超大斷面隧道臨近溶洞圍巖突水失穩破壞特征分析?

王亞奇

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州450000）

0 引言

突水是巖溶地區隧道施工的重要災害類型之一，巖溶隧道突水類型通?？梢詣澐譃榱严缎?、斷層型和溶洞型［1－3］。其中，溶洞型突水成因主要為厚層碳酸鹽在地下水的反復作用下形成大型溶洞，溶洞具有蓄水性，可和其他地下暗河等相互連通提供補給，在巖溶隧道開挖過程中防突層一旦小于臨界值，則會導致突水事故的發生［4－5］。溶洞的位置、形狀及其大小、充填狀況、充填物質種類等都會對巖溶隧道溶洞型突水產生較大的影響［6－7］。

在巖溶隧道溶洞型突水方面，大量學者開展了大量的研究工作。曹林衛等［8］采用RFPA 建立數值計算模型分析了不同厚度和類型巖溶隧道抗溶洞水壓能力，提出了二次襯砌厚度對隧道抗水壓能力具有顯著影響。曾斌等［9］針對金華山隧道的溶洞巖溶涌突水問題開展了水文地質條件調查，分析了金華山隧道在周邊溶洞影響的涌突水可能性。鄭宗利等［10］基于理論分析和工程實際，建立了溶洞侵入及未侵入隧道兩類情況下的突涌水預警體系，確定了突涌水的主要影響因素。舒恒等［11］開展了超大直徑盾構隧道巖溶發育區施工的注漿范圍研究，提出了以最小安全距離主要因素為分段計算準則的地表注漿加固范圍確定方法。在上述研究的基礎上，本文利用FLAC 3D 軟件建立了武深高速李洞隧道開挖突水失穩破壞機理的數值計算模型，分析了隧道開挖過程中圍巖應力、塑性區、位移和涌水量的變化規律，研究了溶洞水壓對隧道圍巖穩定性的影響規律。本文的研究成果可為超大斷面隧道施工溶洞型突水災害防控提供理論基礎。

1 工程概況

武深高速李洞隧道位于粵桂湘贛交界處，設計為雙向六車道，洞寬17.12 m、洞高11.31 m，屬于特大斷面隧道。其里程YK342＋256 處圍巖級別為Ⅳ級，埋深約180 m，在掌子面中心處存在1個直徑為3 m 的承壓型溶洞，如圖1 所示。隧道穿越該溶洞段時采用三臺階法施工，每個臺階開挖爆破進尺為2 m，高度約3.5 m，開挖之后采用20 cm厚噴射混凝土以及60 cm 厚二次現澆混凝土支護。

圖1 李洞隧道YK342＋256 處斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of section YK342＋256 of Lidong tunnel

2 數值模擬方案

2.1 模型建立

由于隧道的開挖影響范圍一般不超過其跨度的3 倍，為此，采用FLAC 3D 建立李洞隧道穿越溶洞段的開挖數值模擬模型如圖2 所示。模型在橫向、豎向以及縱向的范圍取值分別為60 m、50 m以及30 m，共包含122732 個節點和118020 個單元，分成圍巖、溶洞以及隧道內三臺階開挖巖體。模型力學邊界定義為頂面施加豎向壓力3.2 MPa，四周及底面法向位移約束； 滲透邊界定義為各面不透水，溶洞內施加定水壓1.0 MPa。模擬隧道開挖時，設置隧道開挖進尺為2 m，按上、中、下分3 次開挖，開挖后設置隧道臨空面水壓為0，并選擇shell 結構單元來模擬噴射混凝土及二次襯砌，其中，噴射混凝土的彈模和泊松比選擇為25 GPa 和0.2，二次襯砌的彈模和泊松比選擇為31.5 GPa 和0.25。

圖2 隧道穿越溶洞段數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of tunnel crossing cavern section

2.2 圍巖力學與滲透參數選擇

由于巖體在達到承載極限后，其強度會發生下降，而摩爾－庫侖模型卻無法適應巖體的這種力學變化特征，為此本文采用應變軟化模型來模擬隧道圍巖，此外，考慮巖體滲透率會因屈服破壞而升高，計算過程中將發生屈服的巖體滲透率提高20 倍。根據《公路隧道設計規范》 以及現場測試結果，設置Ⅳ級圍巖的力學和滲透參數如表1所示（表中γp為剪應變）。

表1 IV 級圍巖的力學和滲透參數Table 1 Mechanical and permeability parameters of grade IV surrounding rock

