頂部溶洞水壓對隧道突涌水災害影響的數值分析

雷 霆， 關 欣， 洪 帆， 居炎飛， 韓勁龍， 李樂樂

(1. 武漢港灣工程質量檢測有限公司， 湖北 武漢 430040； 2. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430040)

頂部溶洞水壓對隧道突涌水災害影響的數值分析

雷 霆1, 2， 關 欣1， 洪 帆1， 居炎飛1, 2， 韓勁龍1, 2， 李樂樂1, 2

(1. 武漢港灣工程質量檢測有限公司， 湖北 武漢 430040； 2. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430040)

巖溶地區地質條件復雜，在隧道修建中存在溶洞突涌水安全隱患，而頂部溶洞帶來的災害性更加明顯，溶洞水壓是其重要影響因素。針對隧道頂部溶洞，建立數值模型，將溶洞水壓作為工況因素，分析圍巖中的孔隙水壓力變化規律，揭示隧道開挖過程中突涌水通道的分布情況。基于數值模型中單元孔隙水壓力突變最大值判斷方法，溶洞與掌子面圍巖達到塑性狀態后，監測兩者之間的單元孔隙水壓力隨開挖步變化速率，找出每一行單元中的最大值，從而確定不同溶洞水壓下的突水通道及安全厚度。研究表明，隨著頂部溶洞水壓增大，突水通道距離溶洞底部由近及遠，而安全厚度也隨之增大。

巖溶隧道； 頂部溶洞； 溶洞水壓； 突水通道； 安全厚度

0 引言

我國巖溶地區分布廣闊，隨著高速公路、鐵路的迅猛發展，穿越巖溶山區的隧道越來越多，這些隧道具有大埋深、高地應力、強巖溶等地質特點。由于地質條件復雜，難以通過勘察手段明確地質災害體的分布情況，常常會帶來突水涌泥等災害，給隧道開挖和運行造成嚴重的威脅。

溶洞是巖溶災害中最常見的致災構造，由于隧道開挖擾動，防突厚度減小，溶洞中的充填水壓得到釋放，容易造成強突水。隧道頂部的溶洞及其充填物在地應力、開挖擾動雙重作用下，極易發生突水涌泥，具有爆發性強、體量大及垮塌傷害等特點，破壞力極大。史世雍等[1]通過建立有限元模型，分析了隧道頂部溶洞對圍巖穩定性的影響規律，證明拱頂最大主應力隨開挖下降比較明顯；趙明階等[2]、宋戰平等[3]揭示了隧道上部溶洞的距離及大小與隧道頂部圍巖塑性區的大小及沉降量成一定相關關系。

溶洞的致災機制復雜，涉及到溶洞賦存規律、充填物特性以及圍巖情況。文獻[4-7]表明溶洞致災主要體現在溶洞與隧道掌子面之間圍巖，溶洞周圍巖體承受溶洞水壓及地應力作用，沿巖體軟弱結構面產生滲透破壞，逐漸達到塑性狀態，而掌子面圍巖受到開挖擾動產生裂隙使強度降低而進入塑性變形狀態，隨著開挖的推移，兩者塑性區產生貫通，帶來突水的風險。李利平等[8]通過數值方法對巖體應力場、滲流場和損傷場進行耦合分析，研究表明突水通道的形成經歷了隔水巖體裂紋萌生、擴展和貫通。由此可見，溶洞與掌子面之間巖體塑性區貫通后仍具有一定的承受水壓和地應力的能力，當一定開挖步后，巖體強度降低而通道形成，發生突水。

溶洞與隧道之間安全厚度對溶洞隱伏隧道開挖具有現實指導意義，當前學者對安全厚度研究較多，而常見的方法主要是基于數值手段而衍生的預測方法，有數值流行方法、多元線性回歸、正交分析、支持向量機等[9-12]，提供了多種安全厚度的預測方法，總結的安全厚度也有利于不同圍巖情況下隧道突水風險的規避。

本文以隧道頂部溶洞為研究對象，研究溶洞水壓對突水通道的影響，基于數值模型中單元孔隙水壓力突變最大值判斷方法，即溶洞與掌子面圍巖達到塑性狀態后，監測兩者之間的單元孔隙水壓力隨開挖步的變化速率，隨著開挖繼續進行，當水平向每一行單元均先后達到最大值時，認為達到破壞，產生突水通道，即可確定突水通道及安全厚度。通過研究可以確定上覆溶洞突水隨隧道開挖過程的演變及致災過程，可為隧道及地下工程提供突水風險的預先判斷及規避的預留時間。由于本文并不以數值結果作為工程應用目的，而是定性描述突水通道的形成原理及溶洞水壓對圍巖的影響情況，因而參考文獻[13-14]，將溶洞距離設置為2 m。

