武世燕

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國西南地區(qū)鐵路、公路和水利工程建設(shè)的發(fā)展，巖溶區(qū)深長隧道工程越來越多[1]。因在巖溶地區(qū)富水地段修建深長隧道的技術(shù)尚不成熟，且受巖溶發(fā)育的復(fù)雜性和隧道工程地質(zhì)勘察工作的復(fù)雜性影響，工程設(shè)計期間往往無法準確預(yù)測對隧道影響較大的大型巖溶[2-5]。在隧道掘進過程中會破壞含水或潛在含水圍巖，其內(nèi)部的水流將沖進隧道施工場地，甚至?xí)斐扇藛T的傷亡和機械的損壞，從而造成嚴重的事故。例如： 在野三關(guān)隧道修建過程中，曾發(fā)生過涌水量為30.2×104m3/h的突水事故，導(dǎo)致4人死亡和1人失蹤，經(jīng)濟損失巨大[6]。巖溶區(qū)隧道突水災(zāi)害危害大，對巖溶區(qū)隧道突水災(zāi)害的針對性防控措施進行研究非常有必要。

在巖溶區(qū)域修建隧道時，當(dāng)施工揭露或即將揭露巖溶含水構(gòu)造時，擾動作用下受阻隔水巖盤會發(fā)生突發(fā)性破壞，積蓄的大量能量會突然釋放，致使巖溶水及填充物涌入隧道空間發(fā)生大規(guī)模突水事故[7]。其中，突水和涌水多發(fā)生于風(fēng)化破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶[8-10]。而在隧道巖溶涌水突水段，研究隔水巖盤的臨界值是降低突涌水災(zāi)害的重要途徑，安全巖盤厚度是制定預(yù)防隧道突涌水災(zāi)害措施的重要技術(shù)參數(shù)。在巖溶隧道前方遇到富水溶腔時，預(yù)測或計算施工安全最短距離[11-13]，以便當(dāng)開挖至與溶洞距離小于安全距離時及時停止掘進，并進行超前支護或預(yù)處理手段[14-15]，對巖溶隧道安全施工具有重要意義。Zhang等[16]根據(jù)巖溶發(fā)育特點和地質(zhì)勘察資料提出一種巖溶區(qū)隧道突水的風(fēng)險評估模型； 武鑫等[17]運用層次分析-模糊綜合評價法對巖溶塌陷易發(fā)程度進行評價，這種評價方法使巖溶塌陷的風(fēng)險評估從定性化過渡到定量化； 李利平等[18]、毛邦燕等[19]、Li等[20]基于小波分析和模糊數(shù)學(xué)理論分別提出了不同巖溶隧道突水的風(fēng)險評估體系； Zhou等[21]根據(jù)灰色理論構(gòu)建了巖溶區(qū)隧道突水風(fēng)險評價模型； Wang等[22]、周宗青等[23]、李術(shù)才等[24]、Li等[25]分別通過隧道突水案例歸納了影響巖溶區(qū)隧道突水的主要因素，并建立了巖溶隧道突水風(fēng)險評估體系； Alija等[26]根據(jù)西班牙巖溶區(qū)的Gavarres隧道施工過程，總結(jié)了巖溶區(qū)隧道施工遇到的問題和處理方法。

關(guān)于隧道與溶洞安全距離問題： 曹茜[27]采用正交設(shè)計方案對隧道與溶洞安全距離進行了研究，得到圍巖級別、巖體側(cè)壓力系數(shù)、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深對安全距離的影響程度及規(guī)律； 郭佳奇[28]基于巖體抗剪、抗彎強度準則，構(gòu)建了巖層最小防突厚度計算方法； 舒佳軍等[29]研究了前伏不同角度富水溶洞下節(jié)理隧道最小防突層厚度，提出含節(jié)理隧道掌子面最小防突層厚度計算方法； 干昆蓉等[30]針對具體工程，在分析安全巖盤厚度影響因素的基礎(chǔ)上，提出了安全巖盤厚度經(jīng)驗值； 李濤等[2]采用基于連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值計算方法的高性能軟件GDEM-DAS開展三維數(shù)值模擬研究,通過分析掌子面的位移演化規(guī)律，獲得不同水壓下隔水巖體的安全厚度； 雷霆等[31]利用數(shù)值軟件進行三維隧道開挖模擬,分析了頂部溶洞與隧道掌子面附近圍巖塑性區(qū)的發(fā)展趨勢,以及不同溶洞水壓下隧道的安全厚度。

