超大断面隧道临近溶洞围岩突水失稳破坏特征分析∗

王亚奇

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州450000）

0 引言

突水是岩溶地区隧道施工的重要灾害类型之一，岩溶隧道突水类型通常可以划分为裂隙型、断层型和溶洞型［1－3］。其中，溶洞型突水成因主要为厚层碳酸盐在地下水的反复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连通提供补给，在岩溶隧道开挖过程中防突层一旦小于临界值，则会导致突水事故的发生［4－5］。溶洞的位置、形状及其大小、充填状况、充填物质种类等都会对岩溶隧道溶洞型突水产生较大的影响［6－7］。

在岩溶隧道溶洞型突水方面，大量学者开展了大量的研究工作。曹林卫等［8］采用RFPA 建立数值计算模型分析了不同厚度和类型岩溶隧道抗溶洞水压能力，提出了二次衬砌厚度对隧道抗水压能力具有显著影响。曾斌等［9］针对金华山隧道的溶洞岩溶涌突水问题开展了水文地质条件调查，分析了金华山隧道在周边溶洞影响的涌突水可能性。郑宗利等［10］基于理论分析和工程实际，建立了溶洞侵入及未侵入隧道两类情况下的突涌水预警体系，确定了突涌水的主要影响因素。舒恒等［11］开展了超大直径盾构隧道岩溶发育区施工的注浆范围研究，提出了以最小安全距离主要因素为分段计算准则的地表注浆加固范围确定方法。在上述研究的基础上，本文利用FLAC 3D 软件建立了武深高速李洞隧道开挖突水失稳破坏机理的数值计算模型，分析了隧道开挖过程中围岩应力、塑性区、位移和涌水量的变化规律，研究了溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响规律。本文的研究成果可为超大断面隧道施工溶洞型突水灾害防控提供理论基础。

1 工程概况

武深高速李洞隧道位于粤桂湘赣交界处，设计为双向六车道，洞宽17.12 m、洞高11.31 m，属于特大断面隧道。其里程YK342＋256 处围岩级别为Ⅳ级，埋深约180 m，在掌子面中心处存在1个直径为3 m 的承压型溶洞，如图1 所示。隧道穿越该溶洞段时采用三台阶法施工，每个台阶开挖爆破进尺为2 m，高度约3.5 m，开挖之后采用20 cm厚喷射混凝土以及60 cm 厚二次现浇混凝土支护。

图1 李洞隧道YK342＋256 处断面示意图Fig.1 Schematic diagram of section YK342＋256 of Lidong tunnel

2 数值模拟方案

2.1 模型建立

由于隧道的开挖影响范围一般不超过其跨度的3 倍，为此，采用FLAC 3D 建立李洞隧道穿越溶洞段的开挖数值模拟模型如图2 所示。模型在横向、竖向以及纵向的范围取值分别为60 m、50 m以及30 m，共包含122732 个节点和118020 个单元，分成围岩、溶洞以及隧道内三台阶开挖岩体。模型力学边界定义为顶面施加竖向压力3.2 MPa，四周及底面法向位移约束； 渗透边界定义为各面不透水，溶洞内施加定水压1.0 MPa。模拟隧道开挖时，设置隧道开挖进尺为2 m，按上、中、下分3 次开挖，开挖后设置隧道临空面水压为0，并选择shell 结构单元来模拟喷射混凝土及二次衬砌，其中，喷射混凝土的弹模和泊松比选择为25 GPa 和0.2，二次衬砌的弹模和泊松比选择为31.5 GPa 和0.25。

图2 隧道穿越溶洞段数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model of tunnel crossing cavern section

2.2 围岩力学与渗透参数选择

由于岩体在达到承载极限后，其强度会发生下降，而摩尔－库仑模型却无法适应岩体的这种力学变化特征，为此本文采用应变软化模型来模拟隧道围岩，此外，考虑岩体渗透率会因屈服破坏而升高，计算过程中将发生屈服的岩体渗透率提高20 倍。根据《公路隧道设计规范》 以及现场测试结果，设置Ⅳ级围岩的力学和渗透参数如表1所示（表中γp为剪应变）。

表1 IV 级围岩的力学和渗透参数Table 1 Mechanical and permeability parameters of grade IV surrounding rock

