１防突岩层安全厚度预测
为确保岩溶突水风险评估取得良好应用效果，将防突岩层安全厚度预测分为３个阶段：初步估算阶段、二次估计阶段和动态测算阶段。从勘察设计初期起，风险评估贯穿隧道工程的全过程，随着工程推进，获取风险信息数据越来越全面，不断修正防突岩层安全厚度预测值，达到科学利用防突岩层安全厚度指导隧道工程初步设计与施工的目的。在本文风险评估模型中，假设溶腔处于充满态，并且隧道围岩的防突安全岩层的岩体实际上多为不完整岩板，偏向考虑危险情况，为安全管理留有充足余量。考虑到当前掌子面２０～３０ｍ的预报距离中有多种超前地质预报探测方法可运用，所用探测手段有较广的适用范围，可进行相互验证，故在２０～３０ｍ距离上实际工程的预报准确率是相对较高的［２］，若在开挖面推进中溶腔可能出现在隧道周围，则周边溶洞规模对隧道防突岩层安全厚度的影响断面大小可简化为以隧道的掌子面大小为准。
１．１防突岩层安全厚度初步估算阶段
防突岩层安全厚度的初步估算需要综合考虑隧道本身诱发因素与岩溶地质突水孕险环境２方面的情况。对于勘察阶段，隧道勘察资料中提取的数据信息，难以满足目前防突岩层安全厚度计算方法参数要求。式（１）中的压力差ｑ＝ｑｗ＋ｑｓ。由文献［６］知，压力差ｑ中的高水头压强ｑｗ＝βｈ／１００ＭＰａ（β为折减系数；ｈ为水头高度，地下水位在实际过程中是一个动态变化的量，需要选择水文勘察数据中可能性最大的值）。压力差ｑ中的隧道防突安全岩层上部岩体压强ｑｓ＝ρｇｈｓＭＰａ（ρ是岩体综合密度值，ｋｇ／ｍ３，根据各地层的岩性分布厚度按比例估算岩体密度的合适取值；ｇ为重力加速度，取值１０Ｎ／ｋｇ；ｈｓ是隧洞正上方防突安全岩层的岩体厚度值，ｍ）。此外，岩石软化系数λ经验取值可参照文献［７］岩石软化系数经验取值。防突岩层安全厚度初步估算公式具体过程参见文献［３］，此处不再详述，其有效性已在文中得到验证。
１．２防突岩层安全厚度二次估计阶段
在施工前对隧道各段进行一次初步估算，对隧道各段所处地质条件和风险状态有一个初步认识，有利于施工单位结合设计方案，加强重点施工段的勘察力度及制定施工组织设计方案，然后由风险评估单位根据施工方案进行防突岩层安全厚度二次估计，尤其要重点关注初步估算阶段发现的危险地段，为评估施工方案的合理性提供可靠理论支持。目前钻爆法是隧道施工的主要方式，开挖多以爆破为主，在岩溶地层中进行隧道的爆破开挖，将其对防突岩层强度的降低等效于防突岩层安全厚度的增加。当开挖面接近至最小安全距离时，开挖面失稳突水的模式明显更多受制于掘进速度［３］。文献［８］所示方法能够很好地控制岩溶区隧道爆破开挖产生的地震危害，确保施工安全和工程质量。可以此为参考，对工程地区进行测试，获取爆破开挖时爆心与溶洞的间距Ｒ同单段最大药量Ｑ的计算值，或者直接利用文献［８］所示地区情况为参考进行防突安全厚度二次估计。考虑到岩溶地质的复杂性，为充分确保施工安全，根据爆破安全标准控制，在二次估计阶段中，要确保初步估算阶段得到的防突岩层安全厚度大于单段最大药量Ｑ和岩溶地层安全爆破震速共同确定的爆心与溶洞的间距Ｒ，将爆破方案调整适当，如果单段最大药量Ｑ过多就要减少至合理水平，做好岩溶突水灾害防控措施，进而保证爆破开挖安全施工。
１．３防突岩层安全厚度动态测算阶段
