目前来说，在工程地质勘察阶段还无法精准地查明可能引发施工灾害的不良地质体性质，只能通过现有的测试技术了解一些基本的地质资料，所以隧道的设计和施工具有一定的盲目性，导致施工过程中可能出现地表塌陷、突水、瓦斯突出、岩爆等灾害事故[1-2]，其中突水因其严重的危害性而成为岩溶隧道建设亟需解决的地质灾害[3]。隧道突水灾害的发生，不仅会损毁工程器械、延误工期，还可能造成施工人员的伤亡，带来极坏的社会影响。例如：大瑶山隧道在建设过程中发生突水，导致洞内施工机具淹没损坏，被迫停工1年[4]；野三关隧道同样遭遇突水灾害，造成52名施工人员被困，多台设备被冲毁，导致10人死亡[5]；马鹿箐隧道的突水事故致使施工中断10个月，造成8 000万元的经济损失、11人死伤的严重局面[6]。可见，突水灾害发生后通常情况下会产生非常严重的后果，因此岩溶隧道突水已经成为众多专家学者研究的热点问题。
关于隧道突水灾害的研究，其中关键一项是针对防突岩体的研究。防突岩体是泥水混合物进入隧道的最后一道屏障，突水灾害的发生与隧道施工中防突岩体的结构密切相关。近些年来，诸多专家和工程技术人员对防突岩体做了系统的研究，取得了丰硕的成果：王建秀等将岩溶隧道围岩结构分为块裂结构、板裂结构、碎裂结构、断续结构、完整结构和散体结构[7]；陈帆根据防突岩体的完整程度将其分为完整结构防突层、层状节理结构防突层、断续节理结构防突层和随机节理结构防突层[8]；苟晓军等提出了破碎岩石块体、节理裂隙化岩体、黏土或断层泥、完整岩体和初期支护岩土盘五种防突岩土盘类型[9]；何发亮等将隔水隔泥岩土盘分为自体岩土盘、非自体岩土盘和混合岩土盘3种类型[10]；李术才等按隔水阻泥结构将其划分为隔水岩体破裂突水和充填结构失稳突水[11]。可见，目前的研究主要集中在防突岩体结构形式的单一分类方面，对防突岩体的破坏模式、特征及预警判识的研究相对较少，而且没有把岩体的结构类型与破坏模式形成一一对应的关系，尚缺乏专门系统的研究。本文在已有的研究的基础上，对典型隧道突水灾害进行统计分析，系统地提出了六种防突岩体的结构类型，详尽地阐述了其相应的破坏模式，并列举了三类具有代表性的防突岩体在高水压作用下的渗透特征，归纳了三种突水灾害的预警判识以对突水进行监测防控，以期对我国岩溶区隧道工程突水灾害预警有所裨益。
1 典型隧道突水灾害案例统计
岩溶地区隧道施工条件较为复杂，突水事故频发[12]。根据现有资料，通过对已有报道的典型深长岩溶隧道突水事故的总结，从隧道的简要概况、突水规模以及防突层岩体结构的统计分析表明：岩溶隧道防突岩体结构形式呈多样化，其中破碎、碎裂岩体结构居多。对防突层岩体结构进行分析，可为提高该岩体层的承载能力，规避、减轻突水灾害的影响以及采取相应的措施提供借鉴。
1.1 突水隧道类型分析
根据现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》和JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》，将I～III级围岩中埋深为2倍的荷载等效高度hq、IV～VI级围岩中埋深为2.5倍的荷载等效高度hq作为深埋隧道的临界埋深Hq，其中荷载等效高度可按式(1)计算：
hq=0.45×2s-1w
(1)
式中：s为围岩级别；w为隧道开挖宽度影响系数。
徐则民在上述划分的基础上，进一步将临界埋深Hq大于500 m的隧道称为超埋深隧道[13]。
根据JTG/T F60—2009《公路隧道施工技术细则》和TB 10003—2016的规定(表1)，跨度在8.5 m或9 m以上的隧道为中跨度隧道。
表1 隧道跨度分类
Table 1 Tunnel span classification m
标准小跨度中跨度大跨度特大跨度TB 10003—2016 5.0～8.58.5～1212.0～14.0>14.0JTG/T F60—2009<9.09.0～14.014.0～18.0>18.0
根据TB 10003—2016和JTG 3370.1—2018按长度对隧道的分类(表2)，超过500 m长的隧道为中长隧道。
表2 隧道长度分类
Table 2 Tunnel length classification m
