特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水作用机理分析及其综合解决措施研究综述

魏明专1   李奎邑2    吴昊2    朱睿2

2. 重庆交通大学  重庆   400074

摘要：随着中国经济的快速发展，地下空间的开发利用逐渐成为经济建设的热点。同时，岩溶地区在中国分布广泛，具有强烈的致灾性。我国西部地区地质条件复杂，山岭隧道修建过程中经常遇到岩溶地质不良现象，尤其是岩溶涌突水现象，岩溶水喷涌造成的经济损失和人员伤亡位居各类灾害的前列，在施工过程中屡屡造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡，岩溶涌突水灾害已成为隧道工程施工和运营过程中的重大安全隐患。特大型岩溶漏斗隧道的涌水、突水是典型的地质灾害，因其规模大、影响范围广，给施工建设带来极大困难。本文通过对国内外特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水相关文献的收集整理，分析了特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水的作用机理，对特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水的综合解决措施进行了归纳总结，为今后特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水的研究提供参考借鉴。

关键词：岩溶隧道；涌突水危害：解决措施

1. 引言

随着城市交通网络的不断发展和对资源的不断需求，特大型岩溶漏斗隧道的建设在工程领域日益增多。然而，随着隧道深埋深度的增加和岩溶地质条件的复杂性，涌水、突水等地下水问题成为岩溶漏斗隧道工程中不可忽视的挑战之一。涌突水不仅会对隧道施工和运营产生严重影响，还可能引发安全隐患。在这一背景下，深入了解特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水作用的机理显得尤为重要。涌突水的发生机理受到多种因素的影响，包括地质构造、岩层性质条件等。通过对这些机理进行深入分析，不仅有助于更好地预测和防范涌水、突水风险，还能为岩溶漏斗隧道工程的设计、施工和管理提供科学的依据。本文旨在通过对特大型岩溶漏斗隧道涌水、突水作用机理的综合研究，探讨其影响因素以及相应的防治措施。通过对这些关键问题的认识，可为特大型岩溶漏斗隧道工程的可持续发展和安全运营提供有力的支持。

2. 岩溶漏斗隧道涌水、突水作用机理分析及解决措施

2.1岩溶隧道开挖过程中涌水、突水的区间风险评估方法研究

国内相关专家采用多种方法对岩溶隧道突水的危险因素进行了详细的研究。如石少帅[1] 利用多种手段如通过理论分析、室内实验、大型流固耦合模型试验、数值模拟、软件开发和现场试验,深入分析了充填型致灾构造的突涌水机理和风险控制；李利平[2] 提出了岩溶突水防治技术体系，他通过现场试验、物理模型试验、非线性突变理论等手段,探讨了突水通道的形成机制及其突变模型,并深入研究岩溶突水的灾变演化过程及其力学机理。这些方法缺乏一定的特点和影响因素，也没有得到全面的分析。风险必须根据开挖进度进行动态调整，然而，尽管隧道施工过程具有动态性质，但尚未提出类似的动态风险评估和管理方法。

因此可以引入风险评估模型的概念和计算形式，分析隧道涌水和突水风险环境、构建因素和反馈信息。概念模型由三个层次和三个阶段组成，选取13个因素作为评价指标，可分为岩溶水文地质条件和地质工程条件、施工因素和管理反馈信息三类。利用层次分析法和模糊数学理论建立基于区间数的计算模型，对区间隶属度函数和各因子的权重进行量化，并对区间矩阵进行相对优势分析。并由此建立岩溶隧道涌水、突水施工许可机制，可以为岩溶隧道施工的风险评估和管理提供实际参考。

