獅子山隧洞穿越P2β3地層向斜構(gòu)造突水突泥災(zāi)害源探測(cè)及致災(zāi)機(jī)理分析

獅子山隧洞穿越P2β3地層向斜構(gòu)造突水突泥災(zāi)害源探測(cè)及致災(zāi)機(jī)理分析*

郝俊鎖，劉俊峰，邱志洪，王國我(1.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山064000；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)0引言隧道及地下工程施工過程中突水突泥是最常遇到的地質(zhì)問題，約占隧道災(zāi)害事故的1/3[1]，其發(fā)生具有難預(yù)測(cè)性、突發(fā)性、破壞性，給施工帶來嚴(yán)重的安全威脅。因此，近年來工程技術(shù)人員對(duì)突水突泥地質(zhì)問題進(jìn)行了深入研究。賀振宇等[2]根據(jù)致災(zāi)構(gòu)造的成因?qū)⑺淼赖湫椭聻?zāi)構(gòu)造分為斷裂帶、巖溶含水體、向背斜和單斜含水層、人工富水空間和水下不良地質(zhì)體5大類。李曉昭等[3]通過百余例隧道突水突泥案例的統(tǒng)計(jì)分析與現(xiàn)場調(diào)研，識(shí)別概括了2類5種隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造，即富水夾泥斷裂帶(富水?dāng)嗔哑扑閹Ъ皧A泥斷裂帶)與充水充泥巖溶體(深部充水巖溶、表層裂隙巖溶帶及充填巖溶洞穴)，總結(jié)分析了不同突水突泥致災(zāi)構(gòu)造的典型地質(zhì)特征，提出了不同突水突泥致災(zāi)構(gòu)造的判別理論方法。李術(shù)才等[4]通過221例突水突泥災(zāi)害案例統(tǒng)計(jì)分析，將突水突泥致災(zāi)構(gòu)造劃分為3類11型，即巖溶類(溶蝕裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型)、斷層類(富水?dāng)鄬有汀?dǎo)水?dāng)鄬有?、阻水?dāng)鄬有?、其他成因類(侵入接觸型、層間裂隙型、不整合接觸型、差異風(fēng)化型、特殊條件型)，研究不同類型致災(zāi)構(gòu)造的結(jié)構(gòu)特征、賦存規(guī)律和地質(zhì)判識(shí)方法，并開展典型案例分析。目前,國內(nèi)外研究者針對(duì)隧道及地下工程所遇見的突水突泥類型、致災(zāi)機(jī)理和地質(zhì)識(shí)別進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。但隧道突水突泥影響因素眾多，與埋深、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖地質(zhì)、地下水及地應(yīng)力等自然屬性密不可分，同時(shí)也與施工方法、技術(shù)手段、儀器設(shè)備、施工理念與管理經(jīng)驗(yàn)等人為因素有著不可分割的關(guān)系。獅子山隧洞穿越烏龍壩向斜構(gòu)造P2β3致密玄武巖Ⅲ類圍巖地層，由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)未探明災(zāi)害源，開挖揭露施工過程中對(duì)其賦存特征、致災(zāi)機(jī)制和危害程度辨識(shí)不明，導(dǎo)致事故突發(fā)。因此，深入研究其突水突泥機(jī)理具有重大現(xiàn)實(shí)意義。本文在對(duì)獅子山隧洞穿越P2β3地層突水突泥災(zāi)害源賦存特征調(diào)查與探測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)學(xué)原理分析引水隧洞玄武巖地層地質(zhì)災(zāi)害源的形成與賦存機(jī)制及突水突泥災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，為類似工程災(zāi)害源探測(cè)及辨識(shí)、災(zāi)害預(yù)防提供參考與借鑒。