+隧道岩溶溃水延滞性特征分析及其安全风险规避

第33卷第9期岩土工程学报Vol.33No.92011年.9月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringSep.2011隧道岩溶溃水延滞性特征分析及其安全风险规避刘新荣1，张旭东1，黄明1，2(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045；2.福州大学土木工程学院，福建福州350108)摘要：通过对宜万铁路马鹿箐隧道多达19次的突涌水数据统计和现象分析，总结提出了“岩溶溃水”的概念，通过对各个施工阶段溃水特征分析表明岩溶溃水还具有延滞性特征。通过对溃水发生的时程分析，得到溶腔溃水延滞性形成的机理为溶隙、脉管及填充物由于压力差从渗流扩大呈汇流，袭夺周围脉管和溶隙的地下水，溶腔地下水潜蚀充填物封堵，最后集中释放；分析得到溃水延滞性的主要影响因素为溶腔内蓄积的水量和达到瞬间疏通的临界水压条件，以及溶腔内水流通道的淤塞条件；研究表明，对大气补给的响应，溃水延滞时间有不断缩短的规律，据此可判断隧道溃水可能性将不断减小；结合降雨量、涌水量和水位观测成果，基于降雨入渗法和统计分析法预测得到的溶腔涌水量结果，提出了抢险和泄水期间的安全作业控制指标。关键词：隧道工程；岩溶溃水；延滞性；控制指标中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–4548(2011)09–1326–07作者简介：刘新荣(1969–)，男，浙江开化人，博士，教授，主要从事岩土工程、地下空间与工程等领域的教学与科研工作。E-mail:[e-mail]。DelaycharacteristicsandriskmitigationofkarstwaterburstfloodoftunnelsLIUXin-rong1,ZHANGXu-dong1,HUANGMing1,2(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China;2.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)Abstract:Basedonfieldtestson19groupsofdataandphenomenonanalysisofinrushorburstingwastefromkarstcavityofMaluqingtunnelofYichang-WanxianRailway,aconceptualmodelofkarstwaterburstflood(KWBF)isproposedbymeansofstatisticalanalysisandphenomenologicalinduction.Throughanalyzingitscharacteristicsduringdifferentconstructionstages,itisshownthatKWBFhasthedelaycharacteristics.Thetimehistoryanalysisofthekarstwaterburstfloodshowsthatbecauseofpressuredispersionbetweeninsideandoutsideofthecavity,seepageenlargementisevolvedintoconfluxsoastodeprivegroundwaterfromaquiferaqueductandfracture,andthewatertogetherwithmudsuddenlyreleasesfromkarstintothetunnel.ThekeyfactorforthedelaycharacteristicofKWBFiswateramountandsiltorfillingdegreeofconfluxaqueduct.ThedelaytimeofKWBFonsupplyaircontinuouslyreducestheresponsetime,accordingtowhichthepossibilityofKWBFisreduced.ForecastingofKWBFisconductedbyuseoftherainfallseepingtheoryandstatisticalanalysismethod.Thebasicdataareobtainedfromfieldquantityobservationsuchasrainfallandhydrographmeasurement.Thecontrolindexofsafeoperationduringtherescueanddischargeperiodisproposed.Keywords:tunnellingengineering;karstwaterburstflood;delaycharacteristic;controlindex0引言据不完全统计，国内外隧道大型涌、突水事件中，70%发生在岩溶隧道中[1]。对于涌水的突发性，瞬时性带来的安全问题，工程界给予了极大的关注。GB12329—90《岩溶地质术语Karstgeologyterminology》定义“岩溶突水karstdeclogging”为：储集和运动于岩溶含水层中的地下水流，当被人工揭露或受自然因素影响而骤然产生的大量涌水，并常伴随涌沙涌泥的现象。