标准短中长长特长TB 10003—2016≤500500～3 0003 000～10 000>10 000JTG 3370.1—2018≤500500～1 0001 000～3 000>3 000
结合现有的文献，将收集到的发生突水事故的隧道资料汇集于表3。可见：绝大多数属于深埋隧道甚至超深隧道，如齐岳山隧道、野三关隧道和马鹿箐隧道均属于深埋隧道。隧道的埋置深度大，不言而喻易形成高压水。
表3中大部分属于中跨或大跨度隧道，而且隧道所穿越的岩体围岩级别都比较低，主要以Ⅳ、Ⅴ级为主，岩体结构较为破碎。隧道开挖时伴随着围岩应力的释放，跨度越大应力释放越显著，围岩变形越严重；支护结构施作以后，围岩变形得到抑制，此时产生围岩压力，而围岩压力会随着隧道跨度的增大而增大[14]。总之，隧道的开挖跨度越大，围岩级别越低，防突岩体的稳定性就越差，越易于突水灾害的发生。
表3中所列举的铁路隧道和公路隧道大部分属于长隧道，个别的属于特长隧道，一部分属于中长隧道，几乎没有短隧道。岩溶隧道的长度越长，越容易形成大型溶腔或溶洞。
表3 典型隧道突水统计
Table 3 Water gushing-out statistics of typica tunnels
序号隧道名称简要概况防突层岩体结构形式突水规模1马鹿箐隧道长7 990 m,最大埋深600 m,围岩级别Ⅲ～V级淤泥质黏土,夹碎块石,且含有个别巨石,渗透性差,隔水性能好,本身较为致密突水量高达72万m3/h,突出岩溶水总量约为100万m32别岩槽隧道全长3.721 km,最大埋深约为530 m,断层带围岩级别IV～Ⅵ级较为破碎、节理裂隙发育、填充物较多突出岩溶水流量约0.2万m3/h3齐岳山隧道长10.528 km,最大埋深约为670 m,跨度大于10.5 m,断层破碎带围岩级别V～Ⅵ级破碎,层理、节理发育,中间有泥质填充瞬间突水量高达5万m3/h,突出固体物质约1万m34大瑶山隧道长14.295 km,埋深范围70～910 m,最大跨度为11.78 m,围岩级别IV～V级占11%,I～II级占89%内部有裂隙,存在泥化夹层等软弱面突水量达2万m3/d5南岭隧道长6.058 km,埋深浅,最浅仅29～35 m岩体内部存在裂隙、管道,充填风化页岩碎石土、软黏土岩溶水喷射距离达15 m、突出岩溶水流量逾150 m3/h6沪昆客专小高山隧道全长2.954 km,最大埋深约270 m内部有节理裂隙,存在溶蚀破碎现象4次突水,突水量分别是1 100,7 130,2 985,108 288 m3/h7贵阳市轨道交通1号线雅蛮区间隧道长2371.34 m内部存在裂隙最大突水量达700 m3/min,在16 h内突水量约为8 000 m38中物院人防工程隧道长3 705.95 m,最大埋深570 m裂隙极发育突水量高达6 800 m3/d,1号掩蔽部达5 200 m3/d9秦岭隧道长18.46 km,最大埋深1 650 m,跨度8.8 m,I～Ⅱ类围岩占21.7%,IV类约占35.2%,V～VI类围岩占43%硬脆而破碎,内部节理裂隙发育峰值突水量达28 360 m3/d10飞水岩3号隧道长2 880 m,跨度大于7.5 m,围岩以Ⅲ、Ⅳ级为主呈碎裂状,强风化,锈蚀严重,表面黄褐色水流初始流量约0.6～1.0 m3/min11大别山隧道左线长4 908 m,右线长4 901 m,最大埋深约482 m,围岩级别II～V级节理发育,局部破碎,有分层现象突水量达1 080,1 200～1 500 m3/d12嘎隆拉隧道长3 310 m,最大埋深830 m,跨度大于9.4 m,围岩级别为Ⅲ～V级发育有次级的小断层最高出水量300～400 m3/h13紫荆山隧道长2 349 m,最大埋深约360.5 m,跨度大于10.75 m,围岩级别II～V级破碎暗河水以约5 000 m3/h流量涌入隧道14鹰嘴岩隧道左、右线长度分别为3 247,3 310 m,最大埋深约349 m,最大跨度12.84 m,围岩级别IV～V级破碎,整体稳定性差,内部有裂隙水流约400 m3/h15五指山隧道长3 911 m,最大埋深790 m,II类围岩占6.93%,Ⅲ类围岩占62.39%,IV～V类围岩占30.68%破碎,结构松散峰值突水量约3.5万m3/d16季家坡隧道长3 