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2023-11-04
水工程地质缺陷加固技术及突水机制
【摘要】：图4.10断裂突水型式示意图张性断裂；压性断裂活化；断裂扩展因断裂富水、导水而发生突水事故的情形有三种，如图4.10所示。图4.10表示隧道揭露富水的张性断裂而发生突水事故。对突水围岩本构关系分析看出，突水前，作用在围岩上应力为总应力σij，其值远大于正常掘进时岩体之间接触作用应力，且突水区围岩多为弱化岩体，受软化、蠕变、松弛、弹性后效等作用影响，使围岩流变明显加大。
地下厂房或隧道工程中突水必须具备两个基本条件：一是有充足的水源；二是水源和地下厂房或隧道之间有顺畅、足够大的通道。
（1）水源。充足的水源是造成隧道工程突水的前提条件。主要有以下几种水源：
1）含水层特别是承压含水层是常见的情形，隧道工程突水多是由地下承压含水层的水造成的。
2）隧道工程之上的水库、江、河、海也是经常遇到的易造成突水的水源。
3）溶洞、老采空区积水。
4）江、河等发生洪水时，洪水沿各种通道进入地下的倒灌水。
5）一些富水的优势断裂本身就是含水层。此时，它不仅是导水的通道，还是断裂含水层。
（2）通道。
1）隧道直接穿过水源区。如图4.9所示，隧道施工过程中，有时会直接揭露含水层。此时，如果地下水位事先没被疏降或含水层中水没有事先得到探放，发生突水事故就在所难免。
有时因条件所限，隧道不得已在含水层中且沿含水层走向方向施工。这时发生突水的可能性就更大，必须事先探放地下水。
图4.9 隧道直接揭露含水层示意图
2）原生断裂及其施工扰动后的活化或扩展断裂。断裂是最重要的原生通道。这里说的原生通道指的就是断裂，相应地，施工扰动后的活化或扩展通道指的也是断裂的活化或扩展。
断裂包括断层、节理、裂隙等，其中断层的两盘有相对位移，而节理和裂隙没有。断裂带透水性好，往往断裂带本身就是地下水的储集场所，而当断层与某种含水层有水力联系时就成为地下水传输通道。大量的实例表明，突水与断裂关系密切。
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图4.10 断裂突水型式示意图
（a）张性断裂；（b）压性断裂活化；（c）断裂扩展
因断裂富水、导水而发生突水事故的情形有三种，如图4.10所示。图4.10（a）表示隧道揭露富水的张性断裂而发生突水事故。图4.10（b）中，某压性断裂本来不富水、不导水，是隔水断裂，但由于施工的影响，其压性断裂的力学状态发生变化而导水。图4.10（c）中，原断裂没有延伸到含水层，隧道施工影响造成原断裂扩展而沟通含水层。
根据有效应力原理，隧道掘进头的总应力为孔隙水应力和有效应力之和，因此，突水隧道的力学模型和本构关系的张量形式描述如下：
式中 σij——岩水作用总应力；
——有效压力；
p——动孔隙水应力；
εij——应变；
E——弹性模量；
μ——岩石泊松比；
δij——Kronecker delta，i、j、k=1，2，3。
对突水围岩本构关系分析看出，突水前，作用在围岩上应力为总应力σij，其值远大于正常掘进时岩体之间接触作用应力，且突水区围岩多为弱化岩体，受软化、蠕变、松弛、弹性后效等作用影响，使围岩流变明显加大。
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2023-11-04
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