而含水時(shí)間是否長久與地下水補(bǔ)充速度和流失速度有關(guān)。因此定義含水構(gòu)造為:某部分巖土中的空隙，某段時(shí)間內(nèi)，地下水的補(bǔ)充比地下水的流失速度快，導(dǎo)致地下水在這部分空隙中儲(chǔ)存起來;或者某段時(shí)間內(nèi)，雖然地下水的補(bǔ)充比地下水的流失速度慢，導(dǎo)致這部分空隙中含水量降低，但這種變化速度緩慢，地下水在這部分空隙中能保持一定長的時(shí)間。圖1(b)是一個(gè)向形構(gòu)造，且上部為透水層，下部為相對隔水層，通常認(rèn)為這是個(gè)含水構(gòu)造，實(shí)際上這種分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這個(gè)向形構(gòu)造是否能成為含水構(gòu)造，還應(yīng)該從地下水補(bǔ)充、流通、儲(chǔ)存等幾個(gè)方面分析。比如說儲(chǔ)存能力就需要調(diào)查上部透水層的孔隙率，而是否能儲(chǔ)存水還應(yīng)該看它軸線坡面圖的形狀。若如圖1(b)狀則儲(chǔ)存能力強(qiáng)，若是水平狀則保持水能力減弱，若如圖1(a)狀則保持水能力更為減弱?？梢詮膮^(qū)域上研究分析段內(nèi)含水構(gòu)造的規(guī)模，結(jié)合地表物探手段，來判斷涌突水的可能性。

1.3 地下水流動(dòng)途徑

地下水流動(dòng)途徑指巖土中的空隙。巖土中的空隙包括土中的孔隙、巖石中的裂隙和可溶巖中的溶隙。巖土因空隙的大小及數(shù)量不同導(dǎo)水能力相差甚遠(yuǎn)，需要提醒的是，受孔壁摩擦的影響，空隙增大1倍，導(dǎo)水能力增加遠(yuǎn)不止1倍。

其中能很快地匯聚地下水的流動(dòng)途徑有:孔隙發(fā)育的碎石土、節(jié)理密集帶的裂隙帶、斷層破碎帶、溶洞和巖溶管道等構(gòu)造。

1)碎石土。通常埋深較淺，孔隙分布較均勻，通過物探查詢含水層分布情況，并通過鉆孔驗(yàn)證，試驗(yàn)提取數(shù)據(jù)，水量計(jì)算往往比較準(zhǔn)確。需要提醒的是，補(bǔ)給源區(qū)水量突然增大。比如，通過承壓水層以泉水方式補(bǔ)充，承壓水頭突然增高，那么補(bǔ)給水流速流量都可能增加;通過大氣降水補(bǔ)給，突降大雨;通過地表水補(bǔ)給的，干瘦的河道上游發(fā)生大水。

2)節(jié)理密集帶。空隙大小及數(shù)量有限，通常發(fā)生涌水的水量比較小，需要注意的是，如果隧道反坡開挖，數(shù)十m3/h的水量也可能淹井。是否有這種可能應(yīng)根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合補(bǔ)給源的情況進(jìn)行分析確定，提前做好準(zhǔn)備工作。

3)斷層破碎帶、溶洞和巖溶管道。通常這些構(gòu)造的導(dǎo)水能力強(qiáng)，發(fā)生涌突水的可能性比較大。分析是否有豐富的水源補(bǔ)給，查明斷層破碎帶的導(dǎo)水阻水性質(zhì)，巖溶發(fā)育規(guī)律，推斷是否存在涌突水的可能及其規(guī)模。

需要注意的是，通常節(jié)理密集帶、斷層以及巖溶管道的涌水量，在勘察報(bào)告中往往沒有單獨(dú)給出，而這些構(gòu)造帶中的空隙比較大，一般采用達(dá)西定律，或者采用滲透系數(shù)的計(jì)算方法，進(jìn)行這些構(gòu)造段的涌水量計(jì)算是不合適的;在水量的計(jì)算時(shí)，把這些比較大的空隙看成類似隧道的導(dǎo)水通道，它的補(bǔ)水通道是一些比較小的裂隙，那么它的匯水能力可以通過達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算［7］，而它的導(dǎo)水能力可以參考各種排水規(guī)范計(jì)算。