岩溶水文地质与工程地质信息在隧道施工过程中，通过隧道开挖揭示及超前地质预报，防突岩层安全厚度动态测算信息获取将更加详实，可不断修正之前对防突岩层安全厚度的估值，对安全厚度值进行更加精准的预测。当隧道掌子面前方隐伏特大体量高压岩溶水体时（未考虑隧道底部溶洞），水体附近围岩在高压裂隙水作用下发生裂隙扩展、贯通，形成一定范围的破坏区域。当施工面接近至最小安全距离，施工面失稳突水模式与隧洞围岩力学参数、防突结构厚度、水体特征和掘进效率的关系紧密［３］，故选择文献［９］针对裂隙导通突水模式，该计算式的可行有效性在文献［９］得到验证。公式计算具体过程见文献［９］，此处不再详述计算步骤，并且具体工程可根据具体情况选取适用的防突岩层安全厚度动态测算公式。隧道开挖面突水未出现岩溶水压显著增加现象，可知隧洞施工扰动引起的局部岩体卸荷是突水灾害发生主因，在原有岩溶水的压力条件下隧道围岩水压劈裂临界水压力的陡然降低导致施工中突水灾害发生，故文献［９］方式获得的防突岩层安全厚度值对岩溶隧道工程是适用的。根据动态测算的防突岩层安全厚度需要进行一次二次估计，调整爆破方案。随着施工进展情况实行动态监控、分析量测数据，跟踪监控和测算防突水岩层安全厚度值的动态变化信息，不断进行防突水岩层安全厚度值的测算与修正，及时获取科学可靠的防突岩层安全厚度值。基于防突岩层安全厚度３个计算阶段是一个循序渐进的过程，且在二次估计阶段与动态测算阶段之间存在互反馈修正关系。
２隧道岩溶影响态势估计
由岩溶突水的主要因素可知，突水风险的发生是防突岩层安全厚度和隧道周围溶洞分布态势２方面共同决定的。为此，需要估计溶洞与隧道的相对位置，而且岩溶的发育是有一定规律可循的，由此估计溶洞存在的影响大致范围，在未开挖前提下对溶腔具体位置准确探测仍然是研究难题。文献［１０］和［１１］认为，根据现有资料分析，岩溶的发育深度可达２０００～３０００ｍ，其发育程度既有随深度增加而减弱的趋势，又存在局部增强和分带性的特点。在适宜的地质地貌、水化学环境佳以及地下水循环交替运动强烈的岩层区域，洞穴型的发育强烈的深部岩溶出现概率极大。为此，可通过勘察资料依据岩溶发育规律估判导水构造存在，从剖面图中的岩溶发育规模粗略估计位置。在勘察过程中，要注重勘察隧道穿越山体中构造交接部位、非可溶岩与可溶岩接触带和断裂破碎带的大致位置，为在剖面设计图中估判隧道距离溶洞相对位置提供依据。从褶皱构造、断裂构造和单斜构造进行分析，充分总结文献［１２－１８］岩溶发育位置规律，归纳了岩溶发育位置特征，具体情况如表１所示。利于地下水的运移部位为构造的交接部位，如断裂、节理裂隙的交接部位，其岩体破碎，易发育成岩溶管道；岩溶可能发育的部位为节理、裂隙及无胶结岩层面，既是地下水的运移通道，也是控制岩溶发育的因素［１３］。岩溶发育程度和规模主要受制于的地层特征有：一是岩体结构、构造；二是岩层产状与岩层接触面关系；三是岩层层厚、裂隙、节理、褶皱、断裂、软弱夹层和岩石风化程度等［１４］。可见，岩溶发育的影响规模可等效为平面圆，选取岩溶影响等效半径进行量化表征。结合文献［１９］对西南地区溶洞大小的统计、文献［２０］的岩溶发育程度评价标准、文献［９］的岩溶发育的高程分带特点以及相关文献岩溶发育一般规律，构建表２岩溶影响规模评价参考表。在施工前，通过表２并结合勘察资料中估计剖面图中岩溶发育可能性高的位置范围，依据隧道穿越的剖面图位置取岩溶发育位置的上下限值的平均值作为岩溶影响规模等效圆的中心位置估计值，结合岩溶发育位置特征和岩溶影响规模评价参考表，可大致判断出溶洞存在可能性最大的范围，得出溶腔在隧洞设计地质剖面图中的分布态势。在施工过程中，通过随着开挖揭露及超前地质预报对工程地质情况将有更加精确的了解，对溶腔位置的探测将更加准确，可不断修正溶腔距隧道的位置距离。