1工程概況與現(xiàn)場災(zāi)害情況1.1工程概況滇中引水工程輸水總干渠引水線路總長664km，其中獅子山隧洞位于賓川縣，全長29.420km。隧洞設(shè)計(jì)流量125m3/s，凈斷面采用馬蹄形，R=4.60m，寬×高=9.20m×9.20m，底坡為1/4200。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越烏龍壩向斜核部，地層巖性為塊狀～厚層狀微風(fēng)化P2β3杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖。DLII29+884—DLII31+570段隧洞縱斷面如圖1所示。圖1DLII29+884—DLII31+570段隧洞縱斷面示意1.2災(zāi)害情況1.2.1突水突泥過程2020年8月10日進(jìn)行DLII30+737—DLII30+738段上臺(tái)階鋼支撐安裝作業(yè)，于19：00出現(xiàn)拱部圍巖掉塊，組織作業(yè)人員撤離，準(zhǔn)備噴射混凝土加固，20：10左右該段拱部突然崩塌，高壓水裹挾大量泥砂碎石突出。11日待出水量減小穩(wěn)定后，現(xiàn)場踏勘情況如圖2，3所示：①突泥推移范圍約125m，隧洞底板淤積平均厚度約1m，經(jīng)測(cè)算突水突泥總量約8000m3，突泥量3500m3，突水約4500m3；②涌水量80～90m3/h；③觀測(cè)不到突泥口位置，目測(cè)掌子面約8m被滿堵，拱架原架設(shè)13榀，現(xiàn)可見5榀。圖2現(xiàn)場突水突泥情況圖3測(cè)繪縱斷面示意1.2.2水量監(jiān)測(cè)突水突泥后，8月11日預(yù)估涌水量為80～90m3/h。從12日進(jìn)行涌水量監(jiān)測(cè)，采取間隔1h統(tǒng)計(jì)排水流量計(jì)顯示的瞬時(shí)流量，計(jì)算日平均涌出量。22d統(tǒng)計(jì)情況如圖4所示，初期涌水量達(dá)130m3/h，1周后涌水量穩(wěn)定在50～60m3/h，且無明顯變化。圖4隧道涌水量檢測(cè)曲線1.2.3突出物組成分析現(xiàn)場取代表樣進(jìn)行成分組成分析，樣品呈灰黑色，有砂質(zhì)感，不具有可塑性，顆粒組成如表1所示。表1突出物組成顆粒篩分由表1分析可知，涌出物質(zhì)中≤2.5mm成分約占42.6%，主要成分為火山灰，主要由凝灰?guī)r、玄武巖在地下水及風(fēng)化作用下的產(chǎn)物組成；>2.5mm顆粒約占57.4%，主要由玄武巖碎屑組成。綜合以上情況，獅子山隧洞DLII30+737—DLII30+738段現(xiàn)場涌水量大，持續(xù)時(shí)間長，挾帶大量火山灰及玄武巖碎屑，嚴(yán)重影響現(xiàn)場施工進(jìn)度，威脅現(xiàn)場施工人員安全。因此，對(duì)現(xiàn)場災(zāi)害源進(jìn)行調(diào)查，分析災(zāi)害形成機(jī)制，以便為災(zāi)害預(yù)測(cè)及災(zāi)害處治方法提出有效建議。2災(zāi)害源調(diào)查與探測(cè)由于隧洞突水突泥影響因素眾多，為避免因?qū)?zāi)害源識(shí)別不清、方案針對(duì)不強(qiáng)、參數(shù)不合理或風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)不足等，導(dǎo)致處治過程中發(fā)生次生災(zāi)害，處治效果不理想而造成窩工浪費(fèi)，因此，突水突泥后續(xù)處理首要任務(wù)是搞清災(zāi)害源賦存特征。本文通過查閱設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，調(diào)查圍巖地質(zhì)和地表情況，在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合超前物探及鉆探等綜合探測(cè)方法對(duì)隧洞災(zāi)害源進(jìn)行探測(cè)及分析。