管連永，尚明源，李化云

（1.四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610041；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031；3.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

在富水地層修建隧道易引起山體內(nèi)貯藏的大量地下水通過(guò)掌子面涌入隧道，造成人員傷亡、沖毀施工機(jī)具，造成巨大損失。師曉權(quán)[1]基于極限平衡原理建立掌子面穩(wěn)定分析水平條分模型，引入了掌子面錨桿加固等效壓力系數(shù)ka，能較為準(zhǔn)確模擬掌子面錨桿加固效果。耿萍等[2]利用離散元方法，追蹤統(tǒng)計(jì)了隧道周圍巖體的裂隙發(fā)育、隧道內(nèi)的突水量和突泥量，揭示了隧道涌水突泥隨斷層傾角變化的規(guī)律：富水?dāng)鄬觾A角越小，隧道與斷層的豎向距離越小，隧道越容易發(fā)生涌水突泥，掌子面底部為易發(fā)位置。金建偉[3]研究了海底隧道結(jié)構(gòu)防排水原則、排放量標(biāo)準(zhǔn)，并給出了建立廈門翔安海底隧道防排水體系的建議。包德勇[4]通過(guò)工程實(shí)例研究了富水隧道在斷層破碎帶突涌水的特征及原因，并給出了相應(yīng)的工程對(duì)策。Chambon 等[5]對(duì)砂性土體隧道掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行研究，描述了不同埋深情況下掌子面的坍塌形式，強(qiáng)調(diào)了掌子面穩(wěn)定性與未支護(hù)段有密切關(guān)系。王秀英等[6]基于極限平衡理論，采用水平條分法推導(dǎo)了掌子面極限支護(hù)力計(jì)算公式，求解了試驗(yàn)段淺埋情況下所需的掌子面支護(hù)力。梅衛(wèi)鋒等[7]推導(dǎo)了突泥突水情況下隧道掌子面巖墻厚度的計(jì)算公式，根據(jù)隧道已有的力學(xué)參數(shù)，計(jì)算了不同溶腔壓力作用下，隧道掌子面前方巖墻的最小安全厚度。王秉勇等[8]推導(dǎo)出淺埋長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)施工中掌子面穩(wěn)定性的計(jì)算公式。顧博淵等[9]在基于楔形塊體理論對(duì)掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得到一種分析隧道掌子面穩(wěn)定性的簡(jiǎn)化方法。鄭明新等[10]采用有限元軟件MIDAS/GTS 模擬上下臺(tái)階法開(kāi)挖，研究掌子面失穩(wěn)機(jī)制及需采取的應(yīng)對(duì)措施，并提出8 種掌子面加固方案。楊為民等[11]通過(guò)對(duì)比隧道前方有、無(wú)溶洞條件下開(kāi)挖工況，從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)3 個(gè)方面分析了隧道前方大型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，雖然有研究取得了諸多成果，但主要是針對(duì)掌子面失穩(wěn)破壞的機(jī)制、破壞形式做出相應(yīng)研究，未能探明富水高壓工況下保障掌子面穩(wěn)定的極限條件。基于此，本文旨在通過(guò)研究富水隧道開(kāi)挖過(guò)程，在探明掌子面失穩(wěn)過(guò)程的同時(shí)，提出確保掌子面穩(wěn)定的極限防突體厚度（掌子面與斷層破碎帶之間的距離），以此來(lái)判別掌子面掘進(jìn)至斷層破碎帶附近的加固時(shí)機(jī)。

豹貍崗隧道位于峨眉市金口河區(qū)，左線全長(zhǎng)3 650 m，右線全長(zhǎng)3 603 m，均為特長(zhǎng)隧道。設(shè)計(jì)中隧道穿越多條富水高壓裂隙密集帶，極易發(fā)生突泥涌水，隧道掌子面接近裂隙密集時(shí)，可依據(jù)本研究成果指導(dǎo)施工，保障隧道順利通過(guò)。