３岩溶突水风险评估矩阵构建
将隧道岩溶分布态势估计与防突岩层厚度预测相结合，可对隧道岩溶突水风险进行定量化评估。《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》将事故的概率和后果等级分为５个级别，参考此规定并结合工程的突水风险评价实际应用，将本文岩溶突水风险分为４个概率等级与后果等级。同时考虑到，文献［２１］认为厚度３ｍ的岩墙可抵御突水压力，其数值来源是帷幕注浆止浆墙的常用厚度，且据文献［２２］可知，掌子面的爆破对隧道前方围岩的扰动影响不会超过１．５ｍ的深度，考虑到爆破震动会形成动载从而造成含水裂隙瞬间处于超临界状态，以及开挖后隧洞围岩的松弛厚度为２～３．５ｍ。当防突岩层安全厚度加上１．５ｍ＋３．５ｍ＝５ｍ后的距离就会比较好降低爆破扰动影响。关于爆破扰动深度和围岩松弛厚度可根据具体工程实际选取，结合防突岩层的裂隙存在随机性影响分析考虑，将岩溶突水风险的概率等级标准暂定如表３所示。以中国人平均身高约１６９ｃｍ，体重约６０ｋｇ，作为施工人员体型标准。鞋底主要以橡胶为主，考虑到地面粗糙，静摩擦因数取０．６，重力加速度取９．８Ｎ／ｋｇ，从摩擦力算式ｆ＝μ×ＰＮ（μ为静摩擦因数、ＰＮ为单人体重压力），计算得静摩擦力ｆ＝μ×ＰＮ＝３５３Ｎ。若突水形成的喷射水流与人的接触面积取值约为１２ｃｍ×３６ｃｍ＝０．０４３２ｍ２（参考人体上身面积），要克服静摩擦力所受压强为８１７１．２９６Ｐａ。由压强Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝ρ×Ｖ２知，水流速度Ｖ为２．８６ｍ／ｓ。通过总结工程突水裂隙数据，将突水裂隙取值简化为直径０．２ｍ的圆形管道，截面积Ａ为０．０３１４ｍ２，由Ｑ＝Ａ×Ｖ（Ａ为管道截面积；Ｖ为水流速度）知，此时流量Ｑ为０．０８９８ｍ３／ｓ。若高压射流水与人体接触面积取直径为１２ｃｍ的圆形，面积为０．０１１３ｍ２。由文献［２３］人体骨骼能够承受的冲击力数据可知，５００Ｎ以上的冲击力将极有可能对人体造成伤害。高压水射流可能造成伤害下，身体所受压强有４４２４７．７９Ｐａ，由压强Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝ρ×Ｖ２知，水流速度Ｖ为６．６５ｍ／ｓ。假设突水裂隙取值近似为直径０．２ｍ的圆形管道，截面积Ａ为０．０３１４ｍ２，由Ｑ＝Ａ×Ｖ（Ａ为管道截面积；Ｖ为水流速度）知，此时流量Ｑ为０．２０８ｍ３／ｓ。将隧道简化成圆形排水管道，由文献［２０］的混合模式搜索算法求解圆形断面均匀流水深可知，流量Ｑ取５．５ｍ３／ｓ时，在直径６ｍ的圆形隧道，糙率取０．０６，坡度取０．００３，得水深１．６３６ｍ，由标准身高１．６９ｍ可知，此水深度的情形下易发生人员淹亡事故。该计算过程提出了一个分级基础概论模型，可以此破坏分级标准依据具体工程情况计算明确突水量分级标准。由前述分析可知，溶腔水压力决定着突水水流速度，故参考文献［２５］对溶腔水压力的等级划分，暂定岩溶突水风险后果等级标准如表４所示。根据突水风险概率与突水风险后果二者等级评定，将风险等级标准划分为极高（Ⅰ级）、高度（Ⅱ级）、中度（Ⅲ级）、低度（Ⅳ级）４个等级（见表５），为应对不同等级突水风险需采取相应的岩溶突水风险接受准则标准（见表６）。由于重大地质灾害在隧洞内发生，极易造成人员生命和施工财产的重大损失，对隧道突水灾害风险等级判定建议广泛应用就高原则［２７］。
