隧道突水突泥致灾机理研究现状

赵心涛，王利红，纪晓雨

(潍坊职业学院 农林科技学院，山东 潍坊 261041)

0 前 言

近年来，随着我国西部大开发战略及基础建设的大量推进，一大批高风险交通、水利隧洞工程穿越富水全强风化花岗岩地层，突水突泥是制约这些隧道建设的最常见、最严重的地质灾害，据不完全统计，约占各类灾害的40%[1]，如厦门翔安海底隧道、京九铁路歧岭隧道、包茂高速广西均昌隧道等工程施工过程中均出现不同程度的突水突泥灾害。以广西均昌隧道为例，自2013年9月进入富水全强风化花岗岩地层施工，先后发生四次大型突水突泥灾害，最大涌水量达1 280 m3/h，累计涌泥量超过8 000 m3。造成严重地表塌陷、地表水干枯、农田毁坏等次生灾害，转移安置群众1 000余人，累计造成施工中断近 2年，产生严重的经济损失，工程建设严重受阻，给隧道安全施工带来极大的挑战。

因此，迫切需要掌握隧道突水突泥灾害关键致灾要素及建立科学合理的防控技术对于突水突泥灾害防治至为关键。突水突泥发生机理即突水突泥通道形成的灾变演化过程[2]。主要有两种形式：一种是完整岩体裂隙演化导致的突水突泥通道，另一种是地质缺陷式突水突泥通道。断层破碎带、富水全强风化花岗岩是这类突水突泥模式的典型致灾构造，本文就此两类通道形成机理进行总结。

1 完整岩体裂隙突水突泥机理

对于完整岩体裂隙突水突泥机理，相关研究开展较多。考虑岩体损伤特性，Valko和Economides研究水力劈裂作用下裂隙扩展过程，黄润秋等[3]基于断裂力学理论，分析了高水压作用下裂隙的扩展机制，Wang和Park通过关联岩体变形与渗透性演化来定义突水通道扩展，采用弹塑性理论建立裂隙岩体渗流应力耦合模型，杨天鸿等、唐春安等基于弹塑性损伤理论，建立了岩体渗流、应力、损伤耦合模型，并指出采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂是矿山突水前兆本质特征，詹美礼和岑建通过试验探讨了水力劈裂破坏条件，建立了水力劈裂的半经验理论关系，考虑水岩作用机制，李利平等表明岩溶隧道裂隙突水是岩体在岩溶水及水压的连续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果，高玉兵等基于矿山压力和岩层控制理论，从微观角度开展了裂隙扩张的研究，指出底板突水的本质是采动引起的矿山压力及承压水共同作用下微观裂隙扩张和底板隔水层的断裂。此外，基于断裂力学、水力学理论，王建秀等分析岩溶隧道的水力破坏模式、非贯通盲端裂纹及贯通裂纹的横向扩展条件，郭佳奇等分析突水扩径效应，李术才等[4]分析了爆炸应力波对裂隙岩体扩展的影响，研究钻爆法施工下岩溶隧道突水机理，廖斌等导出含水裂隙发生劈裂及压剪破坏所需的临界水压力，并指出压剪破坏是含水裂隙破坏的主要形式。

2 地质缺陷式突水突泥机理

对于地质缺陷式突水，断层带突水已有不少成果，陈成宗与何发亮、徐济川与黄少霞从水文工程地质等方面分析大瑶山隧道断层突水涌泥的机制及工程对策，李晓昭采用数值模拟方法分析断层断裂变形活化与导水机制的时空效应，张顶立从结构面沟通、地层变形以及地层坍塌等方面对隧道突水特征进行总结，揭示了海底隧道突水机制，卜万奎建立断层活化机理分析的力学模型和剪应力判据，李连崇等通过数值仿真研究了含断层底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程，黄存捍依据隔水关键层概念分析断层突水机理，并采用RFPA-FLOW软件实现断层突水通道形成过程。武强等将断层破碎带物质等效为连续介质，采用渗透性可变的耦合模型分析了断裂构造带滞后突水机制。翁贤杰依托江西永莲隧道工程现场调查及理论分析，指出水岩相互作用是诱发断层带岩体渗透失稳的关键因素，张培森等结合现场试验及相似材料试验对断层活化规律进行探讨，并采用数值计算再现底板裂隙形成、断层活化至突水通道形成的全过程。

全强风化花岗岩具有强度低、水稳性差、易崩解流失等不良工程特性，工程实践表明，全强风化花岗岩突水突泥演化过程中，风化花岗岩遇水崩解后不断迁移流出，直至最终突水突泥通道形成产生突水突泥灾害。泥沙的迁移意味着风化花岗岩颗粒迁移和质量流失，故富水全强风化花岗岩突水突泥机理是涉及颗粒迁移的变质量渗流演化过程，与裂隙岩体及断层活化突水有着明显不同。因此，富水全强风化花岗岩突水突泥机理逐渐被重视。