關(guān)于隧道與溶洞隔水巖盤安全距離研究已取得顯著進展，但前期研究多將溶洞進行了簡化處理，有的忽視了不同圍巖級別的差異性影響[32-35]。可見，確定合理化的隧道與溶洞安全距離，應(yīng)綜合考慮巖體級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤的影響，并需基于經(jīng)濟性考量其最優(yōu)隔水巖盤厚度。據(jù)此，本文圍繞深長巖溶隧道存在的突涌水災(zāi)害，開展最優(yōu)隔水巖盤厚度預(yù)測分析。首先，針對含水溶腔溶洞的能量儲存、地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放和施工擾動的觸發(fā)，分析巖溶區(qū)隧道突涌水形成機制，獲得影響隔水巖盤設(shè)計厚度的控制指標； 隨后，針對深長巖溶隧道特殊賦存地質(zhì)環(huán)境，開展溶洞溶腔和隧道空間關(guān)系系統(tǒng)歸納，并以巖溶溶腔與隧道正交位置關(guān)系為例，采用PLAXIS 3D有限元軟件分析隧道圍巖級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤設(shè)計厚度的影響規(guī)律； 最后，推導(dǎo)出不考慮溶腔體積和考慮溶腔體積2種情況下的隔水巖盤最優(yōu)設(shè)計厚度表達式。

1 巖溶區(qū)隧道突涌水形成機制

1.1 含水溶腔溶洞的能量儲存

溶腔溶洞中常可形成水壓高、水量大的地下水體，這些水體可能與地表河、湖等相連。巖體中儲存的大量地下水除了靜水壓力較高外，其他應(yīng)力的綜合作用也會使巖體儲存較大的能量。在巖溶區(qū)隧道開挖過程中必然釋放應(yīng)力，引起地下水向隧道內(nèi)涌入從而形成突涌水，其中大量的泥、砂或碎塊將通過這些通道一起涌入隧道內(nèi)。在巖溶區(qū)隧道隔水巖盤設(shè)計時，需要密切監(jiān)測溶腔溶洞中的能量儲存狀況。

1.2 地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放

雖然溶腔溶洞中儲存了大量能量，但隧道突涌水是否發(fā)生，主要取決于水壓及相對隔水層的厚度。靜水壓力與動水壓力對隔水巖盤改造作用如圖1所示。靜水壓力與動水壓力都能使巖體發(fā)生水力劈裂，從而增加滲透能力。動水壓力還能使裂隙面上的充填物發(fā)生變形和位移，導(dǎo)致裂隙或裂紋的連通性增強，造成更大災(zāi)害。

(a) 靜水壓力(無滲流) (b) 動水壓力(滲流)

不同類型圍巖被涌水突破所需的最小突水量差別較大。完整并且厚度大的巖體可以承受較大水壓；而破碎和薄層巖體可以承受的水壓力相對要小很多，抗突水和涌水的能力較低。不同類型圍巖對應(yīng)的隔水巖層厚度存在差異。

1.3 施工擾動的觸發(fā)

隧道開挖施工不可避免地會擾動地下巖土體，解除了掌子面的側(cè)向壓力，使溶腔與隧道圍巖失去原有的平衡狀態(tài)，并向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，圍巖的應(yīng)力調(diào)整使巖體達到極限承載能力后便發(fā)生屈服。