3 數值計算結果分析

3.1 隧道圍巖應力

隨著隧道向溶洞開挖前進，掌子面前方巖體的豎向應力變化曲線如圖3 所示。隨著隧道向前掘進，掌子面后方巖體失去支撐，掌子面前方巖體應力增大，且越靠近掌子面，其值增大越明顯，當超過巖體的承載極限后，巖體將發生破壞，導致其承載力下降而豎向應力降低。因此，不同掌子面與溶洞間距L（掌子面位于溶洞后方為負，位于溶洞前方為正） 條件下，巖體在隧道掌子面前方5 m 為豎向應力降低區（即此區域內巖體發生屈服破壞），在掌子面前方5 m ～11 m 為豎向應力升高區，在掌子面前方11 m 以上則為原巖應力區。但有一點需要說明的是，由于溶洞內部為承壓水體，因此，掌子面前方巖體會在溶洞內部出現應力降低區，而在其兩側1m 范圍內則會出現一定的集中現象。隨著掌子面向溶洞靠近 （L＜－6 m），掌子面與溶洞之間的應力集中最大值將由5.69 MPa逐漸增長至6.32 MPa，直至掌子面與溶洞之間的巖體全部發生塑性屈服（L＞－6 m）。

圖3 隧道開挖過程中掌子面前方巖體的豎向應力變化曲線Fig.3 Vertical stress variation curves of rock mass in front of face during tunnel excavation

3.2 隧道圍巖塑性區

隧道開挖過程中掌子面前方巖體的塑性區變化如圖4 所示。由圖可知，當L＝－18 m 時，隧道前方巖體塑性區大致呈半圓形分布： 其破壞范圍由掌子面處往前方逐漸減小，當超過掌子面6 m后就基本為0。當L＝－12 m 時，隧道前方巖體塑性區形狀和大小與L＝－18 m 時基本一致，此時，隧道掌子面與溶洞間仍保持有較厚的隔水保護層，隧道內涌水量相對較小。當L＝－6 m 時，隧道前方巖體塑性區將與溶洞貫通并向溶洞上下兩側擴展，此時，溶洞內高壓水將通過掌子面前方巖體因屈服產生的導水裂隙帶向隧道內突水，隧道內涌水量將開始急劇增大，如超過隧道內設計排水量，則會發生突水事故，導致機械被毀或人員傷亡。

圖4 隧道開挖過程中掌子面前方巖體的塑性區變化圖Fig.4 Plastic zone variation diagrams of rock mass in front of face during tunnel excavation

3.3 隧道圍巖位移

隨著隧道掌子面逐漸向溶洞靠近，隧道圍巖總位移分布如圖5 所示。當L＝－10 m 時，隧道圍巖最大位移約16 mm，主要出現在拱頂、掌子面中心以及隧道拱底的位置。由隧道拱頂或拱底往深處，圍巖位移逐漸減小，但往拱頂上方減小的速率要明顯小于拱底下方； 隧道兩側圍巖位移則相對較小，說明隧道開挖后兩側收斂變形較小，能夠保持自身良好的穩定性。當L＝－6 m 時，隧道拱底最大位移依舊保持為16 mm 不變，但隧道拱頂以及掌子面中心巖體最大位移則增長至20 mm，對比圖4 （c） 可知，雖然此時隧道涌水量已經開始急劇變大，但掌子面前方巖體仍具有一定的承載能力，因此不會發生坍塌事故。當L＝－2 m 時，隧道拱頂以及拱底最大位移變化不大，但隧道掌子面最大位移則增長至200 mm，說明此時在開挖擾動與溶洞承壓水共同作用下隧道掌子面巖體已經產生了極大的變形，極易發生塌方事故。因此，為保證隧道的開挖安全，應在掌子面與溶洞間距大于6 m 時，對掌子面前方巖體采取疏水降壓措施。

圖5 隧道開挖過程中圍巖總位移分布圖Fig.5 Total displacement distribution diagrams of surrounding rock during tunnel excavation

