裂隙溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析

趙 蕾，鄔忠虎，婁義黎，王安禮

（1.貴州省水利投資集團（有限）責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

近年來，國家戰(zhàn)略發(fā)展西移，“西部大開發(fā)”正如火如荼的向前發(fā)展。西部水利水電的發(fā)展受到國家重視，貴州省最大水利工程樞紐——夾巖水利樞紐也隨之開始建設(shè)。貴州省地處于高山峽谷，迫使夾巖水利樞紐工程的建設(shè)需進行深埋地下超長隧道的開挖引水。而貴州省屬于典型喀斯特地貌，這種巖溶地貌為深埋隧道的建設(shè)帶來極大的挑戰(zhàn)，隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害是巖溶地區(qū)面臨的最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一[1～6]。巖溶地區(qū)地下暗河和充水隱伏溶洞是誘發(fā)隧道突水突泥的重要因素之一，在夾巖水利樞紐工程的引水隧道建設(shè)過程中就出現(xiàn)隱伏溶洞誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和工期延誤。因此，揭示巖溶地區(qū)隱伏溶洞誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的演化機理，可為巖溶隧道建設(shè)和隧道維護提供重要理論支撐。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對巖溶地區(qū)隱伏溶洞誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的機理做了大量的研究。這些研究主要集中于3個方面：第一，理論研究。對巖溶地區(qū)隱伏溶洞誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的圍巖開裂破壞的力學(xué)機制和工程現(xiàn)象進行研究[7-9]。第二，相似模擬研究。通過對隧道按要求建立相似模型，進而模擬巖溶隧道突水突泥災(zāi)害，研究其破壞過程[10-12]。第三，數(shù)值模擬研究。通過有限元方法模擬巖溶地區(qū)隱伏溶洞對隧道開挖的影響，分析其圍巖穩(wěn)定性[13，14]。目前，大多數(shù)研究將巖溶地區(qū)隱伏溶洞假想為球形、正方體和長方體等標準的立體形狀[15-17]，真實的溶洞并不是標準的立體形狀，而是不規(guī)則的立體形狀。

本文以夾巖水利樞紐工程的貓場隧洞突水區(qū)域為研究對象，利用滲流版巖石破裂過程分析系統(tǒng)（RFPA2D-Flow）模擬了巖溶地區(qū)不同充水條件下隱伏溶洞對隧道開挖的影響，研究了隧道開挖過程中災(zāi)害演化過程，突水的滲流路徑，并分析了隧道開挖過程中圍巖破壞的能量演化規(guī)律。研究結(jié)果將對巖溶地區(qū)隧道建設(shè)過程中開挖方式和隧道支護提供重要的理論支持，推進夾巖水利樞紐工程的建設(shè)。

1 工程概況

根據(jù)貓場隧洞災(zāi)害區(qū)域的地質(zhì)資料可以知道，隧洞上覆巖層為灰?guī)r，地表水系不發(fā)育，沖溝發(fā)育，沖溝多為樹枝狀，溝內(nèi)無水。涌水段樁號為隧11+316m，地面高程為1 635.00m（黃海高程，下同），埋深為340.00m。地下巖溶主要表現(xiàn)為溶洞，溶洞主要為充水裂隙溶洞，寬度為0.50～1.00m，可見延伸長度為10～20m，且垂直發(fā)育，與隧洞成大角度相交。經(jīng)過觀測巖溶管道枯水期涌水量為150L/s，巖溶管道位于隧洞頂板上游，巖溶管道高程為1 460.00m。

2 實驗方法

隨著研究的深入，解析解的求解難度加大，甚至無法求解，而物理實驗又具有很大的局限性，數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)推進了科學(xué)研究的進程，并被喻為第3種科學(xué)研究方法。RFPA2D-Flow假定巖石細觀單元滿足Weibull分布，認為單元性質(zhì)是線彈-脆性或脆-塑性的，單元的彈模和強度等其他參數(shù)服從某種分布，如正態(tài)分布、韋伯分布、均勻分布等。RFPA2D-Flow是基于有限元理論所建立可進行水利工程、巖土工程等領(lǐng)域中巖石（體）流固耦合問題的數(shù)值計算分析的數(shù)值模擬軟件。