開挖隧道周圍所形成的塑性區(qū)和巖溶管道周圍的塑性區(qū)相互貫通是巖溶突水突泥的必要條件。當(dāng)2個塑性區(qū)連通并產(chǎn)生一定的位移量時必然會造成突水災(zāi)害，這是巖溶隧道施工誘發(fā)突水以及災(zāi)難性后果的根本原因。隧道向溶腔方向掘進時圍巖塑性區(qū)變化如圖2所示。

(a) 第1階段 (b) 第2階段

(c) 破壞前 (d) 破壞后

總體而言，深長巖溶隧道突涌水災(zāi)害與隧道周邊圍巖級別、溶洞溶腔內(nèi)水壓力大小、溶腔尺寸密切相關(guān)，此外還應(yīng)受到施工擾動的觸發(fā)。

2 溶洞溶腔與隧道空間關(guān)系

巖溶本身的發(fā)育是不規(guī)則的，但根據(jù)巖溶溶腔(溶洞)與隧道在空間分布的主要位置關(guān)系，可總體概括為溶腔與洞軸線正交、斜交和平行3類，如圖3所示。巖溶隧道最小巖盤厚度與空間關(guān)系密切相關(guān)。

(a) 溶腔與隧道軸線正交

1)正交模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)呈近似垂直，隧道掘進過程產(chǎn)生擾動裂隙，其對應(yīng)的最小隔水巖盤厚度是指計算獲得的隔水巖盤厚度減去施工擾動產(chǎn)生的縱向裂隙區(qū)范圍(近似取掌子面前方塑性區(qū)范圍)后的完整巖層厚度值。此外，還需要充分考慮巖溶溶腔(溶洞)內(nèi)水壓力值，以及由此產(chǎn)生的滲透壓力。該模式對應(yīng)的隔水巖盤厚度要求最大，相應(yīng)安全等級最高。

2)斜交模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)的整體形態(tài)呈斜交分布，且隧道后期掘進距離巖溶溶腔(溶洞)越來越近；同樣，隧道掘進產(chǎn)生擾動裂隙，但因與巖溶溶腔(溶洞)未垂直，確定該最小隔水巖盤厚度需以距離掌子面最薄巖盤為標準，并減去該斷面上擾動裂隙區(qū)厚度。巖溶溶腔(溶洞)內(nèi)水壓力及對應(yīng)的滲透壓力也是確定隔水巖盤厚度必須要考慮的因素。

3)平行模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)的走向大體呈平行分布，隧道后期掘進不會與巖溶溶腔(溶洞)貫通。在確定該最小隔水巖盤厚度時，需減去施工擾動產(chǎn)生的環(huán)向裂隙發(fā)育范圍，可近似取隧道洞周塑性區(qū)范圍。巖溶溶腔(溶洞)內(nèi)水壓力及對應(yīng)滲透壓力也必須要考慮，但該模式對應(yīng)的隔水巖盤厚度相對固定，處理手段相對常規(guī)。

3 隔水巖盤設(shè)計厚度控制指標分析

針對巖溶溶腔(溶洞)與隧道在空間分布的3種位置關(guān)系，以危險等級最高的正交模式為例，開展影響隔水巖盤設(shè)計厚度的控制指標數(shù)值分析。

3.1 巖體級別對隔水巖盤厚度影響

基于現(xiàn)場地應(yīng)力測試得到巖體初始地應(yīng)力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa，各級圍巖巖體力學(xué)參數(shù)參考GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》。本文提出的模型屬于反映其不同圍巖級別的概化模型，主要用于獲得不同圍巖級別下的最小隔水巖盤厚度。隧道尺寸依據(jù)現(xiàn)場實測獲得，溶腔最大尺寸為隧道3倍跨度，并將溶腔形態(tài)簡化為立方體，水壓力均勻施加于溶腔內(nèi)表面。關(guān)于激活及鈍化問題，依據(jù)常規(guī)的隧道開挖數(shù)值模擬處理方法，即開挖后采用Null單元體替代。針對不同巖性，設(shè)計正交3種工況。不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度計算工況如表1所示。溶腔水壓1.0 MPa條件下不同圍巖級別對應(yīng)的最小隔水巖盤厚度如圖4所示。溶腔水壓3.0 MPa條件下不同圍巖級別對應(yīng)的最小隔水巖盤厚度如圖5所示。