垂直鉆探或者水平鉆探時(shí)，可能沒有鉆到溶洞，且孔內(nèi)地下水不發(fā)育，但實(shí)際上，溶洞發(fā)育不均勻，大多裂隙被泥、黏土填充，導(dǎo)水能力差，導(dǎo)致鉆孔結(jié)論不能代表實(shí)際情況;鉆到了斷層，但處于斷層泥含量比較多的一段，阻隔了地下水，也不能真實(shí)反映斷層內(nèi)地下水發(fā)育情況。因此，宜增加鉆孔。

圖2和圖3分別為正斷層和逆斷層示意圖。

如某隧道從a開挖到b，先遇到頁巖，頁巖遇水軟化使裂隙密閉，導(dǎo)水能力差，為隔水層，從a到斷層間巖層明顯變得破碎、風(fēng)化程度增加、巖層產(chǎn)狀變陡、濕化、軟化。再遇正斷層，通常正斷層裂隙發(fā)育多寬張，導(dǎo)水能力強(qiáng)，發(fā)生涌突水的可能就很大，且突涌水的危險(xiǎn)是潛在的，需更大范圍的超前探測，探明情況。

如隧道從b開挖到a，采用常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)，溶隙裂隙逐漸增加，多夾泥黏土，普遍濕潤。當(dāng)裂隙為泥黏土完全填充時(shí)，地下水被較好地封堵在導(dǎo)水?dāng)鄬雍蛶r溶管道內(nèi)，突涌水的危險(xiǎn)是潛在的，發(fā)生時(shí)可能造成更大的危害，需更大范圍的超前探測，探明情況;當(dāng)裂隙為泥黏土不完全時(shí)，局部出水渾濁，泥沙含量高，且水量水壓都會(huì)不斷增加，這時(shí)突涌水的危險(xiǎn)提前暴露，可針對性地做進(jìn)一步的超前探測工作。

bc段，依次穿過隔水層頁巖、透水層砂巖、阻水逆斷層和透水層砂巖。前一段砂巖若為含水層，其裂隙發(fā)育，兩側(cè)隔水性能好，無論隧道從b開挖到c，或者從c開挖到b，發(fā)生涌突水的可能極大;而后一段砂巖若為含水層，一側(cè)隔水性能好，隧道從c開挖到b，地下水從裂隙中逐漸涌出，發(fā)生涌突水的可能較小，隧道從b開挖到c，地下水與隧道間有隔水層阻礙，地下水得不到排泄，聚集在隔水層發(fā)生涌突水的可能較大。

短時(shí)間一次性涌突水發(fā)生的條件通常有2種可能:1)采空區(qū)內(nèi)的地下水，且采空區(qū)處于潛水水位以下，或下伏隔水巖土層;2)含有一定黏土量的含水巖土層，這種巖土層包括第四系土層、斷層破碎帶、填充型溶洞，且含水體周圍裂隙大多為黏土填充，排水能力差。

長時(shí)間持續(xù)涌突水的發(fā)生條件是隧道通常處于潛水或承壓水水體以下，且發(fā)育斷層或者巖溶管道。斷層為正斷層，處于水平循環(huán)帶以下。巖溶管道通常為長時(shí)間的一定流量的導(dǎo)水通道，通道內(nèi)某些水平段或者被堵塞而改道的地方往往被砂土填充，也可能是垂直循環(huán)帶發(fā)育的溶洞，因地殼下沉處于水平循環(huán)帶以下。