1 隧道計算模型及模擬方案

本文利用有限元軟件Ansys 12.0建立三維隧道模型，并導入FLAC 3D有限差分軟件進行開挖模擬。

1.1 計算模型及邊界條件

根據隧道結構的計算原理及相關案例經驗，并考慮到模型邊界效應、隧道埋深及溶洞距離，確定本文幾何模型： 1)隧道中心位置取x=0，y=0，z=0，隧道跨度取12 m； 2)水平方向(x方向)正負各取25 m； 3)垂直方向(y方向)正向取40 m(其余埋深高度以豎向荷載施加在模型頂部進行等效模擬)，負向取25 m； 4)縱向(z方向)沿負向取46 m； 5)溶洞以球體進行簡化模擬，位置設在縱向中點處，即z=-23 m。網格統一采用映射網格劃分，溶洞部分在建模過程中預先保留，建立模型如圖1所示，模型網格單元約為100 000，主要表現為隧道斷面以及溶洞區域密集，向四周逐漸變為稀疏，滿足模型計算要求。

圖1 模型網格劃分

模型邊界條件約束： 下邊界施加豎向位移約束，左右邊界施加水平位移約束，前后邊界施加軸向位移約束。

1.2 模型參數選定

1.2.1 地質力學參數

模型地質力學參數取值如表1所示。隧道采用全斷面法開挖，為了更加直觀反映隧道溶洞突水危害性，未進行隧道開挖支護研究，隧道掌子面輪廓設為不透水邊界。模型的地下水頭統一取50 m。

表1 模型地質力學參數

隧道埋深h取300 m，溶洞半徑R取6 m，溶洞與隧道之間距離d取2.0 m，溶洞充填水壓分為5個檔，分別取p=0.10、0.25、0.50、0.75、1.00 MPa。

1.2.2 流體滲透參數

模型設計到流固耦合計算，在FLAC 3D中啟用滲流模式(CONFIG fluid)，可以進行瞬態滲流分析。在該計算過程中，孔隙水壓力的改變產生了變形，體積應變導致了孔隙水壓力的改變，進行完全的流固耦合計算。對于隧道地下結構，地下水位影響顯著，因此在模型中設置合理的浸潤線(流體密度及重力加速度均相應設置)及各向同性。

流體的取值情況如下： 水的體積模量為2×109Pa，圍巖的滲透系數取4.92×10-10cm/s，圍巖孔隙率取0.40。

1.3 開挖與計算

在計算模型初始應力平衡時，考慮了溶洞形成過程對圍巖的影響，因此采用“保留溶洞單元-殺死溶洞單元-施加溶洞水壓”3次平衡方式，應用Druck-Prager屈服準則，并采用彈塑性模型進行求解。在施加溶洞水壓進行平衡計算和隧道開挖情況下，采用滲流模式，模型施加一定的水頭，模型6個邊界面均按照水頭推算的實際孔隙水壓力施加，設置為透水邊界，溶洞壁和隧道掌子面同樣設置為透水邊界。

考慮到開挖擾動及開挖步幅對溶洞滲流破壞區的影響，遠離溶洞隧道兩端采用3 m步幅開挖，接著2 m步幅，最后臨近溶洞時為1 m步幅。具體模擬開挖步驟： 沿著開挖方向，以3 m的步幅完成第1—5步(黃色區域);以2 m的步幅完成第6—7步(綠色區域);以1 m的步幅完成第8—15步(紅色區域);以2 m的步幅完成第16—17步(綠色區域);以3 m的步幅完成第18—22步(黃色區域)。隧道開挖示意圖如圖2所示。

圖2 隧道開挖示意圖(單位： m)

2 突水通道與安全厚度確定方法

由于本文采用的數值模型及參數具有一定的局限性，所產生的結果并不一定表示出現突水通道，而是定性地判斷出隧道圍巖與溶洞間的最危險破壞通道。基于前述突水通道形成機制，具體的確定方法如下。

1)當溶洞與隧道掌子面附近圍巖的塑性區貫通時，在數值模型的貫通區水平、豎直方向上選取5×5個單元為監測點，監測其孔隙水壓力隨開挖步的變化情況，并計算孔隙水壓力隨開挖步的變化速率。隧道塑性區貫通如圖3所示。