表1 不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度計算工況

不同圍巖級別下的隔水巖盤安全厚度如表2所示。

由圖4、圖5及表2可知：

1)隨著巖體質(zhì)量的降低，臨界隔水巖盤厚度逐步增大，其破壞形式逐漸由張拉破壞變?yōu)榧羟小埨茐?，且隔水巖盤的屈服比例逐漸增大。同時，臨界隔水巖盤的最大位移點位于斷面中心處，沿水平方向，且與掘進方向相反；巖盤臨界失穩(wěn)時，最大位移量為2～5 mm，位移方向為開挖區(qū)域方向。

2)溶腔水壓不同時(1.0 MPa和3.0 MPa)，臨界失穩(wěn)隔水巖盤屈服形態(tài)類似，且最大位移量差別不大； 但在水壓較高情況下，隔水巖盤臨界失穩(wěn)時塑性區(qū)范圍略大。

3)在其他參數(shù)相同的條件下，隨著巖體級別的降低，隔水巖盤的安全厚度大致呈指數(shù)函數(shù)形態(tài)增長，且溶腔水壓力較大時，增長速率較高； 但當(dāng)巖體強度增大時，安全巖盤厚度呈冪函數(shù)形態(tài)減小。

(a) Ⅱ級圍巖(Dmin=2 m)

(b) Ⅲ級圍巖(Dmin=2 m)

(c) Ⅳ級圍巖(Dmin=3 m)

3.2 溶腔水壓力對隔水巖盤厚度影響

溶腔水壓力的大小也是影響隔水巖盤厚度的重要參數(shù)，分別取不同工況對溶腔水壓下的安全巖盤厚度進行分析。不同溶腔水壓下隔水巖盤安全厚度計算工況如表3所示，詳細計算結(jié)果如圖6和圖7所示。其中，在溶腔水壓為5 MPa時，Ⅳ級圍巖最小隔水巖盤厚度過大，因而未進行對比考慮。

(a) Ⅱ級圍巖(Dmin=3 m)

(b) Ⅲ級圍巖(Dmin=3 m)

(c) Ⅳ級圍巖(Dmin=8 m)

取巖體初始地應(yīng)力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa； 僅考慮Ⅱ級、Ⅳ級圍巖，且溶腔最大尺寸取隧道3倍跨度左右。其中，溶腔水壓1.0 MPa對應(yīng)的最小隔水巖盤厚度如圖4(a)Ⅱ級圍巖及圖4(c)Ⅳ級圍巖所示，在此不贅述。

表2 不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度

表3 不同溶腔水壓下隔水巖盤安全厚度計算工況

(a) Ⅱ級圍巖3 MPa(Dmin=3 m)

(b) Ⅱ級圍巖5 MPa(Dmin=5 m)

Ⅳ級圍巖3 MPa(Dmin=8 m)

不同溶腔水壓條件下的隔水巖盤安全厚度如表4所示。

表4 不同溶腔水壓條件下隔水巖盤安全厚度

由圖6、圖7及表4可知：

1)與掌子面前方無大型富水溶腔情況相比，存在溶腔時隔水巖盤的屈服狀態(tài)都以拉、剪破壞為主，有溶腔時隔水巖盤最大位移略小，主要原因是由于有溶腔時巖體水平向地應(yīng)力小于無溶腔時的巖體水平地應(yīng)力。