527 m,最大埋深约390 m,跨度大于10.25 m内部节理裂隙发育,有斜向裂隙初始涌水量约70 m3/h,随后流量增至250 m3/h17大公山隧道长26.997 km,最大埋深约283 m岩体破碎,裂隙发育,夹泥严重突水量最大达500 m3/h18大五山隧道长36.205 km,埋深浅26～29 m岩体破碎,稳定性较差,构造发育、节理裂隙密集,并充填泥和块石突水量最大达824 m3/h19华蓥山隧道左线长4 706 m,右线长4 684 m,最大埋深770 m,跨度大于12.02 m,围岩级别IV～V级岩溶极为发育,内部裂隙发育强烈峰值涌水量达1.4万m3/h,涌砂总量为2.7万m320三阳隧道左、右线长度分别为4 569,4 596 m,Ⅳ、Ⅴ级围岩占洞身长度的72%以上岩体破碎,裂隙发育,成角碎状结构,强度低,稳定性差突水量约为5 800 m3/d 21洋碰隧道左线长2 053 m,右线长2 110 m破碎,岩体完整性较差,裂隙发育涌水量维持在400～600 m3/d左右22大独山隧道长11 915 m,最大埋深385 m,跨度13.7 m,围岩级别Ⅲ～V级节理发育,有层状软弱面,呈块状镶嵌结构突水量2.4万m3/d23长拉山隧道长2 380 m,最大埋深223 m,跨度大于10 m,围岩级别以IV级、V级为主破碎、节理裂隙发育突水量2 000～2 500 m3/d24北岭山隧道左、右线长度分别为4 290,4 260 m,最大埋深600 m,跨度大于11 m,围岩级别以Ⅲ级为主松散破碎,裂隙发育,裂隙水发育,泥质充填突泥量650 m3,突水量180 m3/h25大路梁子隧道全长4 360 m,最大埋深约800 m,跨度大于10.7 m内部裂隙发育突水量360 m3/h26洞头山隧道左线长1 350 m,右线长1 315 m,最大埋深约247 m 破碎前期突水量(2.5～3.0)万m3/d,后期经过处理逐渐减至1 400 m3/d27中梁山隧道全长约为4 294 m,最大埋深270 m,跨度大于11 m,围岩类别为II～V类破碎,裂隙发育强烈,强度较低,稳定性较差突水量约84 m3/h28上古隧道左、右线长度分别为4570,4 550 m,最大埋深281.93,297.66 m,跨度大于11.25 m,围岩级别Ⅲ～V级呈块状结构,岩芯较完整峰值突水量331 313.5 m3/d29金竹山隧道左、右线长度分别为2 712,2 684 m,跨度大于10.25 m,Ⅳ、Ⅴ级围岩占全洞的89%以上极其破碎,裂隙张开,内有黏滑充填物峰值突水量达1.1万m3/d30圆梁山隧道长11.068 km,最大埋深780 m硬塑-软塑状黏性土,透水性极差突水最大流量约为700 m3/h
综合上述分析，目前我国的隧道建设主要以深长大跨隧道为主，这一方面表征了我国隧道建设技术的日臻成熟，逐渐达到了世界先进行列，另一方面也说明隧道的建设随着埋深、跨度以及长度的增加，越来越多的工程面临着涌突水灾害的严峻挑战，如表3收集到的突水案例基本上都发生在此类隧道之中，浅、小跨、短隧道中较少有关于突水事故的报道。可见，深长、大跨隧道是岩溶突水灾害的多发载体，这也与其前期地质勘察工作的难度大密不可分。
1.2 隧道突水规模分析
突水灾害的规模可以按照突水量的多少分成4个级别(表4)[15]，据此把表3中的30例突水灾害案例进行归类(图1)。其中，A级突水事故有4例，占13%，B级突水事故发生了7例，占24%，C级突水事故最多，有15例，占50%，D级突水事故有4例，占13%。可见，深长、大跨岩溶隧道发生突水灾害时，突水量主要在100～10 000 m3/h，即主要为B级和C级，比较符合实际情况。
表4 隧道突水分级
Table 4 The grade of tunnel water gushing-out
级别突水量/(m3·h-1)说明A>10 000瞬间以大于0.5 MPa的水压突出,时间长B1 000～10 000水压小于0.5 MPa,过渡型C100～1 000水压小,靠动水压流动D10～100地下水流动缓慢,且满足顺坡施工的排水要求
图1 突水等级百分比
