岩溶隧道防突岩层突水模拟分析

郭佳奇，钱 源，黄 猛

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003)

因周边隐伏溶洞的隐蔽性，使隧道施工中易于突然遭受到突水涌泥等岩溶灾害，危害严重。为此众多学者开展了大量研究工作。任美锷等[1]研究发现岩溶引发的隧道工程灾害主要表现为隧道突然涌水、隧道顶部溶洞充填物垮塌等问题。汪从锦[2]结合鲁布革电站引水隧洞讨论了不同洞径圆形隐伏溶洞对隧道围岩位移的影响；吴梦军等[3-4]通过现场试验和有限元方法分析了溶洞规模和位置对公路隧道围岩稳定性的影响。李科[5]采用数值模拟和模型试验方法研究了隧道拱部不同大小、距隧道不同距离的溶洞对隧道围岩变形的影响。刘招伟等[6]采用有限差分软件分析了溶洞位于隧道上侧方和下侧方时，防突岩层安全厚度的取值范围。莫阳春等[7]研究了隧道与其底部或侧部的隐伏溶腔间围岩向2个相反方向变形的特征。张锋等[8]运用有限元方法分析了隧道侧部溶洞对围岩稳定性的影响。谢举[9]利用数值方法研究了不同影响因素下岩溶隧道围岩的受力及稳定性。郭明[10]采用COMSOL Multiphysics软件研究了在不同类型和分布形态的隐伏溶洞影响下隧道围岩渗流场、应力场和位移场的变化规律。苏海健[11]采用有限差分软件研究了承压水压力、保护层厚度等对岩溶隧道围岩位移场、塑性区及主应力的影响规律。朱国伟[12]研究了长昆客运专线隧道周边非充填型溶洞对隧道施工过程中围岩应力、位移及塑性区的影响。

上述文献的研究对象为隧道周边的隐伏干溶洞，且多采用有限元方法，较难准确刻画隧道与高压富水隐伏溶腔间防突岩层突水过程。因此，本文首先从微观上分析岩溶隧道的突水机理，然后选取工程中较为常见且对隧道危害最大的隧道边墙外赋存高压富水溶腔这一类型的新建山岭隧道作为研究对象，采用离散元方法分析岩溶隧道防突岩层渐进破坏过程中渗流场、位移场等的变化规律，研究成果对提高隧道岩溶灾害的可预见性具有意义。

1 岩溶隧道突水机理及类型

1.1 岩溶隧道突水机理

1)岩溶水的软化和溶蚀作用

隧道与周边富水隐伏溶腔间防突岩层往往处于饱水状态，会受到岩溶水软化和溶蚀的双重劣化作用。岩溶水软化作用降低了防突岩层强度；而软化的防突岩层在应力、化学溶蚀、岩溶水压力季节性变化等耦合作用下，岩溶裂隙增加，防突能力进一步下降，甚至丧失。

2)岩溶水压力对裂隙岩体的有效应力作用

岩溶隧道防突岩层中普遍存在着孔隙、裂隙、层理等不同大小的非连续结构面，甚至还有规模更大的断层面，它们构成了岩溶隧道防突岩层突水的潜在通道。岩体孔隙、裂隙中地下水的力学效应表现为孔隙、裂隙中的水压力作用和软化作用，2种作用存在联系，其综合的力学效应可采用下式表达[13]。

Δτ=σ(tanφ-tanφw)+ptanφw+c-cw

式中：Δτ为岩溶水引起的防突岩层抗剪强度降低值；σ为正应力；p为岩溶水压力；c，φ分别为浸水前岩体的黏聚力和内摩擦角；cw，φw分别为浸水后岩体的黏聚力和内摩擦角。

岩溶水压力对裂隙岩体的力学作用主要体现在岩溶水对裂隙岩体有效应力的控制上。岩溶隧道开挖过程中，开挖面内岩体从母岩上脱离，包括防突岩层在内的隧道围岩因失去支撑作用而卸荷，深埋高地应力岩溶隧道这一现象更为明显。由上式可知，因卸荷而导致的正应力σ下降，会进一步增强岩溶水压力p对防突岩层岩体强度的影响。

3)岩溶水压力的水楔效应

图1为岩溶隧道开挖工程中常见的一种工况。在隧道掌子面前方有一小倾角的逆断层F，隧道底板承受岩溶水压力p的作用。开挖前隧道底板上作用着原始垂向地应力σ0，此时断层处于闭合状态。施工时开挖范围内σ0被解除，而在开挖区四周分布着的支承压力σ(x)部分作用于隧道底板上。随着σ0的解除隧道底板产生一定程度的弹性恢复变形，即产生垂直方向的上升位移，断层面之间的距离会因此而改变，这样以来原本闭合的断层将会张开，有岩溶承压水趁机渗入，断层中的水分别对断层上下两盘产生法向压应力，进而引起两断层面的法向位移，促使承压水进一步向上导升。即整个过程中在压力作用下岩溶水像楔子一样沿着断层面逐渐向上“挤”，这就是岩溶水压力的水楔效应。