1.4 水壓超過開挖面巖體的抵抗能力

1)某開挖面抵抗能力剛好略大于背后的水壓，開挖后隨著時(shí)間的推移，圍巖應(yīng)力重分布、不斷松動(dòng)，開挖面抵抗能力不斷降低，直到發(fā)生突水涌泥。當(dāng)然這種情況比較少，通常這種事情的發(fā)生具有以下前兆:開挖面附近地下水不是很發(fā)育，即裂隙不發(fā)育或者裂隙為黏土充填，裂隙中黏土逐漸擠出;干燥圍巖突然出水，水量不斷增大，水從流出到噴出，水中往往帶有泥沙、黏土，圍巖掉塊;圍巖掉塊或裂縫逐漸擴(kuò)大;巖石發(fā)生異常聲響;初期支護(hù)開裂掉塊、支撐拱架變形或者發(fā)生聲響［7］。

2)掌子面爆破時(shí)，迅速減弱了巖體的抵抗能力，打破原有的平衡，即發(fā)生突水涌泥。相對前者，這種可能性比較大。不過通常為了躲炮，人員遠(yuǎn)離，造成人員傷害的可能性比較小。

2 預(yù)測案例

2.1 案例1

某鐵路隧道洞口土質(zhì)段，為第四系坡積碎石土層，稍密，洞上方地表坡面圓順，兩側(cè)有流水溝，超前探測采用物探，長距離80 m，短距離30 m，均表明地下水不發(fā)育。完成超前預(yù)報(bào)工作一段時(shí)間之后，天降大雨，發(fā)生掌子面涌出、塌方冒頂。

1)原因分析。預(yù)報(bào)后，降雨導(dǎo)致地表沖積形成臨時(shí)積水坑，積水入滲，地下水變化，局部土體飽和，降低了土體穩(wěn)定性。

2)建議。這里地下水補(bǔ)給主要是大氣降水，預(yù)報(bào)工作完成后，需要關(guān)注大氣降水等可能引發(fā)的地下水變化。

3)引申。土質(zhì)隧道通常被認(rèn)為地質(zhì)簡單，而且通常都是Ⅴ級圍巖，安全系數(shù)較大，預(yù)報(bào)工作往往容易被人忽視，有些做了預(yù)報(bào)，也不會(huì)去長期關(guān)注。預(yù)報(bào)工作應(yīng)該貫穿整個(gè)隧道施工。

2.2 案例2

某鐵路隧道土質(zhì)段開挖完成初期支護(hù)數(shù)小時(shí)后，在初期支護(hù)和掌子面接觸地段發(fā)生泥石流狀塌方。掌子面附近地質(zhì)情況如圖4所示，掌子面上部為塊石土，下部為黏土，層狀分布，傾向后方。初期支護(hù)后，從掌子面與初期支護(hù)交接處B點(diǎn)，發(fā)生塌方。

1)原因分析。前方隔水層和初期支護(hù)形成匯水面，地下水在初期支護(hù)背后聚集，壓力增大，到一定程度，從薄弱處涌出。

2)建議。這里地下水補(bǔ)給是潛水層內(nèi)部流通，需注意地下水流通途徑的變化。自掌子面發(fā)現(xiàn)下部有相對隔水層開始，在AB段布置一些排水管，防止水量聚集。

3)引申。洞內(nèi)水處理時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，確定排水堵水位置和時(shí)間。

2.3 案例3

某隧道一可溶巖段，隧道一側(cè)有地表河流，隧道高程處于河流季節(jié)變動(dòng)帶內(nèi)，施工前超前預(yù)報(bào)顯示該段地下水不發(fā)育，開挖證明地下水不發(fā)育，但有少量溶孔、溶隙。一段時(shí)間后，在施工二次襯砌前，天降大雨，河流水位暴漲，干涸的溶隙出水如注，導(dǎo)致隧道內(nèi)漲水，影響施工。

1)原因分析。河水上漲，從原來干涸的溶隙進(jìn)入隧道。

2)建議。這里地下水補(bǔ)給是地表水系，與地表水相聚較近，溶隙、裂隙發(fā)育的，需加強(qiáng)調(diào)查，研究空隙與地表水體間的連通性;裂隙處于高水位與低水位之間且連通性強(qiáng)的，需要觀察水位變化情況，枯水季節(jié)開挖后，宜做好堵水措施。

