动力扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤试验研究

邬忠虎，崔恒涛，宋怀雷，吴海宝，吴昌裔

(1.贵州大学土木工程学院，贵阳 550025； 2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031； 3.贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵阳 550001)

近年来，随着国家西部大开发战略的实施，一大批土木水利等重大基础工程陆续建设，推动了隧道工程的建设发展[1-5]。而贵州省的地质情况相对较复杂，以碳酸盐分布最广，属于典型的岩溶发育地区，在进行城市轨道交通建设的过程中，隧道工程的修建具有“强岩溶、高应力、高水压、构造复杂、灾害频发”等显著特点[6-8]。在隧道施工过程中易发生突涌水等地质灾害，极易造成经济损失和人员伤亡。突涌水灾害灾变的本质是水与岩体相互作用的结果，处于富水环境下的岩体，其力学特性及变形特征会受到复杂地质环境的影响，隧道在开挖过程中扰动岩体更易发生失稳破坏[9-12]。

目前，关于溶洞诱发隧道突涌水的灾变，国内外许多学者做了大量工作，取得了丰富的经验。王媛等[13]采用颗粒流PFC3D软件建立由裂隙岩体及断层构造的围岩隧洞数值模型，模拟隧洞突涌水全过程，研究集中水源等因素对隧洞突涌水的影响；Wu等[14]通过FLUENT软件研究突水后的水流特性，得出不同开挖情况和不同突水位置下水的运动规律；Tang等[15]基于FLAC3D建立了流固耦合模型，对开采过程中上覆岩层及水层中的孔隙水压力变化特征进行分析，探讨突涌水的时空特征，并以此确定突水前兆信息；赵蕾等[16]采用RFPA-Flow系统研究了不同充水条件下裂隙溶洞对隧洞开挖过程围岩的稳定性，探讨了在施工扰动下裂隙溶洞隧道突水过程的机理；Pan等[17]通过建立大型物理三维模型试验，揭示了施工过程中岩溶溶洞与承压水接近引起而突水的机理，将突水过程分为3个阶段，即群体裂纹的萌生阶段、突水通道的形成阶段和防水层的完全垮塌阶段。由此可见，针对隧道动力扰动下岩溶问题，亟须围绕岩溶的应力-渗流-损伤耦合效应对溶洞隧道突涌水灾变演化过程分析。

现以贵阳市轨道交通2号线二期工程(富源北路站—森林公园站区间)的突水区域为研究对象，采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D-Flow模拟不同距离溶洞对隧道开挖的影响，研究开挖动力扰动作用下隧道突涌水灾变演化过程，分析损伤演化过程中的能量变化规律，以期为贵阳市城市轨道交通后期工程的安全施工提供理论指导，推动岩溶地区隧道工程的建设发展。

1 工程地质背景

1.1 工程概况

富源北路站—森林公园站区间属于贵阳市轨道交通2号线二期工程，线路出富源北路站后，先后下穿富源北路、中环路高架桥、七星大酒店后，下穿森林公园山岭，到达首开紫郡附近森林公园站，隧道起讫里程YDK39+018.430 ～ YDK42+059.47，ZDK39+018.43 ～ ZDK42+059.47，右隧全长3 041.04 m，左隧全长3 043.036 m，隧道采用矿山法施工。

区间右线内小里程端作业面(掌子面里程YDK40+226.200)拱部右上角突发突涌水，短时间的突涌水量约5 000 m3。该研究区域地貌类型为高中山溶丘和溶蚀洼地相间地貌，地势起伏较大，地面纵坡较陡，自然坡度为 30°～40°，植被茂密，以松树为主，林间杂以灌木，水土保持较好，如图1所示。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

1.2 地层岩性及地质构造

地层岩性主要以碳酸盐岩为主，其次为碎屑岩。第四系覆盖层一般较薄，下伏侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系等地层，岩性以灰岩为主。据区域地质资料及实地工程地质测绘，拟建场地位于扬子准地台黔中腹地贵阳复杂构造变形区，具体位置为贵阳向斜轴部北端东侧，地质构造较复杂。