Fig.1 Discharge of water volume in water gushing-out disasters
结合表3中岩溶隧道的埋深、跨度、长度、防突水岩体形式对各级突水规模进行分析，发现隧道的埋深、跨度、长度相近，防突岩体的形式相似，却表现为不同级别的突水规模，例如别岩槽隧道的长度为3 721 m，最大埋深为530 m，防突岩体较为破碎，发育有节理裂隙且填充物较多，突水量约为2 000 m3/h，属B级；中物院用于人防工程的隧道总长度为3 705.95 m，最大的埋置深度为570 m，防突岩体裂隙极发育，突水量最高为283.3 m3/h，属C级。而隧道的埋深、跨度、长度不同，防突岩体形式存在差异，则表现为相同级别的突水规模，例如南岭隧道长6 058 m，埋深浅(最浅处仅29～35 m)，岩体内部存在裂隙、管道，充填风化页岩碎石土、饱和软黏土，突水量达150 m3/h，属C级；北岭山隧道的左、右线的长度分别为4 290，4 260 m，最大的埋置深度为600 m，防突岩体结构松散破碎，发育不规则溶腔，节理裂隙发育，突水量180 m3/h，也属于C级。由此说明：岩溶隧道的突水规模与隧道的埋深、跨度、长度和防突岩体结构形式在某种程度上没有必然的联系，结合已有的研究成果了解到在发生突水灾害时，灾害源对突水规模和突出量起到关键的控制作用，在此不作过多讨论。
2 防突岩体结构类型与破坏模式
为研究方便，定义岩溶洞穴与隧道之间的隔水阻泥结构为防突岩体(也作防突岩土盘)。准确地说，防突岩体是指存在于隧道开挖掌子面与致灾构造之间的岩土体结构，起到阻碍灾害源突入隧道的作用，其结构类型多种多样，可分布在隧道洞体的任何方位[16]。当防突岩体在隧道开挖扰动和水压的共同作用下出现失稳破坏时，则可能发生突水突泥等灾害现象。以防突层岩体厚度为例，在岩体厚度较薄、水压较高的情况下，易失稳破坏发生突水；当岩体厚度足够，其内部存在裂隙，水容易沿裂隙渗出，发生突水；当岩体厚度较大，不发生失稳，但存在较多裂隙，岩体强度降低，防突层岩体断裂破坏从而突水。
防突层岩体的结构类型不同，即使在隧道施工其他因素相同的情况下，其破坏模式也不相同。综合上述分析，根据表3案例中对防突岩体结构形式的具体描述，总结归纳出6种类型的防突岩体结构，并给出了对应的围岩级别：完整-较完整结构(I级)、断续结构(II级)、块状破碎结构(III级)、层状碎裂结构(IV级)、土石混合结构(V级)和致密散体结构(VI级)，具体结构如图2所示。
a—完整-较完整结构； b—层状碎裂结构； c—块状破碎结构；
d—断续结构； e—土-石混合结构； f—致密散体结构。
图2 防突岩体结构类型示意
Fig.2 Schematic diagram of classification of
resisting water gushing-out rock mass
2.1 完整-较完整结构整体压裂破坏
通常情况下，完整型岩体的岩质比较坚硬，完整程度比较好，其内部不存在或存在微小的层面和原生结构面；延展性差，多呈闭合状，少有充填物，掌子面具有较好的自稳能力，可视为均质、各向同性的连续介质；水的渗流作用对岩体的影响不大，其变形、破坏通常与工程作用有关。
由于岩体内部节理裂隙基本不发育，只要保证足够的厚度，即能形成良好的隔水阻泥屏障。当隧道开挖逐渐靠近高压富水溶腔或岩溶管道时，完整型岩体防突结构的厚度逐渐被削弱，同时由于开挖扰动与渗流损伤的共同作用，防突层抵抗高压岩溶水的能力不断削弱，最终达到强度破坏的临界状态，在微小的扰动下便会导致防突岩体的整体压裂破断，发生突水突泥灾害。
以成贵(成都—贵阳)铁路高山隧道[17]为例，成贵铁路上的高山隧道全程长度为2 396 m，最大的埋置深度是135 m。隧道的出口施工至桩号DK490+373段，经现场勘测：掌子面的岩体为灰岩，其中夹杂有泥灰岩，中—厚层状，岩体完整性比较好。开挖时在右侧壁揭示出有小型溶洞，其直径为0.55 m，洞口有水涌出，经技术人员测算，出水量约226.8 m3/h，并伴有水压。
该案例为典型的完整型岩体，由于掌子面前方有开挖扰动影响，导致防突层厚度逐渐减小，后方溶洞中有一定的水压作用在岩体上，最终在综合作用下该岩体发生整体压裂破坏从而发生突水，并产生较为严重的后果。