3 数值计算结果分析

3.1 隧道围岩应力

随着隧道向溶洞开挖前进，掌子面前方岩体的竖向应力变化曲线如图3 所示。随着隧道向前掘进，掌子面后方岩体失去支撑，掌子面前方岩体应力增大，且越靠近掌子面，其值增大越明显，当超过岩体的承载极限后，岩体将发生破坏，导致其承载力下降而竖向应力降低。因此，不同掌子面与溶洞间距L（掌子面位于溶洞后方为负，位于溶洞前方为正） 条件下，岩体在隧道掌子面前方5 m 为竖向应力降低区（即此区域内岩体发生屈服破坏），在掌子面前方5 m ～11 m 为竖向应力升高区，在掌子面前方11 m 以上则为原岩应力区。但有一点需要说明的是，由于溶洞内部为承压水体，因此，掌子面前方岩体会在溶洞内部出现应力降低区，而在其两侧1m 范围内则会出现一定的集中现象。随着掌子面向溶洞靠近 （L＜－6 m），掌子面与溶洞之间的应力集中最大值将由5.69 MPa逐渐增长至6.32 MPa，直至掌子面与溶洞之间的岩体全部发生塑性屈服（L＞－6 m）。

图3 隧道开挖过程中掌子面前方岩体的竖向应力变化曲线Fig.3 Vertical stress variation curves of rock mass in front of face during tunnel excavation

3.2 隧道围岩塑性区

隧道开挖过程中掌子面前方岩体的塑性区变化如图4 所示。由图可知，当L＝－18 m 时，隧道前方岩体塑性区大致呈半圆形分布： 其破坏范围由掌子面处往前方逐渐减小，当超过掌子面6 m后就基本为0。当L＝－12 m 时，隧道前方岩体塑性区形状和大小与L＝－18 m 时基本一致，此时，隧道掌子面与溶洞间仍保持有较厚的隔水保护层，隧道内涌水量相对较小。当L＝－6 m 时，隧道前方岩体塑性区将与溶洞贯通并向溶洞上下两侧扩展，此时，溶洞内高压水将通过掌子面前方岩体因屈服产生的导水裂隙带向隧道内突水，隧道内涌水量将开始急剧增大，如超过隧道内设计排水量，则会发生突水事故，导致机械被毁或人员伤亡。

图4 隧道开挖过程中掌子面前方岩体的塑性区变化图Fig.4 Plastic zone variation diagrams of rock mass in front of face during tunnel excavation

3.3 隧道围岩位移

随着隧道掌子面逐渐向溶洞靠近，隧道围岩总位移分布如图5 所示。当L＝－10 m 时，隧道围岩最大位移约16 mm，主要出现在拱顶、掌子面中心以及隧道拱底的位置。由隧道拱顶或拱底往深处，围岩位移逐渐减小，但往拱顶上方减小的速率要明显小于拱底下方； 隧道两侧围岩位移则相对较小，说明隧道开挖后两侧收敛变形较小，能够保持自身良好的稳定性。当L＝－6 m 时，隧道拱底最大位移依旧保持为16 mm 不变，但隧道拱顶以及掌子面中心岩体最大位移则增长至20 mm，对比图4 （c） 可知，虽然此时隧道涌水量已经开始急剧变大，但掌子面前方岩体仍具有一定的承载能力，因此不会发生坍塌事故。当L＝－2 m 时，隧道拱顶以及拱底最大位移变化不大，但隧道掌子面最大位移则增长至200 mm，说明此时在开挖扰动与溶洞承压水共同作用下隧道掌子面岩体已经产生了极大的变形，极易发生塌方事故。因此，为保证隧道的开挖安全，应在掌子面与溶洞间距大于6 m 时，对掌子面前方岩体采取疏水降压措施。

图5 隧道开挖过程中围岩总位移分布图Fig.5 Total displacement distribution diagrams of surrounding rock during tunnel excavation

