裂隙溶洞对隧道围岩稳定性的数值分析

2020-05-22邬忠虎娄义黎王安礼

江西水利科技 2020年2期

赵蕾，邬忠虎，娄义黎，王安礼

（1.贵州省水利投资集团（有限）责任公司，贵州贵阳 550000；2.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025；3.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

近年来，国家战略发展西移，“西部大开发”正如火如荼的向前发展。西部水利水电的发展受到国家重视，贵州省最大水利工程枢纽——夹岩水利枢纽也随之开始建设。贵州省地处于高山峡谷，迫使夹岩水利枢纽工程的建设需进行深埋地下超长隧道的开挖引水。而贵州省属于典型喀斯特地貌，这种岩溶地貌为深埋隧道的建设带来极大的挑战，隧道发生突水突泥灾害是岩溶地区面临的最主要的地质灾害之一[1～6]。岩溶地区地下暗河和充水隐伏溶洞是诱发隧道突水突泥的重要因素之一，在夹岩水利枢纽工程的引水隧道建设过程中就出现隐伏溶洞诱发隧道突水突泥灾害，造成了严重的经济损失和工期延误。因此，揭示岩溶地区隐伏溶洞诱发隧道突水突泥灾害的演化机理，可为岩溶隧道建设和隧道维护提供重要理论支撑。

目前，国内外许多学者对岩溶地区隐伏溶洞诱发隧道突水突泥灾害的机理做了大量的研究。这些研究主要集中于3个方面：第一，理论研究。对岩溶地区隐伏溶洞诱发隧道突水突泥灾害的围岩开裂破坏的力学机制和工程现象进行研究[7-9]。第二，相似模拟研究。通过对隧道按要求建立相似模型，进而模拟岩溶隧道突水突泥灾害，研究其破坏过程[10-12]。第三，数值模拟研究。通过有限元方法模拟岩溶地区隐伏溶洞对隧道开挖的影响，分析其围岩稳定性[13，14]。目前，大多数研究将岩溶地区隐伏溶洞假想为球形、正方体和长方体等标准的立体形状[15-17]，真实的溶洞并不是标准的立体形状，而是不规则的立体形状。

本文以夹岩水利枢纽工程的猫场隧洞突水区域为研究对象，利用渗流版岩石破裂过程分析系统（RFPA2D-Flow）模拟了岩溶地区不同充水条件下隐伏溶洞对隧道开挖的影响，研究了隧道开挖过程中灾害演化过程，突水的渗流路径，并分析了隧道开挖过程中围岩破坏的能量演化规律。研究结果将对岩溶地区隧道建设过程中开挖方式和隧道支护提供重要的理论支持，推进夹岩水利枢纽工程的建设。

1 工程概况

根据猫场隧洞灾害区域的地质资料可以知道，隧洞上覆岩层为灰岩，地表水系不发育，冲沟发育，冲沟多为树枝状，沟内无水。涌水段桩号为隧11+316m，地面高程为1 635.00m（黄海高程，下同），埋深为340.00m。地下岩溶主要表现为溶洞，溶洞主要为充水裂隙溶洞，宽度为0.50～1.00m，可见延伸长度为10～20m，且垂直发育，与隧洞成大角度相交。经过观测岩溶管道枯水期涌水量为150L/s，岩溶管道位于隧洞顶板上游，岩溶管道高程为1 460.00m。

2 实验方法

随着研究的深入，解析解的求解难度加大，甚至无法求解，而物理实验又具有很大的局限性，数值模拟技术的出现推进了科学研究的进程，并被喻为第3种科学研究方法。RFPA2D-Flow假定岩石细观单元满足Weibull分布，认为单元性质是线弹-脆性或脆-塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态分布、韦伯分布、均匀分布等。RFPA2D-Flow是基于有限元理论所建立可进行水利工程、岩土工程等领域中岩石（体）流固耦合问题的数值计算分析的数值模拟软件。

