巖溶隧道防突巖層突水模擬分析

郭佳奇，錢 源，黃 猛

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454003)

因周邊隱伏溶洞的隱蔽性，使隧道施工中易于突然遭受到突水涌泥等巖溶災害，危害嚴重。為此眾多學者開展了大量研究工作。任美鍔等[1]研究發現巖溶引發的隧道工程災害主要表現為隧道突然涌水、隧道頂部溶洞充填物垮塌等問題。汪從錦[2]結合魯布革電站引水隧洞討論了不同洞徑圓形隱伏溶洞對隧道圍巖位移的影響；吳夢軍等[3-4]通過現場試驗和有限元方法分析了溶洞規模和位置對公路隧道圍巖穩定性的影響。李科[5]采用數值模擬和模型試驗方法研究了隧道拱部不同大小、距隧道不同距離的溶洞對隧道圍巖變形的影響。劉招偉等[6]采用有限差分軟件分析了溶洞位于隧道上側方和下側方時，防突巖層安全厚度的取值范圍。莫陽春等[7]研究了隧道與其底部或側部的隱伏溶腔間圍巖向2個相反方向變形的特征。張鋒等[8]運用有限元方法分析了隧道側部溶洞對圍巖穩定性的影響。謝舉[9]利用數值方法研究了不同影響因素下巖溶隧道圍巖的受力及穩定性。郭明[10]采用COMSOL Multiphysics軟件研究了在不同類型和分布形態的隱伏溶洞影響下隧道圍巖滲流場、應力場和位移場的變化規律。蘇海健[11]采用有限差分軟件研究了承壓水壓力、保護層厚度等對巖溶隧道圍巖位移場、塑性區及主應力的影響規律。朱國偉[12]研究了長昆客運專線隧道周邊非充填型溶洞對隧道施工過程中圍巖應力、位移及塑性區的影響。

上述文獻的研究對象為隧道周邊的隱伏干溶洞，且多采用有限元方法，較難準確刻畫隧道與高壓富水隱伏溶腔間防突巖層突水過程。因此，本文首先從微觀上分析巖溶隧道的突水機理，然后選取工程中較為常見且對隧道危害最大的隧道邊墻外賦存高壓富水溶腔這一類型的新建山嶺隧道作為研究對象，采用離散元方法分析巖溶隧道防突巖層漸進破壞過程中滲流場、位移場等的變化規律，研究成果對提高隧道巖溶災害的可預見性具有意義。

1 巖溶隧道突水機理及類型

1.1 巖溶隧道突水機理

1)巖溶水的軟化和溶蝕作用

隧道與周邊富水隱伏溶腔間防突巖層往往處于飽水狀態，會受到巖溶水軟化和溶蝕的雙重劣化作用。巖溶水軟化作用降低了防突巖層強度；而軟化的防突巖層在應力、化學溶蝕、巖溶水壓力季節性變化等耦合作用下，巖溶裂隙增加，防突能力進一步下降，甚至喪失。

2)巖溶水壓力對裂隙巖體的有效應力作用

巖溶隧道防突巖層中普遍存在著孔隙、裂隙、層理等不同大小的非連續結構面，甚至還有規模更大的斷層面，它們構成了巖溶隧道防突巖層突水的潛在通道。巖體孔隙、裂隙中地下水的力學效應表現為孔隙、裂隙中的水壓力作用和軟化作用，2種作用存在聯系，其綜合的力學效應可采用下式表達[13]。

Δτ=σ(tanφ-tanφw)+ptanφw+c-cw

式中：Δτ為巖溶水引起的防突巖層抗剪強度降低值；σ為正應力；p為巖溶水壓力；c，φ分別為浸水前巖體的黏聚力和內摩擦角；cw，φw分別為浸水后巖體的黏聚力和內摩擦角。

巖溶水壓力對裂隙巖體的力學作用主要體現在巖溶水對裂隙巖體有效應力的控制上。巖溶隧道開挖過程中，開挖面內巖體從母巖上脫離，包括防突巖層在內的隧道圍巖因失去支撐作用而卸荷，深埋高地應力巖溶隧道這一現象更為明顯。由上式可知，因卸荷而導致的正應力σ下降，會進一步增強巖溶水壓力p對防突巖層巖體強度的影響。

3)巖溶水壓力的水楔效應

圖1為巖溶隧道開挖工程中常見的一種工況。在隧道掌子面前方有一小傾角的逆斷層F，隧道底板承受巖溶水壓力p的作用。開挖前隧道底板上作用著原始垂向地應力σ0，此時斷層處于閉合狀態。施工時開挖范圍內σ0被解除，而在開挖區四周分布著的支承壓力σ(x)部分作用于隧道底板上。隨著σ0的解除隧道底板產生一定程度的彈性恢復變形，即產生垂直方向的上升位移，斷層面之間的距離會因此而改變，這樣以來原本閉合的斷層將會張開，有巖溶承壓水趁機滲入，斷層中的水分別對斷層上下兩盤產生法向壓應力，進而引起兩斷層面的法向位移，促使承壓水進一步向上導升。即整個過程中在壓力作用下巖溶水像楔子一樣沿著斷層面逐漸向上“擠”，這就是巖溶水壓力的水楔效應。