隧道开挖过程中表面岩体的位移分布曲线如图6 所示。可以看出，不同开挖进尺下隧道拱顶沉降以及拱腰水平位移沿着隧道开挖方向均大致呈“S” 型曲线分布： 掌子面后方3 m 以上为围岩位移稳定区，其值在各处大体相等，但会随隧道向前开挖而不断增大并最终保持稳定（拱顶沉降稳定值约23 mm，拱腰水平位移稳定值约为4 mm）； 掌子面后方3 m 至掌子面前方12 m 为围岩位移变化区（即隧道开挖扰动区），其值由后方往前方从稳定值逐渐减小为0； 掌子面前方12 m以上为围岩无位移区，其值因距掌子面较远而未受开挖影响，基本保持为0。掌子面最大位移则随着隧道向溶洞的靠近而不断增大，但其在掌子面距溶洞大于6 m 时增长相对十分缓慢，而在掌子面距溶洞小于6 m 时则出现突变式增长，导致掌子面最终因变形过大而失稳坍塌。由此可见，掌子面前方溶洞的存在对隧道拱顶底以及两侧位移影响不大，但会对掌子面岩体位移产生极大的影响，故在此情况下，应重视并加强对隧道掌子面岩体位移的监测，保证隧道的开挖安全。

图6 隧道开挖过程中表面岩体的位移变化曲线Fig.6 Displacement curves of surface rock mass during tunnel excavation

3.4 隧道涌水量

隧道内涌水量随隧道开挖的变化曲线如图7所示。当L＜－18 m 时，溶洞的存在基本对隧道涌水量变化无任何影响，此时，隧道涌水量基本为0； 当－18 m＜L＜－8 m 时，由于溶洞的存在，隧道内涌水量增大，但仍处于200 m3／h 以下，无突水危险性，但随着隧道开挖防突层厚度逐渐减小；当L＞－8 m 时，隧道掌子面与溶洞间将产生导水裂隙，且随着隧道向前开挖，导水路径将逐渐变宽变短，导致隧道内涌水量迅速增大，由L＝－8 m 时的100 m3／h 增加至L＝－2 m 时的7371 m3／h，这势必导致隧道发生突水事故，给工程带来极大风险。

图7 隧道开挖过程中涌水量的变化曲线Fig.7 Variation curve of water inflow during tunnel excavation

4 溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响分析

考虑隧道开挖期间，受降雨补给的影响，溶洞内的水压会发生变化，本文分别设置了溶洞水压力p为0、0.5 MPa、1.0 MPa 以及1.5 MPa 四种模拟条件用于分析溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响规律，隧道掌子面最大位移和涌水量的变化曲线如图8 和图9 所示。可以看出，p＝0 时，隧道掌子面最大位移和涌水量不会发生突变；p＝0.5 MPa时，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－4 m时发生突变；p＝1.0 MPa 时，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－6 m 时发生突变；p＝1.5 MPa时，隧道掌子面最大位移和涌水量在L＝－8 m时发生突变。可见，溶洞水压越大，随着隧道向溶洞的靠近，隧道掌子面最大位移和涌水量发生突变的时刻就越靠前。此外，当隧道距溶洞很近时（L＞－10m），同一进尺下，隧道掌子面最大位移和涌水量均与溶洞水压呈指数式增长关系。因此，为保证隧道在岩溶地段的开挖安全，建议对隧道掌子面前方进行超前钻孔，遇前方有溶洞则尽可能采取疏水降压以及补强掌子面岩体的措施。

图8 不同水压条件下掌子面最大位移的变化曲线Fig.8 Maximum displacement curves of tunnel face under different water pressure conditions

图9 不同水压条件下隧道内涌水量的变化曲线Fig.9 Variation curves of water inflow in tunnel under different water pressure conditions

5 结论

（1） 当掌子面距离前方岩溶隧道小于6 m 时，掌子面前方围岩最大应力达到6.32 MPa，掌子面前方围岩塑性区将与溶洞贯通，高压水将通过掌子面前方岩体因屈服产生的导水裂隙带向隧道内突水。

（2） 掌子面的最大位移随距溶洞距离的变化曲线呈现出“L” 型，当距离大于6 m 时，最大位移变化趋势较缓，处于25 mm 以下，当距离小于6 m，最大位移快速增大至约200 mm。

（3） 当掌子面距离溶洞－18 m ～－8 m 时，隧道掌子面涌水量处于200 m3／h 以下，当掌子面距离溶洞－8 m ～－ 2 m 时，涌水量迅速增大至7371 m3／h，势必发生突水事故。

（4） 隧道掌子面最大位移和涌水量均与溶洞水压呈指数式增长关系。掌子面开挖遇前方有溶洞应采取疏水降压以及补强掌子面岩体的措施。