2)在其他參數(shù)相同的條件下，隨著溶腔水壓的增大，隔水巖盤安全厚度大致呈指數(shù)函數(shù)形態(tài)增長，且?guī)r體質(zhì)量較差時，安全巖盤厚度增長速率較高。

3.3 溶腔尺寸對隔水巖盤厚度影響

溶腔大小對隧道圍巖的應(yīng)力場狀態(tài)存在一定的影響，可能進一步影響隔水巖盤安全厚度。分別取不同工況對溶腔體積下的安全巖盤厚度進行分析。溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算工況如表5所示，詳細計算結(jié)果如圖8所示。

取巖體初始地應(yīng)力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa； Ⅱ級圍巖巖體力學(xué)參數(shù)同上； 溶腔水壓力為1 MPa，單線鐵路隧道的高度為11 m、跨度為7.6 m。

不同溶腔尺寸下的隔水巖盤安全厚度如表6所示。

由圖8及表6可知：

1)當(dāng)溶腔體積增大至溶腔斷面高跨為隧道5倍以前，隔水巖盤安全厚度一致，且其屈服狀態(tài)由拉剪破壞變?yōu)閱渭兊膹埨茐?，而隨著溶腔體積的繼續(xù)增大，隔水巖盤安全厚度也隨之增大，其屈服狀態(tài)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

表5 溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算工況

2)在其他參數(shù)相同的條件下，隨著富水溶腔體積的增大，隔水巖盤的安全厚度有所增長，但規(guī)律性不強，說明溶腔體積對巖盤安全厚度的影響相對較小。

3)溶腔體積變化時，主要通過其空間效應(yīng)引起隧道圍巖應(yīng)力和變形情況的變化，但當(dāng)其變化范圍有限時，對隧道圍巖的影響能力變化不大，因此與巖體級別和溶腔水壓相比，溶腔體積對隔水巖盤安全厚度的影響較小。

4 隔水巖盤最優(yōu)設(shè)計厚度確定

4.1 隔水巖盤最優(yōu)設(shè)計厚度理論

通過對不同工況下巖溶隧道最小隔水巖盤進行對比分析，研究了隔水巖盤厚度控制因素。為更方便地對隔水巖盤安全厚度進行預(yù)測，對以上模擬工況計算結(jié)果進行回歸分析。現(xiàn)分別選取巖體單軸抗壓強度、溶腔水壓力、溶腔與每延米隧道體積比為主要參量，對隔水巖盤安全厚度回歸進行分析，回歸數(shù)據(jù)如表7所示?；貧w分析過程中對回歸變量進行量綱一化，令：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：s為比值；σmc為巖體的抗壓強度，MPa；p為溶腔水壓，MPa；c為巖體黏聚力，MPa;φ為內(nèi)摩擦角，(°)；V溶腔、V隧道分別為溶腔體積及每延米隧道體積，m3；v為溶腔體積比。

考慮溶腔體積相對較小時，對隔水巖盤安全厚度影響較小，故分為不考慮溶腔體積影響和考慮溶腔體積影響2種情況進行分析。

4.1.1 不考慮溶腔體積影響

當(dāng)溶腔體積相對較小時，不考慮溶腔的影響，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對數(shù)回歸。ln (σmc/p)與lnh統(tǒng)計如圖9所示?？傻玫礁羲畮r盤安全厚度

(4)

式中4為經(jīng)驗系數(shù)，m。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

表6 溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算結(jié)果

當(dāng)溶腔與隧道軸線大角度斜交時，可根據(jù)實際情況對式(4)進行修正，得到

(5)

式中k為修正系數(shù)，建議取0.5～1。

4.1.2 考慮溶腔體積影響

當(dāng)溶腔體積較大時，宜考慮溶腔對隔水巖盤厚度的影響，回歸得到

(6)

式中2.8為經(jīng)驗系數(shù)，m。

當(dāng)溶腔與隧道軸線大角度斜交時，可根據(jù)實際情況對式(6)進行修正，得到

(7)