圖1 巖溶水壓力在導通斷層中的水楔效應示意

4)巖溶水流的沖刷擴徑作用

水流的沖刷擴徑作用是指在巖溶水流的沖刷下突水通道橫斷面尺寸不斷擴大。該作用使防突巖層突水口不斷擴大，是突水規模持續增大的內因。

1.2 巖溶隧道突水類型

根據突水成因將巖溶隧道突水分為直接揭露型、純劈裂型和綜合破壞型3種類型[14]。

1)直接揭露型突水。直接揭露型突水主要是指隧道開挖直接揭露富水溶腔、地下暗河等引起的突水。該類突水源于隧道掘進時對巖層的主動破壞。

2)純劈裂型突水。當巖溶水壓力較高，其影響遠大于圍巖應力重分布的影響時，可忽略圍巖應力重分布的影響。在巖溶水高壓作用下圍巖劈裂導致突水事故發生，即發生純劈裂型突水[15]。

3)綜合破壞型突水。綜合破壞型突水是指在巖溶水壓力與圍巖應力重分布的共同作用下致使隧道與隱伏巖溶構造間防突巖層破壞，進而喪失隔水能力而發生的突水。根據水文地質條件、防突巖層介質類型及防突巖層裂隙發育情況，綜合破壞型突水又可細分為整體失穩破壞、自然營力下的水力劈裂破壞、關鍵塊體失穩破壞和滲透失穩破壞。

2 防突巖層突水離散元分析

巖溶隧道突水機理分析屬于定性層面的研究，無法反映巖溶隧道防突巖層突水過程及該過程中圍巖變形場、滲流場的演化特征。本節以邊墻外賦存高壓富水溶腔這一類型的新建山嶺隧道為研究對象，通過離散元方法對此進行分析。

2.1 計算模型及模擬過程

計算模型見圖2。左側隧道直墻段高6 m，頂部半圓拱直徑8 m，跨度8 m；右側富水隱伏溶洞直徑 10 m，橫斷面圓形；中間為3 m厚的防突巖層。取隧道底板中心為計算模型的坐標原點，模型頂部距隧道底板45 m，底部距隧道底板30 m。模型水平方向長65 m，為溶洞直徑的6.5倍。

圖2 計算模型

根據隧道埋深情況將模型上部巖體重量換算成均布荷載施加在模型頂面。頂面為自由面，模型底面施加位移約束，模型左右側面施加應力約束，側壓力系數取1.2；模型底面及左右側面均不透水。圍巖中分布2組相互正交的節理，1組與水平面(x軸正方向)夾角為15°，節理間距1 m；另1組與水平面(x軸正方向)夾角為105°，節理間距2 m。

表1 圍巖力學參數

表2 節理力學參數

2.2 模擬結果與分析

1)位移場變化時防突巖層的破壞情況

巖溶隧道防突巖層突水過程中位移場的變化見圖3?？梢姡核淼篱_挖后在圍巖應力釋放初期防突巖層整體發生了較大位移，尤其是隧道側的防突巖層，由于位移約束消失向隧道內部變形明顯，隧道周邊其他位置位移較小(step=700)；圍巖應力繼續釋放，隧道側的防突巖層開始垮落，但整體尚處于穩定狀態(step=2 200)； step=4 200 時防突巖層進一步破壞，隧道左側拱頂和底板也發生明顯位移，溶腔左側頂部亦出現了不穩定跡象，故隧道開挖后應及時支護；應力釋放到一定值時防突巖層破壞，突水通道基本形成，此時其他位置圍巖也出現了滑動跡象(step=6 200)，裂隙增大。

圖3 巖溶隧道防突巖層突水過程中位移場的變化

2)滲流場變化時巖溶水壓力的分布情況

巖溶隧道防突巖層突水過程中巖溶水壓力的分布見圖4?？梢姡涸趪鷰r應力釋放初期巖溶水壓力主要分布在溶腔頂部和臨溶腔側的防突巖層中(step=700～2 200)，但step=2 200 時巖溶水壓力在防突巖層中的分布范圍明顯增加，且巖溶水壓力在隧道底板中也有分布，反映出巖溶水已通過防突巖層滲透到隧道中，并且隧道底部巖層已和溶腔建立了水力聯系。隨著隧道圍巖應力的繼續釋放(step=4 200)，巖溶水壓力分布范圍繼續增大，溶腔周圍特別是頂部已分布高壓巖溶水，隧道頂部巖層也和溶腔建立了水力聯系，此時防突巖層中已遍布巖溶水壓力，隧道底板及左墻腳巖層內亦有巖溶水壓力分布，但壓力較小。step=6 200 時溶腔和隧道頂部水壓力分布范圍有所減小，且隧道頂部巖層與溶腔之間的水力聯系已中斷，隧道底板及左墻腳巖層中巖溶水壓力已和溶腔中水壓力相當，突水通道已經基本形成，防突巖層處于無阻水能力狀態，富水隱伏溶腔水位下降。

3 結論

1)巖溶隧道突水機理主要為巖溶水的軟化和溶蝕作用、巖溶水壓力對裂隙巖體的有效應力作用、巖溶水壓力的水楔效應和巖溶水流的沖刷擴徑作用。

2)巖溶隧道突水可分為直接揭露型、純劈裂型和綜合破壞型。綜合破壞型又可進一步細分為整體失穩破壞、自然營力下的水力劈裂破壞、關鍵塊體失穩破壞及滲透失穩破壞。

3)隧道開挖后隨圍巖應力逐漸釋放，防突巖層經歷顯著位移、局部垮落和整體破壞3個階段，最終形成突水通道。在隧道開挖初期巖溶水壓力分布范圍逐漸增大，隧道周圍的巖體逐步和高壓富水溶腔建立了水力聯系；開挖后期溶腔水位下降，巖溶水壓力分布范圍減小。