本文根据猫场隧洞突水区域地质资料建立了含隐伏溶洞的数值模型，如图1所示。模型为二维数值模型（长为160.00m，高为100.00m），划分为320×200个网格。模型受上覆载荷P=2MPa，围压为2MPa，裂隙溶洞宽为2.50m，高为26.00m，隧洞高度为8.00m，加载第二步开始开挖，每步开挖进程为2.50m。加载方式为力加载，初始值为2MPa，每部增量为0.3MPa，裂隙溶洞中水压分别为 0MPa、1MPa、3MPa、5MPa，整个加载过程无支护。在模型四周设置渗流边界，模型中以水为流体。

图1 隧道开挖数值模拟图

在该数值模型中假设岩层强度和弹性模量服从Weibull随机分布[18]，即：

式（1）中：s表示材料细观单元的属性，如强度或弹性模量；s0与细观单元参数的平均值有关；m表示材料的均质度，m越大，材料越均匀。岩层的初始力学参数见表1。

4 结果及讨论

4.1 隧道围岩稳定性分析

裂隙溶洞在不同充水条件下对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响如图2所示。图2展示了4种充水条件下隧道开挖过程中围岩的变化过程。从图2可以清楚的发现，裂隙溶洞中水压对隧道开挖有着重要的影响，当水压为0MPa、1MPa、3MPa时，裂隙溶洞严重制约隧道开挖进程。当裂隙溶洞没有充水（0MPa）时，加载到Step15-02步（开挖步数为14步），隧道围岩开始出现失稳，继续加载开挖至Step17-09步（开挖步数为16步），裂隙溶洞与隧道掌子面顶端连通，围岩彻底失稳。当裂隙溶洞中水压为1MPa时，加载到Step14-02步（开挖步数为13步），隧道围岩开始出现失稳，加载开挖至Step16-08步（开挖步数为15步），裂隙溶洞与隧道掌子面顶端连通，并且隧道右边拱顶出现裂纹，围岩彻底失稳，发生突水。当裂隙溶洞中水压为3MPa时，加载步数到Step13-02步（开挖步数为12步），隧道围岩开始出现失稳，并在裂隙溶洞底部有微裂缝萌生，加载开挖至Step16-03步（开挖步数为15步），裂隙溶洞与隧道掌子面顶端连通，并且掌子面上方围岩出现多条裂缝，隧道中部底板破裂，围岩彻底失稳，发生突水和危石垮塌。当裂隙溶洞中水压为5MPa时，由于水压过大，裂隙溶洞周围岩体发生严重软化，加载1步就发生破坏。综上所述，当裂隙溶洞中水压在3MPa以下，隧道开挖围岩出现两个失稳过程，第一阶段，加载前期由于上覆载荷作用，围岩失稳，在这个过程需要正常支护。第二阶段，开挖至裂隙溶洞附近，围岩严重失稳，需要强支护。随着水压的增大，围岩破坏速度加快，围岩破坏程度加大。

表1 页岩数值模型参数[19]

图2中AE图为突水点的声发射图。在发生突水过程中，裂隙溶洞与隧道之间围岩主要发生拉伸破坏，并伴随着极少的剪切破坏。加载开挖过程中由于裂隙溶洞不规则，在裂隙溶洞底部尖端和隧道掌子面顶部出现应力集中，围岩抗压不抗拉，当应力达到抗拉强度时，围岩发生破坏。

图2 不同水压条件下隧道围岩破裂过程

图3 隧道围岩破裂的渗流梯度和渗流路径

将隧道加载开挖过程中的渗透梯度和渗流路径绘制于图3，其中颜色越亮水头越大。可以发现水压对隧道围岩的影响显著，裂隙溶洞没有水压时（0MPa），裂隙溶洞与隧道之间的围岩破坏比较单一。当裂隙溶洞中含有水压时，隧道开挖严重影响渗流场在岩层中的分布，渗透梯度分布发生变化，隧道围岩附近的渗透梯度较大，围岩软化程度较大。当裂隙溶洞中没有水压时，没有出现渗流路径，隧道开挖过程中只出现了围岩垮塌现象。当裂隙溶洞中水压为1MPa时，裂隙溶洞与隧道之间的隔水层出现渗流路径，路径较单一，隧道开挖过程中发生突水。当裂隙溶洞中水压为3MPa时，裂隙溶洞与隧道之间的隔水层出现多条渗流路径，且路径复杂，隧道开挖过程中发生突水，严重则会出现掌子面垮塌。综上所述，裂隙溶洞中水压在3MPa以下时，随着水压的增加渗流路径越复杂，突水灾害越严重。