图1 岩溶水压力在导通断层中的水楔效应示意

4)岩溶水流的冲刷扩径作用

水流的冲刷扩径作用是指在岩溶水流的冲刷下突水通道横断面尺寸不断扩大。该作用使防突岩层突水口不断扩大，是突水规模持续增大的内因。

1.2 岩溶隧道突水类型

根据突水成因将岩溶隧道突水分为直接揭露型、纯劈裂型和综合破坏型3种类型[14]。

1)直接揭露型突水。直接揭露型突水主要是指隧道开挖直接揭露富水溶腔、地下暗河等引起的突水。该类突水源于隧道掘进时对岩层的主动破坏。

2)纯劈裂型突水。当岩溶水压力较高，其影响远大于围岩应力重分布的影响时，可忽略围岩应力重分布的影响。在岩溶水高压作用下围岩劈裂导致突水事故发生，即发生纯劈裂型突水[15]。

3)综合破坏型突水。综合破坏型突水是指在岩溶水压力与围岩应力重分布的共同作用下致使隧道与隐伏岩溶构造间防突岩层破坏，进而丧失隔水能力而发生的突水。根据水文地质条件、防突岩层介质类型及防突岩层裂隙发育情况，综合破坏型突水又可细分为整体失稳破坏、自然营力下的水力劈裂破坏、关键块体失稳破坏和渗透失稳破坏。

2 防突岩层突水离散元分析

岩溶隧道突水机理分析属于定性层面的研究，无法反映岩溶隧道防突岩层突水过程及该过程中围岩变形场、渗流场的演化特征。本节以边墙外赋存高压富水溶腔这一类型的新建山岭隧道为研究对象，通过离散元方法对此进行分析。

2.1 计算模型及模拟过程

计算模型见图2。左侧隧道直墙段高6 m，顶部半圆拱直径8 m，跨度8 m；右侧富水隐伏溶洞直径 10 m，横断面圆形；中间为3 m厚的防突岩层。取隧道底板中心为计算模型的坐标原点，模型顶部距隧道底板45 m，底部距隧道底板30 m。模型水平方向长65 m，为溶洞直径的6.5倍。

图2 计算模型

根据隧道埋深情况将模型上部岩体重量换算成均布荷载施加在模型顶面。顶面为自由面，模型底面施加位移约束，模型左右侧面施加应力约束，侧压力系数取1.2；模型底面及左右侧面均不透水。围岩中分布2组相互正交的节理，1组与水平面(x轴正方向)夹角为15°，节理间距1 m；另1组与水平面(x轴正方向)夹角为105°，节理间距2 m。

表1 围岩力学参数

表2 节理力学参数

2.2 模拟结果与分析

1)位移场变化时防突岩层的破坏情况

岩溶隧道防突岩层突水过程中位移场的变化见图3。可见：隧道开挖后在围岩应力释放初期防突岩层整体发生了较大位移，尤其是隧道侧的防突岩层，由于位移约束消失向隧道内部变形明显，隧道周边其他位置位移较小(step=700)；围岩应力继续释放，隧道侧的防突岩层开始垮落，但整体尚处于稳定状态(step=2 200)； step=4 200 时防突岩层进一步破坏，隧道左侧拱顶和底板也发生明显位移，溶腔左侧顶部亦出现了不稳定迹象，故隧道开挖后应及时支护；应力释放到一定值时防突岩层破坏，突水通道基本形成，此时其他位置围岩也出现了滑动迹象(step=6 200)，裂隙增大。

图3 岩溶隧道防突岩层突水过程中位移场的变化

2)渗流场变化时岩溶水压力的分布情况

岩溶隧道防突岩层突水过程中岩溶水压力的分布见图4。可见：在围岩应力释放初期岩溶水压力主要分布在溶腔顶部和临溶腔侧的防突岩层中(step=700～2 200)，但step=2 200 时岩溶水压力在防突岩层中的分布范围明显增加，且岩溶水压力在隧道底板中也有分布，反映出岩溶水已通过防突岩层渗透到隧道中，并且隧道底部岩层已和溶腔建立了水力联系。随着隧道围岩应力的继续释放(step=4 200)，岩溶水压力分布范围继续增大，溶腔周围特别是顶部已分布高压岩溶水，隧道顶部岩层也和溶腔建立了水力联系，此时防突岩层中已遍布岩溶水压力，隧道底板及左墙脚岩层内亦有岩溶水压力分布，但压力较小。step=6 200 时溶腔和隧道顶部水压力分布范围有所减小，且隧道顶部岩层与溶腔之间的水力联系已中断，隧道底板及左墙脚岩层中岩溶水压力已和溶腔中水压力相当，突水通道已经基本形成，防突岩层处于无阻水能力状态，富水隐伏溶腔水位下降。

3 结论

1)岩溶隧道突水机理主要为岩溶水的软化和溶蚀作用、岩溶水压力对裂隙岩体的有效应力作用、岩溶水压力的水楔效应和岩溶水流的冲刷扩径作用。

2)岩溶隧道突水可分为直接揭露型、纯劈裂型和综合破坏型。综合破坏型又可进一步细分为整体失稳破坏、自然营力下的水力劈裂破坏、关键块体失稳破坏及渗透失稳破坏。

3)隧道开挖后随围岩应力逐渐释放，防突岩层经历显著位移、局部垮落和整体破坏3个阶段，最终形成突水通道。在隧道开挖初期岩溶水压力分布范围逐渐增大，隧道周围的岩体逐步和高压富水溶腔建立了水力联系；开挖后期溶腔水位下降，岩溶水压力分布范围减小。