隧道開挖過程中表面巖體的位移分布曲線如圖6 所示?？梢钥闯?，不同開挖進尺下隧道拱頂沉降以及拱腰水平位移沿著隧道開挖方向均大致呈“S” 型曲線分布： 掌子面后方3 m 以上為圍巖位移穩定區，其值在各處大體相等，但會隨隧道向前開挖而不斷增大并最終保持穩定（拱頂沉降穩定值約23 mm，拱腰水平位移穩定值約為4 mm）； 掌子面后方3 m 至掌子面前方12 m 為圍巖位移變化區（即隧道開挖擾動區），其值由后方往前方從穩定值逐漸減小為0； 掌子面前方12 m以上為圍巖無位移區，其值因距掌子面較遠而未受開挖影響，基本保持為0。掌子面最大位移則隨著隧道向溶洞的靠近而不斷增大，但其在掌子面距溶洞大于6 m 時增長相對十分緩慢，而在掌子面距溶洞小于6 m 時則出現突變式增長，導致掌子面最終因變形過大而失穩坍塌。由此可見，掌子面前方溶洞的存在對隧道拱頂底以及兩側位移影響不大，但會對掌子面巖體位移產生極大的影響，故在此情況下，應重視并加強對隧道掌子面巖體位移的監測，保證隧道的開挖安全。

圖6 隧道開挖過程中表面巖體的位移變化曲線Fig.6 Displacement curves of surface rock mass during tunnel excavation

3.4 隧道涌水量

隧道內涌水量隨隧道開挖的變化曲線如圖7所示。當L＜－18 m 時，溶洞的存在基本對隧道涌水量變化無任何影響，此時，隧道涌水量基本為0； 當－18 m＜L＜－8 m 時，由于溶洞的存在，隧道內涌水量增大，但仍處于200 m3／h 以下，無突水危險性，但隨著隧道開挖防突層厚度逐漸減??；當L＞－8 m 時，隧道掌子面與溶洞間將產生導水裂隙，且隨著隧道向前開挖，導水路徑將逐漸變寬變短，導致隧道內涌水量迅速增大，由L＝－8 m 時的100 m3／h 增加至L＝－2 m 時的7371 m3／h，這勢必導致隧道發生突水事故，給工程帶來極大風險。

圖7 隧道開挖過程中涌水量的變化曲線Fig.7 Variation curve of water inflow during tunnel excavation

4 溶洞水壓對隧道圍巖穩定性的影響分析

考慮隧道開挖期間，受降雨補給的影響，溶洞內的水壓會發生變化，本文分別設置了溶洞水壓力p為0、0.5 MPa、1.0 MPa 以及1.5 MPa 四種模擬條件用于分析溶洞水壓對隧道圍巖穩定性的影響規律，隧道掌子面最大位移和涌水量的變化曲線如圖8 和圖9 所示?？梢钥闯?，p＝0 時，隧道掌子面最大位移和涌水量不會發生突變；p＝0.5 MPa時，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－4 m時發生突變；p＝1.0 MPa 時，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－6 m 時發生突變；p＝1.5 MPa時，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－8 m時發生突變?？梢?，溶洞水壓越大，隨著隧道向溶洞的靠近，隧道掌子面最大位移和涌水量發生突變的時刻就越靠前。此外，當隧道距溶洞很近時（L＞－10m），同一進尺下，隧道掌子面最大位移和涌水量均與溶洞水壓呈指數式增長關系。因此，為保證隧道在巖溶地段的開挖安全，建議對隧道掌子面前方進行超前鉆孔，遇前方有溶洞則盡可能采取疏水降壓以及補強掌子面巖體的措施。

圖8 不同水壓條件下掌子面最大位移的變化曲線Fig.8 Maximum displacement curves of tunnel face under different water pressure conditions

圖9 不同水壓條件下隧道內涌水量的變化曲線Fig.9 Variation curves of water inflow in tunnel under different water pressure conditions

5 結論

（1） 當掌子面距離前方巖溶隧道小于6 m 時，掌子面前方圍巖最大應力達到6.32 MPa，掌子面前方圍巖塑性區將與溶洞貫通，高壓水將通過掌子面前方巖體因屈服產生的導水裂隙帶向隧道內突水。

（2） 掌子面的最大位移隨距溶洞距離的變化曲線呈現出“L” 型，當距離大于6 m 時，最大位移變化趨勢較緩，處于25 mm 以下，當距離小于6 m，最大位移快速增大至約200 mm。

（3） 當掌子面距離溶洞－18 m ～－8 m 時，隧道掌子面涌水量處于200 m3／h 以下，當掌子面距離溶洞－8 m ～－ 2 m 時，涌水量迅速增大至7371 m3／h，勢必發生突水事故。

（4） 隧道掌子面最大位移和涌水量均與溶洞水壓呈指數式增長關系。掌子面開挖遇前方有溶洞應采取疏水降壓以及補強掌子面巖體的措施。