1 流固耦合機(jī)制及突泥涌水發(fā)生機(jī)制

1.1 流固耦合機(jī)制

巖土體中水的滲流場(chǎng)改變會(huì)引起應(yīng)力場(chǎng)相應(yīng)變化，致使巖土體滲透變形，這一過(guò)程具有一定的時(shí)效性，該水滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）水的滲流對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)面的物理化學(xué)作用，減弱結(jié)構(gòu)面填充物的物理力學(xué)性質(zhì)，降低了結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度；2）地下水通過(guò)水力作用于結(jié)構(gòu)面而產(chǎn)生擴(kuò)展的作用。水在巖土體中尺寸、形狀十分不規(guī)則的孔隙或巖體裂隙、溶洞中流動(dòng)[12]。我們難以得到水在巖土體空隙或者裂隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。介于此，可采用平均的概念進(jìn)行描述，研究具有等效的平均性質(zhì)的滲透規(guī)律。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析表明，將巖土體假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)，可以完全滿足實(shí)際工程精度的要求。

1.2 隧道突泥涌水發(fā)生機(jī)制

隧道巖體破壞的根本原因在于地下水，其對(duì)巖石有著物理、化學(xué)以及力學(xué)作用。它通常會(huì)引起：1）巖石軟化從而導(dǎo)致巖體及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度下降，在裂隙面和結(jié)構(gòu)面起潤(rùn)滑作用導(dǎo)致摩阻力減小，增加巖塊的活動(dòng)自由度，從而使得巖體加速向破碎–松散介質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)巖體強(qiáng)度和變形特性的根本變化。2）增大巖體裂隙的連通性，并擴(kuò)大其張開(kāi)度，使得其賦水導(dǎo)水能力增強(qiáng)，使?jié)B流場(chǎng)變化對(duì)巖體穩(wěn)定性和應(yīng)力場(chǎng)的影響增大。3）由于地下水的存在，在其靜水壓力和動(dòng)水壓力的作用下，巖土體原來(lái)的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，并保持著動(dòng)態(tài)平衡。隧道開(kāi)挖通常會(huì)導(dǎo)致這種平衡破壞，當(dāng)其中一方變化幅度過(guò)大，這種動(dòng)態(tài)平衡將被打破，觸發(fā)諸如滑塌、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。水檻動(dòng)態(tài)劇變通常反映工程體應(yīng)力環(huán)境的惡化。

2 模型假定及物理力學(xué)參數(shù)

本節(jié)采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件Flac3D，模擬豹貍崗隧道穿越裂隙密集帶的過(guò)程，研究掌子面失穩(wěn)過(guò)程，確定掌子面極限防突體厚度。對(duì)于正常圍巖的滲透性，其表現(xiàn)為各向同性，x、y、z三個(gè)方向的滲透系數(shù)一致（kx=ky=kz）；裂隙密集帶的圍巖由于有較強(qiáng)的方向性，其滲透性表現(xiàn)為各向異性，其中x、y方向的滲透系數(shù)一致，z方向的滲透系數(shù)較大（kx=ky＜kz）。滲透系數(shù)的設(shè)置情況如圖1 所示。具體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，圍巖及支護(hù)的滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 滲透系數(shù)設(shè)置

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 滲透系數(shù)

本文通過(guò)建立三維有限差分模型，模擬實(shí)際開(kāi)挖，建立掌子面失穩(wěn)模式，研究失穩(wěn)過(guò)程，確定掌子面極限防突體厚度。

建立模型如圖2 所示。模型尺寸范圍：?50 m ≤x≤50 m，0 m ≤y≤60 m，?28 m ≤z≤70 m，Z方向的零點(diǎn)位置為隧道中心。

圖2 模型示意圖

隧道凈空等效半徑6.120 m，初支為噴射混凝土，厚0.24 m，二襯鋼筋混凝土厚度50 cm。模型尺寸范圍：?50 m ≤x≤50 m，0 m ≤y≤60 m，?28 m ≤z≤70m。

縱向圍巖分布：正常圍巖范圍為0 m ≤y≤24 m、40 m ≤y≤60 m；裂隙密集帶圍巖范圍為24 m ≤y≤40m。隧道中心的水頭高度：H＝60 m。

為了模擬施工中掌子面逐漸逼近裂隙密集帶而發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，模型沿縱向的開(kāi)挖步驟與施工保持一致，開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m 一個(gè)循環(huán)。初期緊跟掌子面，二次襯砌滯后于掌子面。

3 掌子面失穩(wěn)破壞演化過(guò)程分析

本節(jié)對(duì)地層滲流場(chǎng)隨隧道施工的變化規(guī)律進(jìn)行分析。由于開(kāi)挖后，掌子面及周邊臨空面的滲流邊界改變，初始的滲流場(chǎng)所處的平衡狀態(tài)被打破，滲流場(chǎng)需要重新分布。地層的孔隙水壓力隨隧道開(kāi)挖的變化過(guò)程如圖3—圖5 所示。