圖3 隧道塑性區貫通

2)在該監測區中找出水平方向上每5個監測點中孔壓速率變化最大者，可找到5個目標點，連接該目標點即成突水通道。

3)針對上述的目標點，判斷其均出現陡降的開挖步，該開挖步即被確定為最危險開挖步，此時的溶洞與隧道掌子面最近的直線距離為安全厚度。安全厚度示意圖如圖4所示。

圖4 安全厚度示意圖

3 計算結果與分析

3.1 塑性區貫通情況

在不同工況下，更改FLAC 3D的計算命令流中溶洞內水壓力參數，經過每一步開挖收斂計算，得到如圖5所示的塑性區貫通圖。

由圖5可知:p=0.10、0.25、0.50、0.75、1.00 MPa工況下，開挖步分別達到第8、7、6、5、5步時塑性區產生貫通，可以初步判斷溶洞內水壓越大，溶洞與隧道之間圍巖變形越大，塑性區貫通越早，從而突涌水風險越大。

3.2 監測點制定

選擇p=0.10 MPa或0.25 MPa工況下第5開挖步下的塑性區，此時隧道與溶洞之間圍巖選擇范圍最大，且可選單元也最多，溶洞最底部到掌子面水平分布有8組單元(V1—V8)，豎向有5組單元(H1—H5)，組成監測區，可用數列形式{i58}表示，單元具體位置及相應編號順序如圖6所示。

(a) p=0.10 MPa工況

(b) p=0.25 MPa工況

(c) p=0.50 MPa工況

(d) p=0.75 MPa工況

(e) p=1.00 MPa工況

圖6 單元位置及編號

對于每種工況，為了最大覆蓋監測區，使突水通道的定義更具代表性，監測點在水平、豎直向各選取5個，具體如表2所示。

表2 監測點布置情況

3.3 突水通道確定

提取不同工況下監測點的孔隙水壓力，計算出單步孔隙水壓力的變化速率，并繪制成曲線如圖7—11所示。

由圖7—11可知： 1)在p=0.1 MPa工況下，i13、i23、i34、i44、i55號單元的孔隙水壓力單步突變最大，可以判處突水通道經該5個單元擴展形成； 2)在p=0.25 MPa工況下，i14、i24、i35、i45、i55號單元的孔隙水壓力單步突變最大，可以判處突水通道經該5個單元擴展形成； 3)在p=0.50 MPa工況下，i15、i25、i35、i46、i56號單元的孔隙水壓力單步突變最大，可以判處突水通道經該5個單元擴展形成； 4)在p=0.75 MPa工況下，i17、i27、i37、i47、i57號單元的孔隙水壓力單步突變最大，可以判處突水通道經該5個單元擴展形成； 5)在p=1.00 MPa工況下，i18、i28、i38、i48、i58號單元的孔隙水壓力單步突變最大，可以判處突水通道經該5個單元擴展形成。

圖7 監測點孔隙水壓力變化速率(p=0.1 MPa)

Fig. 7 Varying velocities of pore water pressure of monitoring points (p=0.1 MPa)

圖8 監測點孔隙水壓力變化速率(p=0.25 MPa)

Fig. 8 Varying velocities of pore water pressure of monitoring points (p=0.25 MPa)

圖9 監測點孔隙水壓力變化速率(p=0.5 MPa)

Fig. 9 Varying velocities of pore water pressure of monitoring points (p=0.5 MPa)

圖10 監測點孔隙水壓力變化速率(p=0.75 MPa)

Fig. 10 Varying velocities of pore water pressure of monitoring points (p=0.75 MPa)

圖11 監測點孔隙水壓力變化速率(p=1.0 MPa)

Fig. 11 Varying velocities of pore water pressure of monitoring points (p=1.0 MPa)

不同工況下的突水通道如圖6所示。通過分析可知： 1)隧道頂部溶洞水壓越大，突水通道形成的開挖步越早； 2)突水通道的上部，受溶洞水壓影響較大，這是因為溶洞水壓增大，附近圍巖逐漸水壓致裂形成通道，而離掌子面較近的地方因水壓過大與掌子面附近圍巖產生貫通，造成突水； 3)突水通道的下部，受溶洞水壓與開挖擾動共同影響，隨著溶洞水壓的減小，下部通道向前移動，但比上部通道較慢； 4)溶洞水壓對溶洞附近圍巖的影響比掌子面附近圍巖大，而開挖擾動對掌子面的圍巖影響較大。