本文根據(jù)貓場隧洞突水區(qū)域地質(zhì)資料建立了含隱伏溶洞的數(shù)值模型，如圖1所示。模型為二維數(shù)值模型（長為160.00m，高為100.00m），劃分為320×200個網(wǎng)格。模型受上覆載荷P=2MPa，圍壓為2MPa，裂隙溶洞寬為2.50m，高為26.00m，隧洞高度為8.00m，加載第二步開始開挖，每步開挖進程為2.50m。加載方式為力加載，初始值為2MPa，每部增量為0.3MPa，裂隙溶洞中水壓分別為 0MPa、1MPa、3MPa、5MPa，整個加載過程無支護。在模型四周設(shè)置滲流邊界，模型中以水為流體。

圖1 隧道開挖數(shù)值模擬圖

在該數(shù)值模型中假設(shè)巖層強度和彈性模量服從Weibull隨機分布[18]，即：

式（1）中：s表示材料細觀單元的屬性，如強度或彈性模量；s0與細觀單元參數(shù)的平均值有關(guān)；m表示材料的均質(zhì)度，m越大，材料越均勻。巖層的初始力學(xué)參數(shù)見表1。

4 結(jié)果及討論

4.1 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

裂隙溶洞在不同充水條件下對隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的影響如圖2所示。圖2展示了4種充水條件下隧道開挖過程中圍巖的變化過程。從圖2可以清楚的發(fā)現(xiàn)，裂隙溶洞中水壓對隧道開挖有著重要的影響，當水壓為0MPa、1MPa、3MPa時，裂隙溶洞嚴重制約隧道開挖進程。當裂隙溶洞沒有充水（0MPa）時，加載到Step15-02步（開挖步數(shù)為14步），隧道圍巖開始出現(xiàn)失穩(wěn)，繼續(xù)加載開挖至Step17-09步（開挖步數(shù)為16步），裂隙溶洞與隧道掌子面頂端連通，圍巖徹底失穩(wěn)。當裂隙溶洞中水壓為1MPa時，加載到Step14-02步（開挖步數(shù)為13步），隧道圍巖開始出現(xiàn)失穩(wěn)，加載開挖至Step16-08步（開挖步數(shù)為15步），裂隙溶洞與隧道掌子面頂端連通，并且隧道右邊拱頂出現(xiàn)裂紋，圍巖徹底失穩(wěn)，發(fā)生突水。當裂隙溶洞中水壓為3MPa時，加載步數(shù)到Step13-02步（開挖步數(shù)為12步），隧道圍巖開始出現(xiàn)失穩(wěn)，并在裂隙溶洞底部有微裂縫萌生，加載開挖至Step16-03步（開挖步數(shù)為15步），裂隙溶洞與隧道掌子面頂端連通，并且掌子面上方圍巖出現(xiàn)多條裂縫，隧道中部底板破裂，圍巖徹底失穩(wěn)，發(fā)生突水和危石垮塌。當裂隙溶洞中水壓為5MPa時，由于水壓過大，裂隙溶洞周圍巖體發(fā)生嚴重軟化，加載1步就發(fā)生破壞。綜上所述，當裂隙溶洞中水壓在3MPa以下，隧道開挖圍巖出現(xiàn)兩個失穩(wěn)過程，第一階段，加載前期由于上覆載荷作用，圍巖失穩(wěn)，在這個過程需要正常支護。第二階段，開挖至裂隙溶洞附近，圍巖嚴重失穩(wěn)，需要強支護。隨著水壓的增大，圍巖破壞速度加快，圍巖破壞程度加大。

表1 頁巖數(shù)值模型參數(shù)[19]