2.1地質(zhì)與水文條件2.1.1地質(zhì)條件隧洞大地構(gòu)造跨越揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ)的麗江臺(tái)緣褶皺帶(Ⅰ1)和康滇地軸(Ⅰ2，稱川滇臺(tái)背斜)，二者以程海—賓川斷裂(F16)為界，F(xiàn)16以西為鶴慶—洱源臺(tái)褶束三級(jí)構(gòu)造單元，F(xiàn)16以東為滇中臺(tái)陷三級(jí)構(gòu)造單元。DLII29+916—DLII31+570段隧洞穿越烏龍壩向斜核部，平面相互關(guān)系如圖5所示。圖5隧洞與烏龍壩向斜平面位置關(guān)系2.1.2地層巖性DLII29+916—DLII31+570段埋深為400～620m，地層巖性為塊狀～厚層狀微風(fēng)化P2β3杏仁狀玄武巖、致密狀玄武巖，巖體較完整；巖體節(jié)理、裂隙多微張～半閉合，裂隙延伸長度<5m，起伏粗糙，無充填～局部巖屑充填；巖層流面走向洞線交角2.1.3水文地質(zhì)地下水位高出洞身底板350～510m，巖體弱～微透水，滲透系數(shù)k=0.02m/d，外水壓力折減系數(shù)βe為0.1，洞室以干燥～潮濕為主，洞室平均滲水量為1.4m3/(d·m)(9.4L/(min·10m))，最大滲水量為2.3m3/(d·m)(15.8L/(min·10m))。2.2施工調(diào)查2.2.1洞內(nèi)施工1)DLII31+138.5—DLII30+749.0段該段揭示圍巖為致密狀玄武巖。結(jié)構(gòu)面發(fā)育1～3組，間距10～30cm，結(jié)構(gòu)面平直光滑，巖體較完整，呈鑲嵌～塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定且干燥，支護(hù)方式為Ⅲ1類。2)DLII30+749.0—DLII30+735.0段該段頂拱巖性為弱風(fēng)化致密狀玄武巖。掌子面前方存在剪切破碎帶，剪切破碎帶內(nèi)發(fā)育擠壓軟弱泥化夾層，掌子面后方頂拱受構(gòu)造擠壓影響，巖塊中發(fā)育大量石英條帶，呈網(wǎng)紋分布，致密狀玄武巖構(gòu)造由于壓碎作用突出，巖塊間為軟弱夾層或陡傾平直光滑剪切面嵌合，且沿破碎帶出現(xiàn)滴水、滲水現(xiàn)象，受構(gòu)造擠壓及結(jié)構(gòu)面滲水影響，巖體結(jié)構(gòu)松弛，切割塊體發(fā)育，頂拱存在塊狀塌方風(fēng)險(xiǎn)。圍巖局部不穩(wěn)，類別及支護(hù)方式為Ⅲ1類。隧洞按Ⅲ類圍巖掘進(jìn)至DLII30+735處，如圖6所示，掌子面右側(cè)拱肩位置發(fā)生崩塌，有干燥砂狀巖體涌出并伴隨氣體突出，隨后拱部出現(xiàn)塊狀塌落，并伴有裂隙水流出，坍塌體滑移出10m。圖6圍巖地質(zhì)2.2.2洞外調(diào)查地表踏勘情況如下：DLII30+738處山體地勢(shì)北高南低，埋深約533m，附近沖溝發(fā)育較多。地表巖石破碎，完整性差，屬于強(qiáng)風(fēng)化巖體。在DLII30+738附近存在一天然小沖溝，與隧洞軸線位置關(guān)系如圖7所示。沖溝尺寸寬×高=3.5m×3m，與隧洞軸線夾角約64°，兩側(cè)植被茂密，無積水。在DLII30+738處半徑500m范圍進(jìn)行了地表水文地質(zhì)調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)有泄水區(qū)、泉眼、地表陷穴、溶洞、地表裂縫等特殊地質(zhì)構(gòu)造。