3.4 安全厚度分析

由3.3節監測點數據分析可知，不同工況下形成突水通道單元的孔隙水壓力速率均達到陡降時的開挖步，即最危險開挖步，并計算出安全厚度，如表3所示。由表可知，最危險開挖步隨著溶洞水壓增大越早，安全厚度越大，模型中溶洞水壓設計范圍為 0.1～1.0 MPa，安全厚度最大為5.31 m，最小為2.24 m，該結果在實際工程中有一定的偏差，應用價值并不明顯，但可以在一定程度上揭示突水通道的形成原理及溶洞水壓對圍巖的影響情況，借此給隧道施工帶來一定的指導意義。

表3 安全厚度計算結果

4 結論與建議

隧道頂部溶洞對隧道的開挖極易造成突涌水災害，為了研究溶洞水壓對突水通道的影響，以溶洞水壓為因素劃分5種工況，基于數值分析結果，可總結如下。

1)本文建立了基于數值模型中單元孔隙水壓力突變最大值判斷方法，當溶洞與掌子面之間單元達到塑性狀態，選擇此時兩者之間單位為監測對象，水平向各行單元中選一個最大突變者，豎直方向連接即為突水通道。

2)頂部溶洞水壓從0.1 MPa增至1.0 MPa，突水通道距離溶洞底部由近及遠，但突水通道上部位置對溶洞水壓敏感度大于突水通道下部，而突水通道下部位置受開挖擾動影響較上部大。

3)溶洞與隧道之間圍巖達到塑性區貫通的開挖步，隨溶洞水壓增大而越小，各工況下達到最危險開挖步較其塑性區貫通開挖步均有一定的延遲。通過計算可知，溶洞水壓為1.0 MPa時安全厚度為5.31 m，水壓為0.1 MPa時安全厚度為2.24 m，本文研究可為相關隧道工程起到一定的理論指導作用。

[1] 史世雍, 梅世龍, 楊志剛. 隧道頂部溶洞對圍巖穩定性的影響分析[J]. 地下空間與工程學報, 2005, 1(5): 698-702,716.(SHI Shiyong, MEI Shilong, YANG Zhigang. Research on the influence of karst cave in the roof of tunnel on stability of surrounding rock[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(5): 698-702,716. (in Chinese))

[2] 趙明階, 劉緒華, 敖建華, 等. 隧道頂部巖溶對圍巖穩定性影響的數值分析[J]. 巖土力學, 2003, 24(3): 445-449.(ZHAO Mingjie, LIU Xuhua, AO Jianhua, et al. Numerical analysis of influence of karst caves in top of tunnel on stability of surrounding rock masses[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(3): 445-449. (in Chinese))

[3] 宋戰平, 綦彥波, 李寧. 頂部既有隱伏溶洞對圓形隧道穩定性影響的數值分析[J]. 巖土力學, 2007, 28(增刊1): 485-489.(SONG Zhanping, QI Yanbo, LI Ning. Niumerical experimentational research on concealed karst cave’s influence on circular tunnel stability[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(S1): 485-489. (in Chinese))

[4] 李利平, 李術才, 張慶松. 巖溶地區隧道裂隙水突出力學機制研究[J]. 巖土力學, 2010, 31(2): 523-528.(LI Liping, LI Shucai, ZHANG Qingsong. Study of mechanism of water inrush induced by hydraulic fracturing in karst tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(2): 523-528. (in Chinese))

[5] 李術才, 袁永才, 李利平, 等. 鉆爆施工條件下巖溶隧道掌子面突水機制及最小防突安全厚度研究[J]. 巖土工程學報, 2015, 37(2): 313-320.(LI Shucai, YUAN Yongcai, LI Liping, et al. Water inrush mechanism and minimum safe thickness of rock wall of karst tunnel face under blast excavation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(2): 313-320. (in Chinese))

[6] 焦陽, 白海波. 煤層底板含隱伏溶洞滯后突水機理[J]. 煤炭學報, 2013, 38(增刊2): 377-382.(JIAO Yang, BAI Haibo. Mechanism of delayed groundwater inrush from covered karst cave in coal seam floor[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(S2): 377-382. (in Chinese))