2 试验方法

2.1 灰岩微观结构表征分析

试样选取研究区突水位置处的灰岩作为试验材料，通过钻探技术钻取岩心样品。为了进一步确定此次突水灾害的原因，采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)试验分析灰岩微观结构特征。

利用扫描电子显微镜研究灰岩矿物颗粒晶体内部的表面特征，选取试验样品尺寸为365 mm×275 mm，对灰岩样块进行SEM试验，仪器型号为蔡氏Sigma 300，矿物内部表面形貌如图2所示。可以清晰看出，矿物晶体内部颗粒分布不均匀，形状不规则，表面棱角凸显，呈现部分壳状结构，凹凸不平，溶蚀孔隙较为发育。这种壳状结构及微裂隙的存在使得矿物内部颗粒具有较大的比表面积，与液体能充分接触，内部变得疏松，从而具有较强的亲水特性。

图2 灰岩电镜扫描图Fig.2 Scanning electron microscope image of limestone

2.2 数值模型的建立

经调查研究发现该区域段内存在充水溶洞，数目规模庞大且节理裂隙较发育，可能出现在隧道的不同部位处。随着进一步的深入研究，物理实验却存在较大的局限性。RFPA软件能够模拟岩石体的真实破裂过程，主要以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的M-C(Mohr-Coulomb)破坏准则为介质变形和破坏分析。

采用岩石破裂过程二维渗流-应力损伤耦合分析系统RFPA2D-Flow，结合富源北路站—森林公园站区间突涌水事故案例，建立充水溶洞与隧道开挖断面相对距离为1、2、3 m处的数值模型，其简化模型为平面二维问题，模型的尺寸长为50 m、高为50 m，网格划分为100×100个单元网格。模型中隧道以圆形的方式进行开挖，隧道净高为8 m。模型受上覆载荷P1=5 MPa，围压为3 MPa，充水溶洞简化为圆形断面形式，洞中水压为2 MPa，溶洞半径为1 m，整个过程采用力加载方式，每步以0.01 MPa进行加载，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。加载示意图如图3所示。假定单元性质是线弹-脆性和脆-塑性的，且各力学参数服从Weibull函数分布[18]，表达式为

图3 隧道开挖加载示意图Fig.3 Schematic diagram of tunnel excavation loading

(1)

式(1)中：Ω(α)为微观单元力学性质关于α的统计分布密度；α为代表微观单元的力学性质参数；α0为微观单元力学性质的平均值；m为岩石体的均匀性系数，一般m越小，越不均匀。其各力学参数如表1所示。

表1 灰岩数值模型力学参数[16]Table 1 Mechanical parameters of limestone numerical model[16]

3 试验结果及分析

3.1 隧道围岩破坏过程分析

隧道在开挖扰动过程中，溶洞中水压对岩层产生渗流作用，岩体逐渐出现松动软化现象。图4所示为充水溶洞对隧道围岩的破坏过程和声发射(acoustic emission，AE)图。可以清晰看出，当充水溶洞与隧道相距为1 m时，在溶洞周围岩层先出现松动，裂缝最先在溶洞底部起裂，并随着开挖扰动作用，逐渐向隧道一侧延伸，在开挖到25步时出现裂缝贯通，溶洞周围岩层单元破坏；当充水溶洞与隧道相距为2 m时，在溶洞底部同时出现两条细微裂缝，并且裂缝呈一定的夹角向隧道一端延伸，在开挖到25步时，使得左边裂缝贯通，但溶洞周围未见明显损伤；当充水溶洞与隧道相距为3 m时，在溶洞顶部与底部同时伴随裂缝萌生，并沿两端延伸，上部的裂缝延伸速率快，在开挖到25步时，裂缝开始贯通，溶洞周边单元破坏损伤严重。从上述分析中得出，充水溶洞的距离对隧道围岩破坏的影响显著，相对距离为1 m时，溶洞周围岩层单元损伤最严重，2 m时次之，3 m时最小。