2.2 层状碎裂结构剪切破坏
层状结构岩体内部被某些贯通结构面切割，岩体强度出现整体弱化，完整性系数小于0.4，视为不连续介质或似连续介质；结构体块度小，延展性较差，自稳能力差，层面和岩层组合控制着该结构的变形和强度特征；其内部偶有软弱夹层及层间错动面，使得层面结合力较弱，存在压缩变形、滑移坍塌的可能。
岩体内部节理裂隙发育，抗剪强度较低，多个结构面切穿防突结构，易于突水的发生。当隧道开挖接近但未揭穿该岩体时，由于掌子面的形成改变了原地下水的自然平衡条件，加速了地下水在节理裂隙内的径流作用，对裂隙内的胶结介质不断冲刷和溶蚀，并且在高压地下水的作用下，节理裂隙的张开度增大，又极大地降低了防突结构的抗剪强度，最终在大量地下水或水泥混合体的压力作用下，在优势滑移块体内部产生剪切破坏，形成突水突泥等灾害。
以岑溪大隧道[18-19]为例，岑溪大隧道总长度约为4 300 m，最大埋置深度为645 m。上行线进口开挖至CK7+570段时，发生突水从而被迫停工。经现场勘察：掌子面围岩主要以碎裂状结构为主，存在软弱夹层，强度较低，含水量大，整体稳定性较差。
该案例为层状碎裂结构，岩体内部有发育节理裂隙，本身的稳定能力较差，在地下水源充足的情况下，裂隙继续发育，水的径流作用增强，同时外界的施工扰动，导致防突岩体产生剪切破坏，不可避免地引发了突水事故。
2.3 块状破碎结构关键块体失稳破坏
此类岩体结构通常较为破碎，其中的断层、节理、片理及层理等比较发育，有大量松散碎块状块体，完整性破坏较大(完整性系数小于0.36)，结构面错综复杂、互相牵制；结构体的块度较大且均匀，整体强度表现出很低的水平，并受到软弱结构面的控制，属不连续介质，容易发生大范围的岩体失稳。
对于块状碎裂结构，由于岩体的破碎程度很大，完整性很差，导致防突结构的整体强度很低。当隧道掌子面、拱部或边墙逐渐接近防突岩体时，块状碎裂防突结构受到爆破开挖的扰动以及应力释放的作用，导致防突层关键块体失去稳定，在高压地下水的作用下，其他块体变形或崩溃，最终形成突水突泥通道。
以雪峰山1号隧道[20-22]为例，沪昆高速铁路雪峰山1号隧道全程总长为11 670 m，最大埋置深度为750 m。其中3号斜井ZK38+770～ZK38+820区域先后发生3次突水事故，经现场勘察：突水处的围岩发育，有节理裂隙，岩体呈块状破碎镶嵌结构，为岩溶发育强烈的富水岩群。
3号斜井ZK38+770～38+820段围岩多呈块状破碎结构，在高压地下水的软化、润滑作用下，防突层关键块体发生失稳破坏，导致其他块体发生较大变形或崩溃，多次发生大规模的突水灾害。
2.4 断续结构劈裂破坏
断续结构的特点是岩体内部没有被真正切断，虽结构面不连续，但被贯通的结构极少，没有形成结构体；宏观上具有连续介质的特点，微观上多数不连续，有较明显的应力集中现象，这种应力集中对岩体破坏具有很大影响。
虽然此类岩体内部的节理裂隙未贯穿该结构，但当隧道掌子面或隧道边墙等部位逐渐接近防突岩体时，防突结构也逐渐变薄，同时在高压地下水的作用下，断续节理裂隙逐渐发生劈裂破坏，即断续节理在高压地下水楔劈作用下沿末端发生扩展，裂隙之间逐渐相互联系贯通，并逐渐形成多个切穿防突结构的裂隙，最终形成突水通道。
以平阳隧道[23-25]为例，平阳隧道全程总长度为3 358.3 m，最大的埋置深度为428 m。当左线开挖至ZK38+790时，浑浊的泥浆水从掌子面右下角的拱脚处流出，且流量逐渐减少；经几天的观测，隧道北侧拱脚部位有泥浆水突出，突出的泥沙呈扇形分布，泥沙淤积长度近200 m且厚度最大有3 m，突泥涌水量达5万m3。
经现场调查：在平阳隧道的施工中，揭穿了位于管道下方的溶洞，在高水压的作用下，隧道与溶洞之间的弱透水岩体(断续岩体)在变形后逐渐发生渗透，其内部裂隙被逐步贯通，使得隧道顶部的变形区域突然快速扩展，继而防突结构被贯通的裂隙切穿，最终岩体产生劈裂破坏，引发突泥突水。
2.5 土-石混合结构渗透破坏
土-石混合体指的是介于土体与岩体之间的特殊工程地质材料，由于其形成的防突岩体内部含有不同形状、尺寸、粗糙程度、含石率、性质以及不同分布形式的碎石体，使得土-石混合体呈现为一种非均质且结构复杂的离散型岩土体，具有明显的尺寸效应、非连续性和各向异性等特点。
