工程提供参考与借鉴。
【关键词】富水破碎带；突水灾变；非线性渗流；防治技术
1.引言
随着我国隧道、矿山、水利以及其它地下工程建设的迅猛发展，所遇到的工程地质条件日趋复杂，面临的问题也越来越具有挑战性，高压突水、涌泥地质灾害屡有发生，地下深埋工程施工处在各种突发性灾害的巨大威胁之中，尤其是高压、富水破碎区隧道面临高压突水、涌泥的危险[1-2]。一直以来，人们主要致力于地下水运移规律与突水机理等方面的研究，以便用理论指导工程实践。
小方山隧道是武深高速公路控制性工程之一，位于嘉鱼区内。隧道总体呈近南北向展布，洞身略向西呈弧形展布。隧道隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路中隧道，左线长580m，最大埋深125m；隧道右线长562.363m，最大埋深128m。隧址区发育有一断层，近东西展布，与路线大角度相交，夹角约75°。破碎带宽约5m，胶结较差。围岩较为破碎带，属强富水区，随雨量变化明显，节理裂隙发育，导水性强，隧道开挖过程中，有可能诱发涌水突泥等地质灾害。隧道断裂破碎区段围岩属中～微风化石英砂、砾岩，岩体较破碎，呈镶嵌结构，受构造作用强烈，岩体呈碎石状松散结构，围岩稳定性差。
本文将基于小方山隧道穿越富水破碎带的工程实践，基于渗流力学理论建立适合开挖作用下岩体渗流突水力学模型与数值计算方法，采用Brinkman方程研究水在围岩破碎区段内的流动规律，分析突水的流态灾变演化过程。
2.突水灾变的演化方程
大多数大型突水灾害与地质缺陷有关，如断层破碎带中碎裂介质里裂隙水流动状态的突变表征了突水的不同阶段。一般来讲，可将突水发生始末过程用三种流态方程来进行描述：以层流为主、忽略流体惯性力的Darcy方程，考虑非线性快速渗流的Brinkman方程以及忽略流体渗透阻力的Navier-Stokes（简称N-S）方程，基于流态突变边界处质量守衡和压力平衡等条件，可建立突水流体流动的非线性数值模型，分析断层破碎带诱发突水的流态灾变机制。
2.1突水孕育段的Darcy渗流
突水孕育阶段即含水构造岩层系统处于原始状态，尚且没有受到开挖应力干扰或干扰较小，地质缺陷内岩溶水与附近围岩之间的水力联系比较稳定，属于低速多孔介质渗流，以流体压力驱动为主，流体惯性力可忽略不计，符合Darcy渗流方程，该阶段岩溶水流态可采用Darcy方程或修正后的Darcy方程进行描述[3]。
2.2 突水萌生段的快速流
突水萌生阶段即含水构造岩层系统受开挖应力的强烈干扰，岩体破碎区段内的裂隙水与附近围岩之间的水力联系发生明显变化，由最初的低速多孔渗流演变为快速非线性渗流流态，处于突水前的临界状态。由于该流态流速较快，剪切作用引起的能量耗散非常大，黏性流体的剪切应力不能忽略，适合用Brinkman方程进行物理描述[4]。
2.3 突水爆发段的自由流动
突水爆发阶段即岩体破碎区含水构造体在开挖应力等外界因素的持续干扰下发生失稳，岩体破碎区段内的裂隙水向自由面急速喷射，由快速非线性渗流演变为急速的管道流，流体流动的惯性力较大，其渗流阻力可忽略不计，符合用N-S方程来加以描述[5]。
3.非线性渗流突水模型的建立
隧道爆破开挖诱发围岩破坏极大地改变了其渗透性，从而导致断层破碎带的失稳突水，存在含水构造体是突水的先决条件，断层破碎带是突水的主通道，施工隧道则为最终的泄流通道，突水过程如图1所示。由图可知，当隧道爆破开挖至断层时诱发突水：含水层或静态水体中的高压水通过断层破碎区段快速流入施工隧道之中，在高渗流压力作用下，突水过程中水流经历了在含水层中的Darcy层流、断层破碎区段中的Brinkman快速流以及在施工隧道中的N-S紊流3个物理过程[6]。
针对断层破碎带一类的地质缺陷体，充填的不连续松散介质使其具有破碎带渗流特征，裂隙水流经破碎带时，流速非常快，由此产生的剪切作用能将充填的碎屑物迅速带走，其流态单一稳定，不存在流态转化的过程，在突水过程中迅速成为连接含水构造系统和隧道的过水通道[7]。
4.非线性渗流灾变演化过程的数值实现
为分析开挖、断层破碎区的形态及其渗透性对隧道突水的诱发机制，建立断层突水的非线性渗流计算模型，分析开挖作用下隧道的突水机理。
4.1 数值计算模型