空间分布的每一个点都代表相应一个单元损伤破裂信号位置；红色部分表示当前加载步的拉伸损伤单元图4 溶洞对隧道围岩的破坏过程和声发射图Fig.4 The destruction process and acoustic emission diagram of the tunnel surrounding rock caused by the karst cave

同时，溶洞与隧道之间的距离对围岩稳定性产生影响显著，当相对距离为1 m时，开挖扰动对溶洞的影响最大，容易发生突涌水灾害，溶洞周围围岩破坏范围大，容易出现二次灾害爆发。当相对距离为2 m时，处于临界状态，仅有溶洞与隧道之间的围岩出现失稳破坏，而溶洞周围围岩几乎看不到损伤单元。当相对距离为3 m时，开挖扰动对溶洞的作用力最小，但作用持续时间长。因此，溶洞和隧道周围围岩损伤破坏最为严重，发生二次灾害的风险最大。

根据试验结果所得，在可能出现突涌水灾害地段预埋引水管道进行排水，并实时对水压力进行检测，对开挖后的地段进行支护加固处理。在声发射图中，由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度，当应力大于抗压强度时，围岩发生破坏。因此，岩层在损伤演化过程中以拉伸破坏为主，也伴有极少的剪切破坏。

图5是充水溶洞在隧道开挖过程中对围岩竖向位移变化趋势影响，可知，随着开挖的持续进行，沿竖向位移逐步加大。整个开挖过程中，围岩位移变化趋势受溶洞的距离影响较大。在开挖初期，开挖步数在8步之前，围岩竖向位移无明显变化趋势；随着开挖继续进展，围岩竖向位移变化显著。当相对距离为1 m时，位移在第8～15步时迅速激增，此时，围岩损伤破坏程度加大，隧道易发生突涌水现象。当加载步在16步之后，竖向位移曲线趋于平缓状态，此时产生的竖向位移最大；而相对距离为3 m时，曲线先小幅度上升再平缓，然后再次陡升变化，由于相对距离远，围岩相对难破坏。加载步在20 步之后，位移曲线呈倒梯形跳跃增大，而此时裂缝开始贯通；当相对距离为2 m时，位移在20步时出现倒三角形跳跃增长，在裂缝贯通后，位移呈现平缓趋势。这表明了岩层的初始应力场遭受破坏，两端岩石有向中部挤压的趋势，使中部岩体出现局部变形。

图5 开挖过程中溶洞对围岩位移变化趋势的影响图Fig.5 Diagram of the influence of karst caves on the trend of surrounding rock displacement during excavation

图6是开挖过程中不同距离充水溶洞的孔隙水压力变化图。可知，在开挖初期围岩受孔隙水压力影响较小，仅仅是充水溶洞周围的围岩承受水的渗透压的作用。随着加载的进行，围岩出现损伤，孔隙水压力对围岩影响增大，在裂缝贯通时达到最大，充水溶洞中的水以裂缝作为突破口，快速涌入隧道中，使隧道硐室周围承受水渗透压。该区域围岩属于中风化灰岩，其具有强度低、天然层理裂隙发育等特点，开挖破坏天然的应力场，使岩体出现微裂缝，并随水压力作用而逐渐扩展，导致孔隙水压力作用范围越来越大。充水溶洞与隧道之间的距离对灾害后水渗透压的影响显著。当相对距离为1 m时，裂缝贯通后孔隙水压力的作用范围最大，2 m时次之，3 m时最小。意味着1 m时，岩体内的微裂隙分布最广泛，损伤最严重，2 m时次之，3 m时最小，与破坏过程分析结果一致。

图6 开挖过程中不同距离充水溶洞孔隙水压力变化图Fig.6 Changes in pore water pressure of water-filled karst caves at different distances during excavation