圖2中AE圖為突水點的聲發(fā)射圖。在發(fā)生突水過程中，裂隙溶洞與隧道之間圍巖主要發(fā)生拉伸破壞，并伴隨著極少的剪切破壞。加載開挖過程中由于裂隙溶洞不規(guī)則，在裂隙溶洞底部尖端和隧道掌子面頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖抗壓不抗拉，當應(yīng)力達到抗拉強度時，圍巖發(fā)生破壞。

圖2 不同水壓條件下隧道圍巖破裂過程

圖3 隧道圍巖破裂的滲流梯度和滲流路徑

將隧道加載開挖過程中的滲透梯度和滲流路徑繪制于圖3，其中顏色越亮水頭越大?？梢园l(fā)現(xiàn)水壓對隧道圍巖的影響顯著，裂隙溶洞沒有水壓時（0MPa），裂隙溶洞與隧道之間的圍巖破壞比較單一。當裂隙溶洞中含有水壓時，隧道開挖嚴重影響滲流場在巖層中的分布，滲透梯度分布發(fā)生變化，隧道圍巖附近的滲透梯度較大，圍巖軟化程度較大。當裂隙溶洞中沒有水壓時，沒有出現(xiàn)滲流路徑，隧道開挖過程中只出現(xiàn)了圍巖垮塌現(xiàn)象。當裂隙溶洞中水壓為1MPa時，裂隙溶洞與隧道之間的隔水層出現(xiàn)滲流路徑，路徑較單一，隧道開挖過程中發(fā)生突水。當裂隙溶洞中水壓為3MPa時，裂隙溶洞與隧道之間的隔水層出現(xiàn)多條滲流路徑，且路徑復(fù)雜，隧道開挖過程中發(fā)生突水，嚴重則會出現(xiàn)掌子面垮塌。綜上所述，裂隙溶洞中水壓在3MPa以下時，隨著水壓的增加滲流路徑越復(fù)雜，突水災(zāi)害越嚴重。

4.2 隧道圍巖能量演化分析

通過對是隧道開挖過程中隧道圍巖破裂聲發(fā)射數(shù)據(jù)的收集，并將其與加載步數(shù)的關(guān)系繪制于圖4。關(guān)于RFPA聲發(fā)射收集原理在文獻[20，21]中有詳細的闡述，限于篇幅原因，這里就不做過多的敘述。由于水壓為5MPa時，巖層1步破壞，這里沒有繪制其聲發(fā)射圖。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，當裂隙溶洞中沒有水壓時，加載至14步時出現(xiàn)微小單元的破裂，釋放聲發(fā)射能量，但能量值太小，直至加載到17步時，圍巖中微裂縫貫通，形成宏觀破壞，釋放大量能量，聲發(fā)射能量值快速增大，加載至18步后聲發(fā)射能量緩慢增加，但加載到20步后新的裂紋產(chǎn)生并貫通，出現(xiàn)聲發(fā)射能量二次激增。當裂隙溶洞中水壓為1MPa時，加載至13步時圍巖出現(xiàn)微破裂，加載到16步時圍巖中微裂縫貫通形成宏觀裂縫，聲發(fā)射能量值激增，在這之后，聲發(fā)射能量值緩慢增加，繼續(xù)加載至20步時，圍巖繼續(xù)破壞，聲發(fā)射能量值二次激增。當裂隙溶洞中水壓為3MPa時，加載至13步出現(xiàn)圍巖微破裂，繼續(xù)加載至16步時，圍巖中微裂縫貫通，形成宏觀裂縫，聲發(fā)射能量值激增，繼續(xù)加載，并沒有出現(xiàn)繼續(xù)破裂的現(xiàn)象，這是因為水壓為3MPa下隧道圍巖在16步是已經(jīng)發(fā)生徹底破壞，因此，并沒有出現(xiàn)二次破壞現(xiàn)象。從上面的分析發(fā)現(xiàn)隨著水壓的增加，圍巖破壞越徹底，發(fā)生災(zāi)害越嚴重。隧道開挖過程中，圍巖破壞釋放能量可以分為兩種演化規(guī)律：