土-石混合体具有高度不均质性和抗渗透能力差的特点，使得破碎岩块之间的充填介质在地下水的长期侵蚀作用下逐渐软化。当隧道开挖至该类防突结构时，结构内地下水的径流作用增强，在持续渗流和工程扰动的共同作用下发生管涌和流土现象，破碎块体间的细颗粒逐渐流失，虽然渗水量较小，但在持续渗流的冲刷作用下，导致渗流通道逐渐扩大，出水量也在逐渐增加，最终通道被完全打开进而发生突水灾害。
以圆梁山隧道[26-29]为例，圆梁山隧道全程总长度为11.068 km，最大的埋置深度为780 m。隧道的平行导洞开挖至DK354+460位置时，需进行钻孔施工。施工过程中，突然钻孔内射出含泥沙的浑浊水柱，射程较高并伴有一定水压，施工被迫中止。随后，利用钻机进行超前探孔时，又发生突水喷沙，据此判定前方存在大型高压溶洞。
经专家分析论证：该围岩体防突层结构是典型的土-石混合结构，在高压岩溶水作用下，围岩节理和层面裂隙填充的黏土和粉细砂不断流失，发生渗透破坏，最终导致溶洞含水体与隧道掌子面间的导水通道逐渐形成，从而引发突水灾害。
2.6 致密散体结构整体滑移破坏
散体结构岩体主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体，常见于断层破碎带、强风化及全风化带、未成岩的新近堆积物区等，多为碎屑颗粒状且呈松散状态，完整性受到极端破坏，原始状态的稳定性极差；但该防突岩体主要是指充填型致灾构造底部堆积的压密散体结构，其渗透性较低，经过堆积压密之后具有一定的整体性，能起到隔水阻泥的作用。
对于致密散体结构，因其渗透性较弱，整体性强，因此不会发生渗透破坏。当隧道开挖至充填介质时，该类防突结构主要靠结构与管道壁之间的剪切力来维持稳定，由于管道壁表面并不平整，使得充填介质与管道壁之间的接触面呈现出薄弱状态，在开挖扰动和上部高压地下水的共同作用下，这些薄弱位置会形成导水通道，在地下水的渗透和冲蚀作用下，接触面的薄弱部位逐渐扩展，使防突结构沿接触面发生滑移剪切破坏的临界水压大大降低，最终导致防突结构发生整体滑移破坏，形成突水突泥等灾害。
以日本的青函隧道[30-32]为例，青函隧道总长度为53.85 km，隧道周围的地质特征是新生代沉积岩，存在十余个主断层和子断层，曾遭遇过4次重大特大突水灾害，最严重的一次发生在吉冈段区域的一条隧道中。该隧道在第20次开挖期间，从B11导向孔流出约3.7 m3/min的水，并排出约4 m3的土，随后放弃第20次开挖转为第21次注浆加固，直到没有显著的涌水现象，认为可以恢复第20次开挖，结果发现掌子面处的岩体呈现出严重的软化状态，并逐渐开始出现涌水现象，在2 h内涌水速度从0.9 m3/h上升至30 m3/h，约11 h后发生大规模的塌方和突水，总塌方体积达1 000 m3，总突水量达到184.5万m3。
现场勘察显示：突水点上覆岩体厚度达128 m，上部海水深度为76 m，突水点附近存在断层带，岩层由沉积岩组成，以凝灰岩为主要成分，具有较低的渗透性。经专家分析认为：隧道开挖后形成临空面，防突岩体在水的作用下发生软化和膨胀，主要结构面的强度不断降低，在高水头压力作用下防突岩体沿优势滑移面发生整体滑移破坏是导致突水发生的根本原因。
3 防突岩体的渗透特征
在隧道发生突涌水的同时，防突岩体也发生着不同形式的变形破坏，但无论何种破坏模式都会伴随着多种物理量信息的变化，比如位移、应力、水压、温度、视电阻率和微震等信息，通过这些信息的变化可直接或间接地实现对隧道突水过程的表征描述[33]。但在实际现场施工过程中，想要精准全面地获取这些信息非常困难，就目前的现场监测而言，水压是较容易获取也能全面反映隧道突水态势的一个重要指标，因此，本文重点描述三类具有代表性的防突岩体在高水压作用下产生的渗透特征[34]，以期为高水压作用下的隧道水害防控提供一定的参考。
3.1 完整-较完整结构岩体
由文献[34]中的现场原位压水试验可知：完整岩体的最大承载水压在5.67～19.80 MPa变化、最大注水流量在0.42～29.39 L/min变化，说明该岩体具有高渗透阻力的特点。监测水压在试验过程中表现出前期较为稳定，中期显著增大，后期平稳的变化特征，这表明该完整岩体在高水压的作用下经历了“隔水—导渗—稳渗”的演化过程。