3.2 损伤演化过程中的能量变化规律

岩体损伤演化过程实质是耗散能的释放，导致强度丧失，岩体单元中储存的弹性能释放是引发岩体单元突然破坏的内在原因。由热力学第一定律可知，岩体在荷载作用下发生的变形，其实质就是能量的储存。总的能量可分为两个部分，一部分是耗散能，使当前加载步围岩单元出现损伤和塑性变形；另一部分以弹性能的形式存储。随着荷载的增加，弹性能突然释放，隧道围岩发生失稳破坏。

图7是AE 计数 与AE 总能量随加载步的变化趋势图。其中，AE计数为一个单元的微破裂代表一个声发射事件； AE 总能量为岩体在局部区域产生应力集中，并快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。可以得知，开挖到11步之前并未出现声发射和能量的损耗，这是由于开挖初期，两端岩体向中部有挤压的作用，整体处于压密阶段。11步之后总能量和声发射计数随开挖的进行而逐渐增大，同时有一部分的能量出现损耗，使岩体单元出现损伤，此阶段为裂缝扩展阶段。一部分能量以弹性能的形式储存，在岩体损伤到一定程度时突然释放，使隧道围岩失稳破坏，造成突涌水现象，这一阶段称为失稳阶段。同时可以看出，不同距离溶洞对隧道开挖影响显著。当相对距离为1 m时，加载到第11步时，AE 总能量曲线变化趋势突跳，AE 计数对应的裂缝发展速率最大，之后，趋于平缓增长，裂缝贯通时释放的能量最大；当相对距离为3 m时，AE 总能量曲线趋势较平缓，AE 计数较少，此时声发射计数对应的裂缝发展较为缓慢，渗流应力加载结束后，裂缝未贯通，上覆荷载对围岩的作用较小，围岩失稳破坏时的能量释放缓慢；当相对距离为2 m时，围岩失稳时的AE 总能量与AE 计数曲线与相对距离为3 m时保持一致，围岩失稳破坏时的能量释放大于相对距离3 m。

图7 AE 计数与AE 总能量随开挖加载步的变化趋势图Fig.7 AE count and AE total energy change trend diagram with excavation loading step

综上所述，通过AE 总能量与AE 计数的趋势变化情况与前文的围岩破坏过程的差别具有一致性，可以清晰反映出在开挖扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤变化情况，从而进一步揭示其灾变演化的机理。

4 结论

(1) SEM试验表明，灰岩矿物内部晶体颗粒分布不均匀，形状不规则，存在溶蚀孔隙较为发育，具有壳状结构及微裂隙使得其具有较大的比表面积，与液体能充分接触，内部变得疏松，从而具有较强的亲水特性。

(2) 开挖扰动过程中不同距离下的充水溶洞对隧道的影响显著，当相对距离为1 m时，溶洞周围围岩单元损伤最严重，2 m时次之，处于临界状态，3 m时最小。当相对距离为1 m时，开挖扰动对溶洞的作用力最大，裂缝最先出现在溶洞底部，且溶洞周围围岩损伤范围广泛；当相对距离为2 m时，溶洞底部同时出现两条裂缝，但溶洞围岩未萌生明显单元损伤，处于临界状态；当相对距离为3 m时，溶洞顶部和底部同时萌生微裂缝，围岩失稳破坏时，损伤程度较小。

(3) 开挖过程中不同距离充水溶洞的孔隙水压力变化显著，在开挖初期围岩受孔隙水压力影响较小，仅仅是充水溶洞周围的围岩承受水的渗透压的作用。随着加载的进行，围岩出现损伤，孔隙水压力对围岩影响增大，在裂缝贯通时达到最大。

(4) 整个开挖过程大致可分为3个阶段：压密阶段、裂缝扩展阶段、失稳破坏阶段。11步之前并未出现声发射和能量的损耗。当相对距离为1 m时，AE 总能量曲线变化趋势突出，AE 计数对应的裂缝发展速率最大，裂缝贯通时释放的能量最大，弹性能突然释放在失稳破坏阶段。通过AE 总能量与AE 计数的趋势变化，可以清晰反映出隧道突涌水渗流-应力-损伤变化情况。