岩溶突水的发生往往具有骤然性，然而由于蓄水地质结构的多样性和复杂性，隧道开挖揭露填充型溶腔，当填充物具有一定稳定性和隔水性时，涌水并不───────基金项目：国家自然科学基金李晓红创新群体项目（50621403）；福州大学校人才基金项目（022356）收稿日期：2010–06–232岩土工程学报2011年会立即发生，而是稳定一段时间后，在某些诱因的触表1＋978溶腔突（涌）水统计表Table1Statisticsof＋978karstwatercavity编号突水日期降雨量/mm时间当日涌水总量/104m3持续时间/min最大流量/104m312006-01-210无降雨11014011022006-01-240无降雨3151232006-07-23247月23日36正洞170；平导3360542006-08-1317.58月7日2.79000.252006-08-18165.68月15日~19日6212000.862008-04-1161.1进口揭穿溶腔（下同），4月9日~11日1.5（19.5）204.572008-04-1988.74月17日~19日18.4（25.6）9025.282008-05-1075.15月8日~9日14（23）12525.792008-05-2345.55月22日~23日4.3（13.4）1017.6102008-05-2631.75月26日~27日2.5（11.9）519.7112008-06-1230.86月10日~12日10856.76122008-06-1821.46月15日~16日51816.7132008-06-2068.36月19日~21日4201.026142008-06-21141801.1152008-07-041747月3日~5日298406.8162008-07-05216601.78172008-07-22170.37月22日~23日由于山上洪水冲毁变电器、料场，人员撤离，未观测182008-08-15161.58月13日~16日259652.25192008-08-28149.88月27日~29日3718051.2发下，突然发生溃决。这种溃决往往是高压岩溶水伴随溶腔填充物在巨大势能作用下以流体（伴随有泥、巨石）高速运移形式在隧道狭小的空间内瞬间释放，威力惊人，破坏力极大，在隧道内作业的人员设备没有条件避险，将造成重大的工程灾害。隧道穿越大型填充型溶洞使岩溶涌水表现出发生前的延滞性和发生时的骤然性，给隧道工程的施工作业带来的安全隐患极大，使岩溶涌水的预测预防的难度更大，发生的规律难以掌握。研究涌水延滞性机理、规律和相应的安全控制措施，对于隧道工程穿越大型填充型溶洞时的安全风险控制，有着重要意义。1隧道岩溶突水的延滞性特征分析2006年1月21日，在建的宜万铁路马鹿箐隧道出口发生了特大涌水事故，瞬间涌水量高达200m3/s，140分钟内涌水总量7.0×105m3。洞内泥沙沉积总量约6×104m3。在其后两年建设期内，分别在其出口和进口方向，又观测记录到1.0×105m3以上的突水19次（见表1）。多次大规模的涌水对隧道施工安全风险控制带来极大的困扰。马鹿箐隧道的涌水不同于一般的岩溶隧道涌水，其表现出类似于水坝溃决的特征。在兼具突发性、间隙性、延滞性的同时，还区别于普通的岩溶隧道突、涌水，其规模极大，高速水流挟带大量泥沙在瞬间在充满狭小的隧道空间。本文将这种具有超大静储量的高压岩溶水在施工扰动作用下以流体（伴随有泥、巨石）高速运移形式瞬间释放的涌突水定义为岩溶溃水(KWBF)。如图1所示为马鹿箐岩溶溃水特征。对于表1中2006年“1.21”溃水、2006年“1.24”溃水、2006年“4.11”溃水及2008年“5.10”溃水发生过程，都表现出不同情况的滞后：（1）“1.21”事故发生前，对引发灾害的第9期刘新荣，等.隧道岩溶溃水延滞性特征分析及其安全风险规避1327PDK255+978溶腔进行了超前帷幕注浆，经注浆效果评价后继续开挖，从出口方向揭露溶腔2d后已进入溶洞4m，经观察发现溶洞破碎裂隙被浆液充填。再进行4个4.5m长超前浅孔钻探，钻孔无水正常。之后，＋978.1掌子面在在无扰动的情况下准备出碴时，掌子面有掉块、坍方响声，伴随少量流水，拱部围岩突然崩塌，发生突水与突泥，事故之前并没有明显预兆。图1岩溶溃水特征Fig.1CharacteristicresultsofKWBF（2）“1.24”溃水，是在“1.21”溃水施工发生后启动强排水时发生的。（3）“4.11”的溃水，是在进口方向揭露溶腔11d后发生的。（4）“5.10”的溃水发生前，天气晴好，两天之前有降雨。以上表明，尽管诱发溃水的因素各不相同，但溃水发生都表现出延滞性。马鹿箐隧道岩溶溃水的延滞性在各个施工阶段主要表现出如下几个特征：①在掘进过程中掌子面施工扰动前后导致的溃水延滞性；②在抢险救援期间抽排水过程中的溃水的延滞性；③在泄水期间大气降雨后溶腔储水量得到补充后形成溃水的延滞性。此外，岩溶管道、溶隙与上部暗河纵横交错，构成复杂网络系统。并存的破碎带、节理裂隙带组成复杂的富水带为地表水的下渗、地下水的运移提供了通道。抢险抽排水过程是不断疏通–淤塞–喷发的过程，岩溶溃水不会一次持续完成，必然受地表水和地下暗河补给，同样具有间歇性。对于岩溶隧道涌水预测，从定性分析发展到定量预测，国内外学者作了大量的工作[2-14]。然而由于岩溶溃水具有延滞性特征，因此溃水灾害发生时机难以掌握，预测存在较大困难。随着延滞时间的增长，溶腔积聚的泥水能量越大，溃水灾害性更严重。2溃水延滞性的形成机理分析2.1地质因素在溃水发生之后的后续施工中发现，所有的溃水灾害都是由位于隧道PDK255+978的大型岩溶溶蚀系统引起的。探测发现，PDK255+978溶腔是一个巨型的地下古溶潭，由大型溶腔和其联通的暗河及溶管形成的复杂地下储水系统。并被岩屑和地下水运移物等填充。隧道区主要为碳酸盐岩地层[15]，漏斗、落水洞、暗河系统普遍发育，岩溶发育强烈，似枝状暗河系统特征。隧道穿越油竹—垮岩湾暗河、小马滩—凉风洞暗河、鸟腊河—凉风洞—蝌蚂口暗河、朱家槽—和尚鞍暗河、道湾暗河，如图2所示。图2马鹿箐隧道暗河示意图Fig.2SketchmapofundergroundriverofMaluqingtunnel据龙潭、蝌蚂口长期观测资料，蝌蚂口暗河系统岩溶水的流量动态与降雨关系密切，对降雨的反应较敏感，一般在中、大雨的第2天，地下水流量明显增长，第4天达到峰值。反映了岩溶水系统补给条件良好，径流途径较长