4.2 隧道围岩能量演化分析

通过对是隧道开挖过程中隧道围岩破裂声发射数据的收集，并将其与加载步数的关系绘制于图4。关于RFPA声发射收集原理在文献[20，21]中有详细的阐述，限于篇幅原因，这里就不做过多的叙述。由于水压为5MPa时，岩层1步破坏，这里没有绘制其声发射图。从图4可以发现，当裂隙溶洞中没有水压时，加载至14步时出现微小单元的破裂，释放声发射能量，但能量值太小，直至加载到17步时，围岩中微裂缝贯通，形成宏观破坏，释放大量能量，声发射能量值快速增大，加载至18步后声发射能量缓慢增加，但加载到20步后新的裂纹产生并贯通，出现声发射能量二次激增。当裂隙溶洞中水压为1MPa时，加载至13步时围岩出现微破裂，加载到16步时围岩中微裂缝贯通形成宏观裂缝，声发射能量值激增，在这之后，声发射能量值缓慢增加，继续加载至20步时，围岩继续破坏，声发射能量值二次激增。当裂隙溶洞中水压为3MPa时，加载至13步出现围岩微破裂，继续加载至16步时，围岩中微裂缝贯通，形成宏观裂缝，声发射能量值激增，继续加载，并没有出现继续破裂的现象，这是因为水压为3MPa下隧道围岩在16步是已经发生彻底破坏，因此，并没有出现二次破坏现象。从上面的分析发现随着水压的增加，围岩破坏越彻底，发生灾害越严重。隧道开挖过程中，围岩破坏释放能量可以分为两种演化规律：

（1）当裂隙溶洞中存在低水压（0MPa、1MPa）时，隧道围岩破坏释放的能量表现为平缓-激增-平缓-激增的变化规律。

（2）当裂隙溶洞中存在高水压（3MPa）时，隧道围岩破坏释放的能量表现为平缓-激增的变化规律。

图4 不同水压条件下隧道围岩过裂过程的声发射与步数的关系

综上分析可知，在不同水压条件下隧道围岩破坏释放能量出现了两种演化规律，这主要归因于水压的作用。当水压较低（0MPa、1MPa）时，围岩受渗透液的软化作用影响较小，围岩内部结构没有发生破坏，进而在加载过程中，大量微裂纹贯通，围岩失稳，能量出现二次激增；当水压较高（3MPa）时，围岩受渗透液的软化作用影响较大，围岩内部结构发生破坏，围岩力学性能降低，在加载过程中，围岩直接发生失稳破坏，并没有出现能量的二次激增。

图5为不同水压条件下隧道围岩破坏释放的能量随步数的变化曲线。从图5中可以发现，当裂隙溶洞中没有水压和水压为1MPa时，围岩破坏所释放的能量变化规律相似，这与上面的分析是一致的。并且0MPa和1MPa水压条件下围岩破坏所释放的能量相差不大。当裂隙溶洞中水压为3MPa时，隧道围岩发生彻底破坏，释放出很大的能量。

图5 不同水压条件下隧道围岩声发射能量值与步数的关系

通过对是隧道开挖过程中隧道围岩破裂的声发射分析可以发现，围岩破坏会释放能量，且有规律可循，当裂隙溶洞中没有水压或存在水压1MPa，即低水压时，围岩破坏的能量虽是平缓-激增-平缓-激增的演化规律，但在激增之前仍存在能量的缓增。当裂隙溶洞中水压为3MPa时，围岩破坏释放能量的演化规律为平缓-激增的变化趋势，虽在激增之前也存在围岩微破裂，但声发射能量曲线斜率较大，激增的速度很快。通过以上分析可知，当裂隙溶洞中存在低水压时，隧道开挖围岩破坏能量的监测可以有效的预防隧道突水等灾害的发生。当裂隙溶洞中存在高水压时，虽然围岩破坏释放能量可测，但渗透液对围岩软化作用较强，围岩破坏迅速，发生灾害的强度较大，因此，这种条件下在隧道开挖前需做足应对准备。