3)引申。地下水是動(dòng)態(tài)變化的，干涸的透水層可能很快成為地下水豐富的含水層;從地下水的補(bǔ)充、流通、排泄等著手研究，找出其發(fā)展變化規(guī)律才能作出相應(yīng)合理的措施。

3 結(jié)論與討論

隧道涌突水是常見的施工災(zāi)害之一，造成涌突水的原因很多。為準(zhǔn)確地找出某隧道涌突水的可能原因，應(yīng)對涌突水條件進(jìn)行充分的掌握和全面分析，這樣才能更好地運(yùn)用各種隧道涌水的計(jì)算方法并選用合適的預(yù)報(bào)方法，制定合適的預(yù)報(bào)方案，避免勘察、預(yù)報(bào)時(shí)出現(xiàn)漏洞。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不僅僅是對掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，也應(yīng)該對已經(jīng)開挖段、可能存在的危害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。因埋深淺、寬張裂隙或巖溶管道發(fā)育等原因，隧道與地表聯(lián)系密切的，應(yīng)考慮水文與氣候的變化;地下水發(fā)育是季節(jié)性變化的，預(yù)報(bào)手段在不同季節(jié)也應(yīng)有所差別，水量計(jì)算也應(yīng)在不同季節(jié)做調(diào)整;不同性質(zhì)的斷層，相同隧道段不同的開挖方向遇到的情況可能會(huì)有變化，預(yù)報(bào)方法也應(yīng)有所不同等。

由于目前的認(rèn)知能力有限，勘察和地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)論與實(shí)際情況常有一定的誤差，尤其是對地下水水量及涌水形式判斷不準(zhǔn)會(huì)造成比較嚴(yán)重的危害。勘察工作中應(yīng)增加對地下水調(diào)查的投入，勘察報(bào)告中應(yīng)對涌水構(gòu)造做專門的涌突水分析報(bào)告，包括含水量、水壓等定量指標(biāo);對應(yīng)的施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案建議，應(yīng)該建立在具體物性指標(biāo)的基礎(chǔ)上;應(yīng)進(jìn)一步研究鉆探技術(shù)，選用新型鉆探設(shè)備，廣泛使用孔內(nèi)成像技術(shù)，提高物探方法定量判斷的能力，建立物探指標(biāo)與空隙率和含水率等地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系;成立區(qū)域地質(zhì)資料庫，不斷豐富匯集區(qū)域工程地質(zhì)資料，為工程類比提供依據(jù)。

［1］ 鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊［K］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］ 張煒，李治國，王全勝.巖溶隧道涌突水原因分析及治理技術(shù)探討［J］.隧道建設(shè)，2008，28(3):257 －260.(ZHANG Wei，LI Zhiguo，WANG Quansheng.Cause analysis and countermeasures for water gushing of karst tunnels［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):257 － 260.(in Chinese))

［3］ 方俊波.圓梁山隧道向斜段地表及地下連通性分析［J］.隧道建設(shè)，2004，24(5):16 －20.

［4］ 利奕年，王國斌.TRT隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化［C］//自主創(chuàng)新與持續(xù)增長第十一屆中國科協(xié)年會(huì)論文集.重慶:中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2009.

［5］ 范占鋒，李天斌，孟陸波.探地雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2010，34(1):119－122.(FAN Zhanfeng，LI Tianbin，MENG Lubo.Advanced geological forecast of application of GPR in road tunnel［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2010，34(1):119 －122.(in Chinese))

［6］ 竇順，韓成海，趙常要.瓦窯坡隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合技術(shù)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(2):366－370.(DOU Shun，HAN Chenghai，ZHAO Changyao.Synthetic prediction technology of karst geology in Wayaopo tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(2):366 －370.(in Chinese))

［7］ 鐵建設(shè)［2008］105號 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.