2.2涌水、突水灾害监测技术

建立涌水和突水灾害智能监测预警系统时，结合物联网和人工智能可以提高系统的智能性和实时性。首先在潜在的涌水和突水灾害风险区域部署物联网传感器，包括水位传感器、降雨计、地质传感器等。确保这些传感器能够实时测量并传输数据。再通过物联网技术，将传感器与云服务器连接，实现实时数据传输。在云服务器上建立数据库，用于存储从传感器获取的实时监测数据。这可以通过云存储服务实现，确保数据安全且易于访问利用人工智能算法，如机器学习和深度学习，对实时监测数据进行分析。这有助于识别模式、趋势和异常，提高对潜在水灾风险的预测准确性。还可以基于人工智能算法的分析结果，建立涌水和突水灾害的风险评估模型。模型可以考虑多个因素，如水位、降雨、地质条件等。将风险评估模型嵌入到实时监测系统中，以实时更新风险评估。如果模型分析表明存在潜在的水灾风险，系统可以自动触发警报，并通过各种通信手段通知相关机构和居民。利用互联网建立移动应用和网站服务，设计系统具有自适应性，能够根据新的监测数据和反馈信息不断优化和更新模型，以适应不断变化的环境条件。将监测数据与社交媒体整合，通过社交平台向公众传递实时信息，提高公众的防范意识。最后定期评估系统的性能，根据实际使用情况和反馈信息进行改进。

通过结合物联网和人工智能，建立涌水和突水灾害的智能监测预警系统，可以实现更准确、实时的风险评估和预警，有效降低水灾带来的损失。

2.3注浆加固材料试验与应用研究

就目前而言,国内外使用较多的堵水材料有水泥浆料、高分子水泥基速凝注浆材料、聚氨酯类等,这些材料在使用中有一定的积极作用,而在位于地下水位以下地区, 常规注浆材料在面对强大的水流和水压时，抵御动水冲刷的能力可能不突出，需要不断注浆来封堵动水，从而导致人、物和财力的大量消耗;除此之外, 一些具有较好堵水能力的材料可能需要特殊的工艺，而这些特殊工艺可能在大部分施工现场的设备条件难以得到满足，使得使用效果较好的材料不能广泛应用于地下的动水治理工程。高压水流具有极强的渗透能力，这可能导致一些问题。在快速流过岩层裂隙时，高压水流可能冲散已经灌入的注浆材料，特别是在注浆材料凝结后强度不足的情况下，这可能使注浆材料无法形成有效的封堵网络，降低了其堵水效果。同时，在低温度的地下环境，注浆材料的凝固速度较慢，会导致结石体后期的强度可能减弱 [3]。

隧道注浆加固目的主要是增强地层稳定性，防水和抗渗，达到确保隧道结构的安全、提高地层的稳定性和耐久性，以适应不同的地质条件和工程要求。刘人太[4] 等开发的高分子水泥基速凝注浆材料，是专注于解决特定的动水条件下技术难题与注浆扩散封堵理论,并与实际工程的应用紧密联系 ,建立了一个基于单一平板裂隙的动水注浆扩散模型,经过数值模拟、理论分析和模型试验, 详细探讨了了新型注浆材料在动、静水条件下的扩散规律, 同时也为水动力注浆封堵提供了评估标准。王洪波[5] 等人提出的地聚合物和以水玻璃为主的添加剂双组份FS（注浆材料）, 主要以粉煤灰为主，他们基于动水注浆治理工程的需要,对注浆材料的性能进行分析。在实验中，他们测试了添加剂掺量和不同水含量条件下的多项参数，包括1小时后的结石率、初终凝时间、抗压强度等。这些参数是评估注浆材料性能的重要指标，并以此提出了一种分层次系列式联合钻孔注浆封堵加固技术，为利用该材料进行动水注浆治理提供了实际可行的技术方案。

3.结语

综上所述，特大型岩溶漏斗隧道的涌水和突水问题在工程实践中显得尤为复杂而严峻，其机理分析及解决措施的研究对于确保隧道的安全施工和运营至关重要。本文基于案例分析涌突水灾害综合防治的要点，从风险评估方法、涌水突水检测技术和注浆加固措施等方面，分析施工控制技术，探讨复杂岩溶环境条件下隧道涌突水灾害的综合防治措施，目前监测预警是预防和控制突水发生的有效途径。

参考文献

References:

[1].石少帅, 深长隧道充填型致灾构造渗透失稳突涌水机理与风险控制及工程应用, 2014, 山东大学.

[2].李利平, 高风险岩溶隧道突水灾变演化机理及其应用研究, 2010, 山东大学.

[3].袁超鹏, 纳米复合水泥基动水注浆材料研究与应用, 2018, 成都理工大学.

[4].刘人太, 水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究, 2012, 山东大学.

[5].王洪波等, 不良地质动水封堵加固材料试验及工艺研究. 岩石力学与工程学报, 2017. 36(S2): 第3984-3991页.