圖7沖溝與隧洞軸線位置關(guān)系示意通過突水突泥段洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)資料綜合分析結(jié)論為：①突泥突水位置位于烏龍壩向斜構(gòu)造核心軸部附近；②該段隧洞穿越地層為P2β3致密玄武巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ，接近突水突泥位置圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育；③開挖揭露致密玄武巖段無地下水，裂隙發(fā)育地段存在滲水、滴水現(xiàn)象；④突水突泥瞬間壓潰拱部頂板，賦存能量較大；⑤地下水主要為基巖裂隙水，主要影響因素為降雨。2.3物探探測(cè)探測(cè)分2步實(shí)施：首先，在DLII30+810處進(jìn)行長距離物探測(cè)試(距離突水突泥位置72m)，初步掌握突水突泥對(duì)已開挖洞段的影響情況和災(zāi)害源特征，避免盲目清淤與反壓接近突潰位置時(shí)發(fā)生次生災(zāi)害。其次，在掌子面反壓穩(wěn)定后，對(duì)DLII30+745處進(jìn)行二次物探，并進(jìn)行超前鉆孔探測(cè)，以便相互驗(yàn)證。2.3.1第1次物探結(jié)果(見圖8)圖8第1次物探結(jié)果1)TGS法DLII30+738—DLII30+707段縱波速度范圍在5200～6500m/s，推斷該段圍巖為坍塌空腔區(qū)，巖體完整性差～較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌，地下水較發(fā)育，以線狀～股狀流水為主。2)地震波法(AGI-T3)DLII30+728—DLII30+705段受構(gòu)造裂隙影響，巖石風(fēng)化程度高，節(jié)理、裂隙發(fā)育密集，巖體破碎，局部裂隙發(fā)育密集，巖體極破碎，有泥質(zhì)物充填，含有大量地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。推斷該段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。3)TRT7000法DLII30+735—DLII30+704段地震反射呈兩組交錯(cuò)層狀組合的片狀、散點(diǎn)狀反射，反射波極性為正-負(fù)相，隧洞左側(cè)地震反射弱，僅零星片狀和散點(diǎn)狀反射。隧洞線路穿越烏龍壩向斜儲(chǔ)水構(gòu)造，當(dāng)穿越節(jié)理、裂隙剪切破碎帶時(shí)，受剪切破碎帶延伸控制，破碎帶切穿相對(duì)富水層時(shí)，可能發(fā)生涌(突)水風(fēng)險(xiǎn)。2.3.2第2次物探結(jié)果(見圖9)圖9第2次物探結(jié)果1)TGS法推斷樁號(hào)DLII30+738—DLII30+703段附近為坍塌空腔區(qū)，空腔具體三維分布情況如圖9所示，以隧洞上游至下游方向，空腔主要由隧洞軸線右側(cè)往隧洞軸線上方，繼續(xù)往隧洞軸線左上方方向發(fā)育。DLII30+678—DLII30+658段，巖體橫波波速明顯降低，動(dòng)泊松比明顯增大，推斷該段巖體總體完整性差～較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育。2)地震波法(AGI-T3)DLII30+738—DLII30+715段有強(qiáng)反射界面，推斷該段圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育密集雜亂，巖體破碎，有泥質(zhì)物充填，有股流狀地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差；DLII30+715—DLII30+691段，在DLII30+690處附近有強(qiáng)反射界面，推斷該段圍巖受構(gòu)造影響屬于風(fēng)化破碎區(qū)，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，有泥質(zhì)物充填，有大量地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差。