在初次压水试验之后卸除原水压，隔一段时间之后进行重复试验，依然可以获得“隔水—导渗—稳渗”的试验结果，并且需要较高的初始导渗压力才能使岩体出现导渗现象，说明岩体内裂隙在地应力作用下会重新闭合，出现裂隙愈合的现象。与初次试验相比，重复试验的初始导渗水压会有一定程度的降低，这表明岩体内产生的裂隙无法完全愈合，在高承压渗透水流的反复作用下岩体的渗透性不断增强、阻水能力不断下降，监测水压变化如图3所示。
—初次试验； 
—重复试验。
图3 完整岩体监测水压变化曲线
Fig.3 Monitoring water pressure curves of complete rock mass
3.2 碎裂或破碎结构岩体
该类岩体的最大承载水压仅有0.54～1.28 MPa，注入流量高达22.28～39.43 L/min，说明碎裂结构岩体的渗透性较强、阻水能力较差，岩体一旦处于此种状态极易成为突水的潜在通道。对比初始压水和重复压水试验的结果，在重复压水试验过程中，该岩体内渗流通道可以保持通畅状态，并且渗流通道的连通性在水压的作用下不断改善，阻水性能随着重复次数不断降低，监测水压变化如图4所示。
—初次试验； —重复试验。
图4 碎裂岩体监测水压变化曲线
Fig.4 Monitoring water pressure curves of cataclastic rock mass
3.3 致密散体结构岩体
该类岩体的最大承载水压在3.84～10.50 MPa变化；随着注水流量的增加，监测水压的增大幅度比较小，表明初次压水试验过程中承压水主要沿岩体内的原生微裂隙发生渗流，有渗流现象但却不甚通畅，由此反映出致密散体结构的岩体在原始状态下具有较强的阻水能力。在进行重复压水试验过程中，此类岩体同样表现出一定的裂隙愈合现象，但岩体的渗透阻力随着重复压水的次数不断减小，由初次压水过程的高阻弱渗状态变为低阻强渗状态，监测水压变化如图5所示。
—初次试验； —第一次重复试验；
—第二次重复试验。
图5 致密散体岩体监测水压变化曲线
Fig.5 Monitoring water pressure curves of dense granular rock mass
综上所述，防突岩体内部裂隙在高水压的作用下会逐渐扩展，特别是在高水压的反复作用下，裂隙不断扩展、贯通和冲刷扩径等，岩体的渗透性不断增强，隔水性能不断减弱，承压水沿着裂隙通道逐步渗流，直至与隧道临空面相连通，形成完整的导水通道，发生突水灾害。由此可见，突水通道的形成并非在瞬间完成，而是一个渐变的过程，所以在施工时需采取必要的监测手段对突水灾害进行预测防控，最大限度地降低突水带来的危害。
4 突水灾害预警判识
通常情况下，突水的发生都会经历一个发展的过程，大量的研究资料和施工经验表明：隧道施工临近突水致灾构造之前，在其附近围岩中会蕴藏一些突水的前兆特征，而这些信息大部分是可以监测并控制的。通过对此类“不良信号”的辨别分析，可作为突水灾害的预警判识，从而在灾害发生之前采取必要措施，避免或防止突水的发生，减小由此造成的各种损失。
4.1 水压预警判识
在施工过程中揭露含水致灾构造时，一般情况下会有大量水体甚至是高压水体涌出，此时需马上对出水水压进行监测。水压是隧道突水预警的重要指标，不同结构类型的防突岩体，其单位厚度的临界承载水压差别很大[35]，如完整结构岩体的平均临界承载水压约为7.63 MPa，碎裂或破碎结构岩体的平均临界承载水压约为0.69 MPa，致密散体结构岩体的平均临界承载水压约为4.11 MPa。
当现场所测水压p接近防突岩体的临界承载水压pcr时(p>0.85pcr)[36]，应进行突水临灾预警。此外，水压的变化速率也直接反映出含水体的水源补给情况，如监测水压持续升高，说明水源补给良好，预示高压水可能会冲溃防突岩层，需提高预警级别[37]。根据监测水压的大小与其变化趋势，确定水压力监测预警判识，如表5所示[38-39]。
表5 水压力预警判识
Table 5 Early warning identification of water pressure
水压力预警措施p<0.85pcr,Δp≤0 kPa正常施工p<0.85pcr,Δp>0 kPa正常施工,加强监测0.85pcr