（1）當裂隙溶洞中存在低水壓（0MPa、1MPa）時，隧道圍巖破壞釋放的能量表現(xiàn)為平緩-激增-平緩-激增的變化規(guī)律。

（2）當裂隙溶洞中存在高水壓（3MPa）時，隧道圍巖破壞釋放的能量表現(xiàn)為平緩-激增的變化規(guī)律。

圖4 不同水壓條件下隧道圍巖過裂過程的聲發(fā)射與步數(shù)的關(guān)系

綜上分析可知，在不同水壓條件下隧道圍巖破壞釋放能量出現(xiàn)了兩種演化規(guī)律，這主要歸因于水壓的作用。當水壓較低（0MPa、1MPa）時，圍巖受滲透液的軟化作用影響較小，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，進而在加載過程中，大量微裂紋貫通，圍巖失穩(wěn)，能量出現(xiàn)二次激增；當水壓較高（3MPa）時，圍巖受滲透液的軟化作用影響較大，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，圍巖力學(xué)性能降低，在加載過程中，圍巖直接發(fā)生失穩(wěn)破壞，并沒有出現(xiàn)能量的二次激增。

圖5為不同水壓條件下隧道圍巖破壞釋放的能量隨步數(shù)的變化曲線。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當裂隙溶洞中沒有水壓和水壓為1MPa時，圍巖破壞所釋放的能量變化規(guī)律相似，這與上面的分析是一致的。并且0MPa和1MPa水壓條件下圍巖破壞所釋放的能量相差不大。當裂隙溶洞中水壓為3MPa時，隧道圍巖發(fā)生徹底破壞，釋放出很大的能量。

圖5 不同水壓條件下隧道圍巖聲發(fā)射能量值與步數(shù)的關(guān)系

通過對是隧道開挖過程中隧道圍巖破裂的聲發(fā)射分析可以發(fā)現(xiàn)，圍巖破壞會釋放能量，且有規(guī)律可循，當裂隙溶洞中沒有水壓或存在水壓1MPa，即低水壓時，圍巖破壞的能量雖是平緩-激增-平緩-激增的演化規(guī)律，但在激增之前仍存在能量的緩增。當裂隙溶洞中水壓為3MPa時，圍巖破壞釋放能量的演化規(guī)律為平緩-激增的變化趨勢，雖在激增之前也存在圍巖微破裂，但聲發(fā)射能量曲線斜率較大，激增的速度很快。通過以上分析可知，當裂隙溶洞中存在低水壓時，隧道開挖圍巖破壞能量的監(jiān)測可以有效的預(yù)防隧道突水等災(zāi)害的發(fā)生。當裂隙溶洞中存在高水壓時，雖然圍巖破壞釋放能量可測，但滲透液對圍巖軟化作用較強，圍巖破壞迅速，發(fā)生災(zāi)害的強度較大，因此，這種條件下在隧道開挖前需做足應(yīng)對準備。

5 結(jié)論

本研究針對貴州巖溶地區(qū)開展了充水裂隙溶洞對隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的研究，取得如下結(jié)論：

（1）裂隙溶洞中水壓的存在對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響顯著。在水壓為3MPa以下時，隨著水壓的增大，隧道圍巖破壞程度越大，破壞速度越快，滲流路徑越復(fù)雜，發(fā)生的突水災(zāi)害越嚴重。

（2）裂隙溶洞不同充水條件下，隧道圍巖破裂過程的能量演化規(guī)律不同。當裂隙溶洞存在低水壓（0MPa、1MPa）時，圍巖破壞釋放的能量表現(xiàn)為平緩-激增-平緩-激增的演化規(guī)律。當裂隙溶洞存在高水壓（3MPa）時，圍巖破壞釋放的能量表現(xiàn)為平緩-激增的演化規(guī)律。

（3）對于裂隙充水型溶洞，其與隧道之間的圍巖破壞過程能量釋放具有明顯的前兆特征。后期的研究可重點圍繞圍巖微震監(jiān)測開展巖溶地區(qū)不同地應(yīng)力、溶洞類型等進行監(jiān)測，為預(yù)防隧道突水、危石垮塌提供重要的理論依據(jù)。