3)TRT7000法DLII30+725—DLII30+705段，為受坍塌破壞影響的節(jié)理、裂隙剪切破碎帶，巖體較破碎，圍巖極不穩(wěn)定，涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)高；DLII30+705—DLII30+645段，為軟弱夾層發(fā)育的剪切擠壓破碎帶，巖體破碎，易發(fā)生掉塊或塌方失穩(wěn)破壞，存在涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)物探結(jié)果分析得出如下結(jié)論：①DLII30+748處隧洞已開挖洞段圍巖-支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定；②破壞區(qū)以中陡傾角傾向隧洞上游的不明形體，推測(cè)DLII30+738—DLII30+703段附近為突水突泥破壞區(qū)；③DLII30+703—DLII30+645段為受構(gòu)造影響屬于風(fēng)化破碎區(qū)；④破壞區(qū)內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，有泥質(zhì)物充填，有大量地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差，存在突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。2.4鉆探驗(yàn)證為了探明該段水量、水壓和水文地質(zhì)條件等，對(duì)突水后水文觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域水文地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查，并采用超前鉆孔探測(cè)等多尺度探測(cè)手段[5-7]。超前探孔布置點(diǎn)位于DLII30+750.0處，探孔長25m，共布置10個(gè)點(diǎn)位，其中1～3號(hào)點(diǎn)位外插角為7°～12°，4～7號(hào)點(diǎn)位外插角為5°～7°，8～10號(hào)點(diǎn)位垂直于巖面布置，具體布置如圖10所示。鉆探結(jié)果表明，拱部鉆至DLII30+745處時(shí)有地下水涌出，涌出量15～30m3/(h·孔)；鉆進(jìn)至DLII30+740.5處時(shí)鉆入破碎軟弱層，并快速推進(jìn)至DLII30+725處。DLII30+750—DLII30+740.5段為硬巖層，DLII30+740.5—DLII30+725段為破碎軟弱層。圖10超前探孔布置示意(單位：m)根據(jù)隧洞穿越烏龍壩向斜構(gòu)造地段地質(zhì)條件，采用施工與地質(zhì)調(diào)查，配合超前物探、鉆探及水體探測(cè)等手段進(jìn)行分析總結(jié)，基本查明災(zāi)害源賦存特征：①DLII30+738—DLII30+645段為破碎及影響帶；②DLII30+738—DLII30+703段為突水突泥破壞段，寬度約為35m；③災(zāi)害體與隧洞呈陡傾角相交，向隧洞前方傾，右側(cè)先揭露；④該段地下水豐富，主要為結(jié)構(gòu)裂隙水，來源為降雨；⑤災(zāi)害體由構(gòu)造擠壓致密玄武巖在地下水作用下形成，深埋高地壓和地下水壓力等為其提供能量。3P2β3地層突水突泥致災(zāi)機(jī)理分析以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，通過TGP，TRT7000，AGI-T3分階段多設(shè)備遠(yuǎn)距離探測(cè)和超前鉆探法驗(yàn)證，查明災(zāi)害源賦存的基本特征。隧洞DLII30+738處突水突泥原因?yàn)椋孩儆捎陂_挖工作面與災(zāi)害源間安全巖盤厚度不斷減小；②隧洞開挖后，施作加強(qiáng)支護(hù)為巖體內(nèi)已有的裂隙擴(kuò)展貫通提供了時(shí)間。從地質(zhì)分析角度來說，未查明災(zāi)害源的形成，即蓄水空間(或透水巖層)與烏龍壩向斜構(gòu)造的關(guān)系。