４工程案例应用
以防突岩层安全厚度初步估算阶段为例，以文献［２６］峡口隧道为工程背景，由相关文献资料得到如表７所示的结果。由本文岩溶突水风险评估模型知：斜井隧道揭穿溶洞可能性极大，岩溶突水风险概率等级属于Ⅳ级（即很可能）。虽然突水量预测较小，但溶洞高水头压强相当大，依据就高原则，突水风险后果等级属于Ⅱ级（即较大）。最后，根据突水风险等级评估矩阵评判峡口隧道斜井段隧道风险等级属于高度（Ⅱ级）。与开挖结果验证对比，２０１１年８月７日，掌子面ＸＪＫ０＋１０１左侧２个炮眼发生涌水，喷射距离约４ｍ，经测算涌水量约为６４ｍ３／ｈ［２６］，突水发生后并未造成人员与设备等相关情况的严重损失，可知防突岩层安全厚度初步估算阶段，突水风险评估结论与突水灾害实况是相对吻合的。初步估算、二次估计与动态测算３阶段结合应用以圆梁山隧道毛坝向斜段为例，由文献［２８］中的地质剖面图及相关地质资料知，圆梁山隧道ＤＫ３５４＋２５５～＋２８０段、ＤＫ３５４＋４６１～＋４９２段隧道穿越向斜构造的核部，接近向斜核部脱空部位，洞身附近为构造交接部位和破碎带，结合其他岩溶现象该区域可判定为岩溶发育极强烈，并且在掘进的过程中大地电磁探测发现异常，隧道周边存在溶洞可能性极大。为确保施工安全，故爆破震速Ｖ选择不大于２ｃｍ／ｓ，单段最大药量Ｑ选择为０．３９，降低爆破对防突安全岩层强度弱化效果。
５结论与建议
本文提出了针对岩溶隧道从初步设计到施工的３个阶段的防突岩层安全厚度预测模型应用和突水量分级标准，通过将防突岩层安全厚度和溶洞与隧道相对估计位置结合，构建了迭代式修正的岩溶突水风险评估模型，实现岩溶突水风险的全过程动态修正与管理，充分考虑了岩溶突水风险影响的环境因素与人为因素的联合作用，特别是开挖扰动的影响，为岩溶突水灾害风险评估提供了易操作的标准化定量综合分析评价方法，减少了主观因素干扰和工程局限性，可在工程掘进过程中利用施工反馈信息及时修正风险评估结果。将工程现场灾害实况与本文的岩溶突水风险评估模型的评估结论进行比对，验证了创新的岩溶突水风险评估模型的合理可行性，体现风险评估方法具备相当的推广适应性，可有效地减少因盲目施工而导致的突水灾害；并且有针对性地为隧道岩溶突水风险评估、初步方案设计与施工组织设计提供理论依据和相关修改建议，进而使施工各方对隧道风险状态与规避措施有进一步的宏观总体认识，不至于忽视风险、盲目施工，更不至于施工各方在风险事故发生后，才了解隧道的风险状态。本文在初步估算阶段所用的防突岩层安全厚度预测方法，存在部分结论偏主观现象。岩溶影响规模等效圆中心位置与隧道相对位置距离估计比较偏定性分析，需要改进勘察探测手段和运用地理信息系统进行空间分析。岩溶突水风险评估过程全面性考虑有所欠缺，如隧道区段丰水期与枯水期的差别重视不足和溶腔充填物对突水风险的影响研究不够。为此，需要有针对性地进一步研究，探索更加客观、全面的量化评估企业管理论文依据，不断充实岩溶突水风险评估模型实用性，提高岩溶突水风险评估模型工程应用价值。
作者：李集 常乐 单位：解放军理工大学国防工程学院 中国人民解放军９４９６８部队