袁敬强以工程为依托，对全强风化花岗岩隧道突水的孕险环境、致灾因子及突水机理进行分析，指出不良地质条件、地层岩性特征、地下(表)水发育规律、地形地貌等因素构成了隧道突水灾害发生的孕险环境。孙锋以厦门翔安海底隧道为研究对象，采用PFC2D颗粒流计算方法，研究全强风化花岗岩土体风化槽处于不同空间位置对隧道突水影响。吴培荣系统分析了穿越全强风化花岗岩地层的梁山隧道突水涌泥特征，现场总结得到历次突水涌泥均经历了初始-发展-大规模涌泥-地表塌陷阶段，地下水水质均经历了清澈-浑浊-极为浑浊-较清澈-清澈的过程，灾害表现为先突水后涌泥。

显然，既有工程实践均表明全强风化花岗岩地层突水突泥是颗粒不断迁移的变质量过程，然而，目前研究均未考虑此特征。对于颗粒流失及细颗粒运移机制，在大坝管涌、油气井出砂及破碎岩体渗流已有一定研究成果，可为富水全强风化花岗岩突水突泥机理研究提供借鉴。Steripi[5]结合可动细颗粒的质量守恒方程和渗流方程，并根据室内侵蚀试验得到可动细颗粒流失量与水力梯度的经验公式，建立了细颗粒运移模型。Cividini和Gioda[6]在Steripi的基础上建立了描述可动细颗粒迁移的有限元模型，周健等[7]基于颗粒流方法从细观角度研究砂土管涌发展过程中孔隙率、流速、颗粒流失量等参数的动态演化特性。Vardoulakis等最先从理论上建立描述油气井出砂问题的预测模型，此后国内外众多学者不断从力学、质量迁移、液体渗流等多场耦合方向对其进行完善。在出砂预测模型基础上，罗玉龙等，姚邦华等相应建立管涌和破碎岩体通道形成数学模型，建立的模型体系可用于描述通道形成过程中的颗粒运移特征。王路珍进一步采用加速试验开展破碎岩体渗流过程的变质量问题研究，初步揭示破碎岩体变质量迁移机制，Zhang等[8-9]针对煤矿底板构造裂隙带突水采用模型试验和现场试验研究突水通道形成过程的变质量问题，但其模型较为简单，假设的突水通道只考虑宽度变化。对于孔隙率演化方程，国外最先在油气井出砂问题上有过不少研究[10-11]。

然而，目前关于富水全强风化花岗岩突水突泥机理的研究，尤其是颗粒迁移的变质量渗流研究十分匮乏，变质量问题仅在管涌、出砂及破碎岩体有所研究，但因介质组分、结构、致灾环境的差异，富水全强风化花岗岩隧道突水突泥致灾机理与管涌破坏机制、出砂问题及破碎岩体渗流有显著的不同。且假定的渗流条件大多为Darcy渗流，无法描述突水突泥演化过程的流态转换及非线性渗流特性。目前变质量渗流理论研究还仅处于初步阶段，急需深入研究。

3 进一步研究的方向和建议

围绕富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾变机理与控制技术这一主题，系统开展富水全强风化花岗岩突水突泥模型试验，研究富水全强风化花岗岩突水突泥变质量行为及水流流态转换特征，建立动水压力-应力耦合作用下的岩体孔隙率、渗透率、质量迁移率与渗流突变关系，揭示突水突泥通道形成机理及其影响因素，结合溶质运移理论及多孔介质渗流力学，建立可描述质量迁移及突富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾变机理与帷幕注浆控制技术研究水非线性演化特性的突水突泥理论模型，共同构建突水突泥灾害控制技术理论并应用于灾害治理实际工程。建议后续可以开展以下两方面的研究。

1)富水全强风化花岗岩突水突泥模型试验研究。研究富水全强风化花岗岩在不同粒径级配、水压、围压、初始孔隙率、防突厚度等因素下的突水突泥模型试验，研究各因素下全强风化花岗岩变质量渗流特性及水流流态转换规律，进而揭示富水全强风化花岗岩突水突泥灾害演化机理及其临界条件。

2)富水全强风化花岗岩突水突泥理论模型研究。基于室内突水突泥模型试验，得到突水突泥灾害演化过程中的关键质量迁移及水流流态转换特性规律，建立质量迁移引起全强风化花岗岩介质孔隙率变化的孔隙率演化方程，利用多孔介质渗流理论、溶质运移等理论，建立可描述质量迁移及非线性突水演化特性的突水突泥理论模型，模型控制方程包括质量守恒方程、液体渗流方程、颗粒迁移临界起动方程、以及基于室内模型试验得到孔隙率演化方程。

4 结 论

本文对突水突泥的产生机理进行了综合概括，主要得出如下结论。

1)突水突泥发生机理包括岩体裂隙演化导致的突水突泥和地质缺陷导致的突水突泥两种模式。

2)目前关于富水全强风化花岗岩突水突泥机理的研究，尤其是颗粒迁移的变质量渗流研究十分匮乏，急需深入研究。

3)建议后续可以采用模型试验和理论研究两种手段对富水全强风化花岗岩突水突泥机理机理进行深入研究。

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