圖5 開(kāi)挖30 m 時(shí)的水壓值（單位：Pa）

對(duì)圍巖空隙水壓演化過(guò)程進(jìn)行分析，將掌子面失穩(wěn)破過(guò)程分為3 個(gè)階段：

1）孕育階段。如圖3 所示，沿隧道縱向，由掌子面開(kāi)挖引起的圍巖荷載變化導(dǎo)致掌子面后方的防突體出現(xiàn)超空隙水壓力現(xiàn)象。該現(xiàn)象隨開(kāi)挖面逼近裂隙密集帶越發(fā)明顯，裂隙密集帶區(qū)域的孔隙水壓力值受隧道開(kāi)挖影響較小。掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 開(kāi)挖6 m 時(shí)的水壓值（單位：Pa）

2）釋能階段。如圖4 所示，隨著進(jìn)一步開(kāi)挖，掌子面與裂隙帶間距不斷減小，雖然未穿過(guò)裂隙帶，但是由于隧道掌子面臨空及排水，而使裂隙帶積壓的高水壓和掌子面之間形成了一定的聯(lián)通作用，超孔隙水壓力現(xiàn)象減弱直至消失，裂隙帶的水壓得到一定程度釋放。由于水力作用，掌子面仍處于敏感狀態(tài)。當(dāng)防突體厚度無(wú)法承受高水壓和高地壓的聯(lián)合作用時(shí)，涌水現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。

圖4 開(kāi)挖24 m 時(shí)的水壓值（單位：Pa）

3）發(fā)生階段。如圖5 所示，由于防突體過(guò)于薄弱，無(wú)法承受水壓，裂隙帶和隧道之間的流水“管道”被打通，裂隙帶積水通過(guò)掌子面涌入隧道，可以初步判定此時(shí)掌子面前方的防突體失效。從此過(guò)程中可以看出，在裂隙帶水侵入隧道后，裂隙帶水頭在空間上形成一個(gè)漏斗的形式。在這個(gè)漏斗之內(nèi)地層孔隙水壓力值為一個(gè)極低值，可以稱這個(gè)空隙水壓低值區(qū)為“泄水漏斗”。而掌子面產(chǎn)生失效的斷面和裂隙帶之間的距離，稱之為“臨界失效距離”，在這個(gè)距離之外為安全開(kāi)挖距離。

超靜孔隙水壓力是由于外部作用或者邊界條件變化在巖體中引起的不同于靜孔隙水壓力的那部分孔隙水壓力。在有排水條件下，它將逐漸消散，并在消散過(guò)程中伴隨巖體的體積變化。

4 防突體極限厚度的分析確定

本節(jié)分別用掌子面擠出位移、涌水量、塑性區(qū)體積及最大剪切應(yīng)變?cè)隽? 個(gè)指標(biāo)采用切線法對(duì)極限防突體厚度進(jìn)行了確定（見(jiàn)圖6—圖9）。以圖6 為例，以掌子面掘進(jìn)位置為橫坐標(biāo)，掌子面涌水量為縱坐標(biāo)繪制曲線。由曲線走勢(shì)可知，20＜x＜24 之間存在一拐點(diǎn)，掌子面在該點(diǎn)處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)做切線確定兩條切線的交點(diǎn)x坐標(biāo)，該點(diǎn)到裂隙密集帶的距離為極限防突體厚度。防突體極限厚度如表3 所示。

圖6 涌水量判定極限防突體厚度

圖7 掌子面位移判定極限防突體厚度

圖8 塑性區(qū)判定極限防突體厚度

圖9 剪切應(yīng)變判定極限防突體厚度

由表3 可知，4 個(gè)指標(biāo)得到的極限厚度分別為2.4、3.8、2.7、3.3 m，4 個(gè)指標(biāo)得到的結(jié)果存在一定的誤差。為確保掌子面的穩(wěn)定性，我們保守的取其中的最大值作為該種工況的防突體極限厚度，即3.8 m。

表3 防突體極限厚度表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立模型研究了富水隧道掌子面失穩(wěn)模式；基于突水突泥地層掌子面穩(wěn)定性分析力學(xué)模型，探明了掌子面滲透破壞以及失穩(wěn)過(guò)程；提出掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，明確了防突體極限厚度。