注：水压力变化量Δp<0 kPa，表明水压力逐步减小，可正常施工；水压力变化量Δp=0 kPa，表明水压力处于稳定状态，可监测施工；水压力变化量Δp>0 kPa，表明水压力持续增加，应给出警告，加强监测。
4.2 防突岩体位移变形预警判识
隧道在发生突涌水的同时，会伴随着防突岩体的变形破坏，可对此类隔水岩体的位移变化进行监测，判断其稳定性，从而预测突水发生的可能性；岩体的稳定性可根据其位移速率、位移速率变化趋势和位移变化量进行综合判定。
对防突岩体的位移速率进行监测：当位移速率v≤0.2 mm/d时，岩体基本处于稳定状态；当0.2 mm/d<v<1.0 mm/d时，应加大监测频率，做好加固工作的准备；当位移速率v≥1.0 mm/d时，岩体处于急剧变形状态，应加强围岩支护措施。在对位移速率监测的同时，还需考虑岩体位移速率的变化趋势：当位移速率不断减小时(Δv<0 mm/d)，表明岩体正逐步趋于稳定状态；当位移速率变化保持不变(Δv=0 mm/d)，此时岩体位移在持续均匀增大，岩体尚不稳定，应加强支护；当位移速率变化不断增大时(Δv>0 mm/d)，岩体处于危险状态，应采取紧急措施防止突水发生。量变引起质变，当岩体的位移变形(位移变化量u)达到一定程度，如超过岩体极限变形值u0的2/3时(u>2u0/3)，无论位移速率及其变化处于哪个阶段，都应暂停施工，制定应急措施。根据防突岩体位移变形的监测信息，确定位移变形预警判识如表6所示[40-41]。
表6 位移变形预警判识
Table 6 Early warning identification of deformation
位移变形预警措施u
4.3 防突岩体温度场预警判识
在地下空间中，通常情况下水体的温度整体比岩体的温度低。当隧道开挖处在一个无水地段时，掌子面的岩石温度数值会在一个温度均值的正常范围内上下波动，此时的岩体温度场处于一个相对稳定的状态；随着开挖接近含水致灾构造区域，地下水加入其中，岩体温度场受到较大影响，即在温度的传导作用下发生岩体与流体之间的热量交换，致使掌子面的岩石温度降低。因此，可通过监测掌子面防突岩体的温度变化来预测开挖前方是否会发生突水灾害[42]。
地下水沿着岩体中发育的各种节理裂隙进行循环流动，所流经位置岩体温度均有不同程度的降低。由于节理裂隙发育程度高，岩体的贯通性好，地下水的循环流动速度就快，则地下水的降温作用就越强烈，继而使得流经位置的岩体温度越发降低，从而表征突水发生的可能性[43-44]。工程上利用防突岩体温度变化预测突水是基于大量的统计概率事件，将波动基准范围定为5 ℃：当降温变化值Δt偏离正常值大于5 ℃，表明发生突水的概率非常大，应发布临灾预警，停止施工；降温变化值小于5 ℃，有少量水涌出，则不会威胁施工安全，在施工的同时加强监测即可。防突岩体温度变化预警判识如表7所示。
表7 温度场预警判识
Table 7 Early warning identification of thermal field
温度变化Δt/℃预警措施<5正常施工,加强监测≥5暂停施工,采取措施
5 结束语
1)对30例典型隧道突水案例统计分析表明：突水灾害主要发生在深长大跨岩溶隧道中，突水量集中在100～10 000 m3/h，与实际情况相符；突水规模与隧道的埋深、跨度、长度和防突岩体结构类型在某种程度上没有必然联系。
2)根据统计案例中防突岩体的结构形式，将岩体的结构类型划分为完整-较完整结构、层状碎裂结构、块状破碎结构、断续结构、土-石混合结构和致密散体结构等6种，并对每种防突岩体的破坏模式进行了详细的阐述。
3)阐述了3类具有代表性的防突岩体在高水压作用下的渗透特征，可知突水通道的形成是内部裂隙在高水压的反复作用下，不断扩展、贯通和冲刷扩径的一个渐变过程，需采取措施对突水灾害进行预测防控。
4)对突涌水水压力的大小及其变化趋势、防突岩体变形破坏时的位移变化和岩体温度场受地下水影响的变化等信息进行辨析，可预测突水发生的可能性，将其作为突水灾害的预警辨识，在突水发生之前采取措施对灾害进行控制。
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