因此，需進(jìn)一步分析突水突泥致災(zāi)構(gòu)造及孕災(zāi)模式。3.1向斜構(gòu)造突水突泥地質(zhì)條件查閱相關(guān)研究資料[2,8]，隧洞穿越向斜軸部發(fā)生突水突泥應(yīng)具備的地質(zhì)條件為：①向斜構(gòu)造中隔水的存在，是形成地下向斜儲(chǔ)水構(gòu)造含水體的基本條件；②存在地下水補(bǔ)給通道，以便地表水滲入或側(cè)向透水層補(bǔ)給；③隧洞穿越含水構(gòu)造，或與儲(chǔ)水構(gòu)造含水體巖盤厚度不大于安全巖盤厚度。3.2孕災(zāi)模式根據(jù)隧洞地質(zhì)條件，線路在烏龍壩含水體下方隔水層中行進(jìn)，含水條件差，施工揭露P2β3地層致密玄武巖洞室段無地下水，洞室呈干燥狀態(tài)；隧洞頂板置于該地層最小厚度約150m。查閱地質(zhì)勘察資料，該段上層地層為致密P2β3杏仁狀玄武巖，下層地層為杏仁狀玄武巖、塊狀～厚層狀微風(fēng)化P2β3凝灰質(zhì)玄武巖夾凝灰?guī)r條帶。通過開挖揭示和綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)判定DLII30+738—DLII30+703段為富水破碎帶(災(zāi)害源)。根據(jù)地質(zhì)學(xué)原理，主要從地質(zhì)構(gòu)造和主要地質(zhì)標(biāo)志，如埋深、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和災(zāi)害源賦存特征等相關(guān)資料探討突水突泥致災(zāi)機(jī)理。3.2.1烏龍壩向斜構(gòu)造作用在烏龍壩向斜構(gòu)造褶皺作用過程中，核部玄武巖巖層發(fā)生折斷、碎裂。其中，隧洞開挖揭示石英條帶為玄武巖構(gòu)造作用下的地質(zhì)產(chǎn)物，這種基性玄武巖含有大量基性斜長石，在構(gòu)造應(yīng)力作用下析出SiO2形成石英，玄武巖層間錯(cuò)動(dòng)為石英形成提供了空間和物質(zhì)基礎(chǔ)。在褶皺的兩端，硬質(zhì)脆性巖層往往成為層間錯(cuò)動(dòng)破碎帶。當(dāng)硬質(zhì)脆性巖層兩側(cè)巖層的錯(cuò)距較大時(shí)，即為順層斷層[9]。烏龍壩向斜構(gòu)造作用下玄武巖層內(nèi)巖體破碎帶為突水突泥構(gòu)造提供儲(chǔ)水空間及過水通道，如圖11所示。分析認(rèn)為該破碎帶位于巨厚P2β3地層致密玄武巖受拉部位。當(dāng)向斜受到垂直于軸部壓應(yīng)力作用時(shí)，向斜內(nèi)部的壓應(yīng)力最大，而外部的拉應(yīng)力則最大。脆性巖石受拉部位裂隙將逐漸向向斜內(nèi)部發(fā)展形成縱向張節(jié)理，在垂直于軸向的應(yīng)力持續(xù)作用下縱向張節(jié)理將繼續(xù)向核部發(fā)展形成更大規(guī)模的縱向張節(jié)理,即在該地層受拉區(qū)形成一定厚度的條帶狀剪切破碎帶。下覆地層凝灰質(zhì)玄武巖夾凝灰?guī)r條帶，軟硬互層巖層在褶皺作用下軟層巖體易被壓縮且變形較大，承受了大部分應(yīng)力，而隨著軟層的巖體增厚，硬層巖體的完整性越好[10]。因此，該硬層巖體斷裂間連通性差、透水性差，起到隔水作用。圖11剪切破碎帶賦存示意向斜型蓄水構(gòu)造的地下水徑流模式主要有切層順軸徑流、單翼順層徑流、順層繞軸徑流和復(fù)合型徑流4種形式[11]。根據(jù)隧洞地質(zhì)條件,烏龍壩向斜軸部為山嶺，地形上表現(xiàn)為兩翼出露高差大；區(qū)域受侵蝕嚴(yán)重，沿向斜軸部分布多個(gè)丘陵單元，溝谷縱橫?？傮w來說，地下水從補(bǔ)給翼向排泄翼運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)向斜軸部，呈帶狀富水賦存于剪切劈理構(gòu)造破碎帶中。3.2.2揭露導(dǎo)水通道隧洞穿越烏龍壩向斜構(gòu)