[7] 張民慶, 曾強運, 楊兵. 巖溶隧道溶洞泄水機理及工程實例分析[J]. 巖土工程學報, 2010, 10(10): 1543-1550.(ZHANG Minqing, ZENG Qiangyun, YANG Bing. Water release mechanism of caverns of karst tunnels and case studies[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 10(10): 1543-1550. (in Chinese))

[8] 李利平, 李術才, 石少帥, 等. 巖體突水通道形成過程中應力-滲流-損傷多場耦合機制[J]. 采礦與安全工程學報, 2012, 29(2): 232-238.(LI Liping, LI Shucai, SHI Shaoshuai, et al. Multi-field coupling mechanism of seepage damage for the water inrush channel formation process of coal mine[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2012, 29(2): 232-238. (in Chinese))

[9] 王勇, 孫彩紅. 巖溶隧道溶洞頂板安全厚度預測探討[J]. 現代隧道技術, 2005, 42(3): 17-22.(WANG Yong, SUN Caihong. Prediction of the safe thickness of the roof of karst caves under a tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2005, 42(3): 17-22. (in Chinese))

[10] 曹文貴, 程曄, 趙明華. 公路路基巖溶頂板安全厚度確定的數值流形方法研究[J]. 巖土工程學報, 2005, 27(6): 621-625.(CAO Wengui, CHENG Ye, ZHANG Minghua. Studies of numerical manifold method for determination of safe thickness of karst roof in roadbed[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(6): 621-625. (in Chinese))

[11] 王勇, 喬春生, 孫彩紅, 等. 基于SVM的溶洞頂板安全厚度智能預測模型[J]. 巖土力學, 2006, 27(6): 1000-1004.(WANG Yong, QIAO Chunsheng, SUN Caihong, et al. Forecasting model of safe thickness for roof of karst cave tunnel based on support vector machines [J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(6): 1000-1004. (in Chinese))

[12] 劉超群, 彭紅君. 隧道掌子面與溶洞安全距離分析[J]. 現代隧道技術, 2012, 49(3): 109-113.(LIU Chaoqun, PENG Hongjun. Analysis of safe distance between a tunnel and karst cave[J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49(3): 109-113. (in Chinese))

[13] 郭明. 隱伏溶洞對隧道圍巖穩定性的影響規律及鄂西山區巖溶處治技術研究[D]. 濟南： 山東大學, 2014.(GUO Ming. Study of concealed karst cave’s influence on karst tunnel stability and treatment technology on tunnels of Exi Mountainous[D]. Jinan: Shandong University, 2014. (in Chinese))

[14] 宋建禹. 隱伏溶洞與山嶺隧道間安全厚度預測及其穩定性研究[D]. 重慶： 重慶交通大學, 2012.(SONG Jianyu. Study of concealed karst caverns with mountain tunnel safety thickness prediction and the research of stability[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2012. (in Chinese))

Numerical Analysis of Influence of Water Pressure of Overlying Karst Cave on Tunnel Water Inrush

LEI Ting1, 2, GUAN Xin1, HONG Fan1, JU Yanfei1, 2, HAN Jinlong1, 2, LI Lele1, 2

(1.WuhanHarbourEngineeringQualityDetectionCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China; 2.ChinaHubeiKeyLaboratoryofAdvancedMaterials&ReinforcementTechnologyResearchforMarineEnvironmentStructures,Wuhan430040,Hubei,China)

Due to the complex geological conditions of karst area, tunnel construction is often accompanied by potential safety hazard of water inrush from karst caves, especially when the karst cave overlies tunnel (in which condition the water pressure is very important). A numerical model for tunnel under a karst cave is established, and the water pressure of the karst cave is regarded as a construction condition. The variation rules of pore water pressure of surrounding rocks are analyzed, and the distribution of water inrush channel during tunnel excavation is revealed. The water inrush channel and safety thickness of rock under different water pressures of karst cave are decided based on the maximum value estimation method of mutation of the element pore water pressure. The study results show that the distance between water inrush channel and the bottom of karst cave and the safety thickness of rock increase with the water pressure of overlying karst cave increases.

karst tunnel; overlying cave; water pressure of karst cave; water inrush channel; safety thickness

2016-08-19;

2016-11-10

雷霆(1987—)，男，湖北荊門人，2015畢業于山東大學，建筑與土木工程(巖土)專業，碩士，助理工程師，主要從事巖土檢測與工程方面的研究工作。E-mail： lt_paper@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.007

U 45< class="emphasis_bold"> 文獻標志碼： A

A

1672-741X(2017)02-0167-07