根據(jù)式(5)和式(7)可以得出：v小于86.35時，不考慮溶腔體積影響;v大于86.35時，考慮溶腔體積影響。

該公式回歸數(shù)據(jù)難以涵蓋所有的工況，其適用范圍如下： 巖體級別為Ⅱ—Ⅳ級，水壓為0.5～5 MPa，溶腔與隧道軸線近似正交，且溶腔斷面大于等于隧道斷面。

4.2 圓梁山隧道隔水巖盤最優(yōu)設(shè)計厚度驗證

采用不同的安全巖盤厚度計算方法，與圓梁山隧道DK354+460溶腔情況進行對比，圓梁山隧道在下導(dǎo)坑DK354+460采用風(fēng)鉆鉆孔時，由鉆孔內(nèi)射出高壓水，射程約30 m，水呈鐵銹色，含大量泥砂，于是立即停止施工，施作C20混凝土止?jié){墻。隨后，采用地質(zhì)鉆機進行超前探孔，當(dāng)探孔鉆至4 m時，又發(fā)生突發(fā)性涌水噴砂，涌水噴砂將鉆桿沖出8 m，瞬時涌水量達到860 m3/h，該現(xiàn)象持續(xù)6 h后基本穩(wěn)定，涌水量減少到40 m3/h，該次涌砂量約1 300 m3。據(jù)此，判定前方存在大型高壓溶洞，下導(dǎo)坑施工中采取了注漿加固方案。經(jīng)測量，該溶腔水壓達2.73 MPa。

表7 不同工況下隔水巖盤安全厚度數(shù)據(jù)

對安全巖盤厚度進行計算及進行工程驗證。由于缺乏圓梁山隧道DK354+460圍巖級別及其力學(xué)參數(shù)，在不同的圍巖級別下取不同的物理力學(xué)參數(shù)，估算確定隧道圍巖的安全巖盤厚度，具體計算結(jié)果如表8所示?？梢钥闯觯?由式(4)得到的巖盤厚度為1.2 m(Ⅲ級圍巖)、5.9 m(Ⅳ級圍巖)； 由式(6)得到的巖盤厚度為6.2 m(Ⅲ級圍巖)、14.1 m(Ⅳ級圍巖)； 由式(7)得到的巖盤厚度為3.3 m(Ⅲ級圍巖)、5.1 m(Ⅳ級圍巖)。在圓梁山隧道的施工中，預(yù)留隔水巖盤厚度為4 m。在未擾動巖體時，未出現(xiàn)涌水?？梢?，4 m的預(yù)留隔水巖盤厚度為其臨界值，由上述公式計算得到的安全厚度值相對合理。

5 結(jié)論與討論

1)針對含水溶腔溶洞的能量儲存、地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放和施工擾動的觸發(fā)，分析了巖溶區(qū)隧道突涌水形成機制。

2)最小巖盤厚度與溶洞溶腔及隧道空間關(guān)系密切相關(guān)，將溶洞溶腔與隧道空間關(guān)系概括為溶腔與隧道軸線正交、斜交和平行3類，其中正交模式對應(yīng)的隔水巖盤厚度要求最大，相應(yīng)安全等級最高。

3)以溶腔與隧道軸線正交模式為例，采用數(shù)值模擬方法，分析了隧道圍巖級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤設(shè)計厚度的影響規(guī)律。

表8 圓梁山隧道DK354+460斷面安全巖盤厚度計算結(jié)果

4)基于控制指標影響作用規(guī)律，推導(dǎo)出不考慮溶腔體積和考慮溶腔體積2種情況下的隔水巖盤最優(yōu)設(shè)計厚度表達式，利用本文公式對圓梁山隧道DK354+460溶腔情況進行計算對比，結(jié)果表明安全厚度值相對合理，預(yù)測的巖溶區(qū)隧道隔水巖盤安全厚度可以作為參考。