假设隧道底板下20m处为层厚为20m的含水层，含水层左右边界为进水边界，进水流速恒为1e-4m/s。隧道掌子面前方存在一宽约5m的断层破碎带，断层断距为10m，含水层通过断层与隧道走线导通。隧道开挖断面高为6m，共开挖46m，分两种工况进行计算，工况一取断层渗透率为1e-10m2，工况二则取1e-6m2，分析开挖作用下断层破碎带渗透率对突水的影响。
4.2 计算结果分析
隧道开挖46m后，含水层内的承压水沿断层进入隧道掌子面前方围岩，并渗出隧道开挖面，岩溶水流态经历了含水层中的Darcy流、断层内的Brinkman流和开挖区域的Navier-Stokes流。由于定流量边界，且渗透率与渗透断面不变，含水层内的承压水流速基本不变。由于断层的分流减压作用，含水层里越靠近断层的位置水压越小，呈直线形式降低；在断层破碎带内，水压逐渐降低，流速逐渐增大，水在进入开挖区域前，由于剖面线弯曲，流速先减小后增大。岩溶水突水开挖区域后得到自由释放，水压瞬间降为零，流速急剧上升，最后高达1.0e-3m/s。
图5、图6和图7为隧道开挖46m后工况一与工况二的计算结果对比图。在两种计算工况中，含水层中岩溶水的流速相差不大，基本稳定在1e-4m/s左右，仅在进入断层破碎带前有极小幅度降低。在靠近断层的过程中，含水层压力降梯度均为1.0e3Pa/m，但断层入口处工况1压力为工况2的711倍。由于工况2的渗透率较大，岩溶水进入断层后工况2流速较大，但由于流量的限制最终趋于一致。随着岩溶水在断层内的导升，工况2与工况1中断层内水压值均大幅度降低，且变化去趋势一致，表明断层内Brinkman域的渗透性提高具有明显的卸压作用，但在定流量边界条件下，渗透性的提高对水流速度变化影响不大。进一步研究表明，隧道施工揭露断层时，若含水层补给水量有限，即使断层渗透性很高，也不会发生突水灾害。
5.隧道突水的防治技术
对突水机理的正确认识是防治对策建立与实施的重要指南，由于隧道含导水构造的复杂性，下文将从突水灾变演化过程的控制上建立突水防治体系，从而降低隧道开挖过程中发生突水地质灾害的概率[8-9]。
依据小方山隧道断层破碎带衍生的地质结构面，在断层揭露前地下水存在沿较明显的弱面结构涌出的可能，采取以断层系统封堵为原则，基于综合物探手段的精细定位，充分借助隧道左右线和横洞的空间位置实施未揭露断层的超前预注浆治理，具体见图8。
探明导水断层属性后，根据断层规模及其于隧道位置关系，提出了左右线双洞掌子面预注浆和横洞预注浆两种技术方案。在安全的前提下，若采取掌子面预注浆，则应尽量靠近断层位置实施作业；若采取横洞预注浆，则超前洞应尽量远离断层，并在横洞口设置防水闸门，确保注浆实施的安全。
小方山隧道在施工过程中揭露左洞发生了大面积突水，依据超前水平钻孔的探测结论，基于隧道突水灾变演化规律，提出对左洞采取横洞预注浆，并对左洞实施分区划段治理断层突水的技术方案，期防治效果明显，使得隧道安全穿越富水破碎带。隧道分区划段治理如图9所示。
对断层影响范围内的渗水、滴水、淋水以及小股涌水实施分区划段治理，但对于断层附近的突水则实施分流减压控注浆治理，其实施流程如下：
（1）引流与抽排。施作排水控分流、减压，安装带有高压阀门的耐压钢管进行引排，以降低主流孔的压力和流量，在效果不明显区域结合负压抽排进行分流；
（2）集中顶水灌浆。在分流减压与负压抽排后，断层破碎带具备堵水灌浆的条件时，启用孔口安装阀门的钻孔进行顶水灌浆封堵；
（3）引排孔灌浆。顶水灌浆结束后，实施周边围岩固结灌浆，然后采用高压大流量注浆泵注入快凝特种水泥砂浆实施引排孔封堵，必要时可以结合超细水泥或化学浆液实施强行封堵。
6.结论
本文针对武深高速公路小方山隧道修建过程中出现的突涌水地质灾害问题，结合理论分析与数值模拟的方法，分析了隧道开挖过程中突水灾变演化过程，并提出了断层带突水防治的技术，具体结论如下：
（1）针对隧道断层突水灾变过程，实质上是地下水随开挖变化由含水构造的Darcy流演变为潜在突水通道中的Brinkman流，直至突水隧道中形成N-S流的灾变过程。
（2）在定流量边界条件下，断层破碎带的渗透性的提高具有明显的卸压作用，但对地下水流速影响不大。
（3）基于隧道突水灾变的演化规律，提出了隧道断层破碎带突水防治的技术，并在武深高速公路小方山隧道成功应用，其结论可为后续类似工程提供参考与借鉴。
参考文献
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