富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒嗟呐R界判據(jù)

陳澤龍 崔江余 王軍 杜濤 李遷

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071）

富水?dāng)鄬訋撬淼澜ㄔO(shè)中導(dǎo)致突水突泥的主要災(zāi)害源，若能及時(shí)預(yù)判突水突泥時(shí)間，便可及時(shí)采取措施。文獻(xiàn)［1-2］揭露了富水?dāng)鄬訋凰荒嗍菨B流-侵蝕強(qiáng)耦合過程；文獻(xiàn)［3］研究了地震波和電磁場遇到巖溶水體和不良地質(zhì)體時(shí)前兆信號(hào)信息；文獻(xiàn)［4］采用有限元法分析了隧道圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律；文獻(xiàn)［5］分析了圍巖滲流場、應(yīng)力場和位移場的分布特性，探究了隧道穿越富水?dāng)鄬訋У耐凰荒鄼C(jī)理；文獻(xiàn)［6］研究了富水?dāng)鄬訋φ谱用鎺r體位移和前方巖體松動(dòng)圈的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［7］結(jié)合工程實(shí)例，研究了水文條件和地質(zhì)構(gòu)造因素對隧道仰拱處涌突水影響規(guī)律。文獻(xiàn)［8］分析得到涌水突泥是由于隧道開挖產(chǎn)生大量新裂隙，圍巖條件惡化與地下水發(fā)育相互作用的結(jié)果。

上述研究主要集中于富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒鄼C(jī)理和超前預(yù)報(bào)技術(shù)，從多指標(biāo)考慮突水突泥臨界判據(jù)的研究較少。鑒于此，本文以和順至邢臺(tái)鐵路天河山隧道為背景，采用數(shù)值模擬的方法綜合分析隧道掌子面臨近富水?dāng)鄬訋н^程中掌子面最大擠出變形、拱頂沉降、最大滲流速度和掌子面前方塑性區(qū)分布發(fā)展規(guī)律，探究富水?dāng)鄬訋淼劳凰荒嗯R界判據(jù)。

1 工程概況

天河山隧道起止里程D2K33+710—D2K45+405，隧道長度11 695 m，洞徑5.96 m，為單線隧道。一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，水頭高度0～300 m。

隧道穿越地層主要為第四系上更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土和角礫土、震旦系下統(tǒng)串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。砂巖呈灰黃色、灰白色、灰紫色，不同時(shí)段巖質(zhì)成分差別較大，多為硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，部分含泥質(zhì)。砂巖有泥痕和泥裂，巖質(zhì)堅(jiān)硬，細(xì)?！写至＝Y(jié)構(gòu)，薄層～厚層狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，單軸飽和抗壓強(qiáng)度35 MPa，基本承載力1 200 kPa。

隧址區(qū)位于太行山區(qū)，蘊(yùn)含豐富的地下水。地下水主要為巖溶裂隙水、構(gòu)造裂隙水及砂巖層間水。巖溶裂隙水與砂巖層間水呈層狀分布，通過構(gòu)造帶聯(lián)通，形成補(bǔ)給和排泄關(guān)系。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定和計(jì)算工況

基于FLAC 3D 流固耦合功能，采取弱化法模擬斷層帶。假定：①將各類巖土體視為各向同性的均質(zhì)連續(xù)滲透介質(zhì)；②隧道開挖前巖體內(nèi)孔隙水為靜止?fàn)?，自由水面以下巖體均為飽和態(tài)，開挖后地下水流動(dòng)服從達(dá)西定律，地下水滲流為穩(wěn)定狀態(tài)下的單相飽和流；③巖土體釆用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，滿足彈塑性變形規(guī)律；④不考慮構(gòu)造地應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力的影響，通過上覆土層自重模擬隧道埋深；⑤開挖方法僅按全斷面加初期支護(hù)進(jìn)行模擬。

分為無斷層帶和有斷層帶2 種工況，對比分析隧道突水突泥臨界判據(jù)。

2.2 模型的建立與參數(shù)的選取

隧道斷面形狀根據(jù)《和邢施隧04-29：天河山隧道Ⅲa 型一般錨固段襯砌斷面圖》選取，斷面高8.94 m，寬5.96 m。

隧道洞口上下左右各取5 倍洞徑，則模型寬為80 m，高為100 m，隧頂距模型上表面45 m。在隧道長度方向，斷層帶前后圍巖取20 m，斷層帶厚度20 m，隧道長度共60 m。斷層帶產(chǎn)狀取90°，斷層帶與隧道軸線夾角取90°。數(shù)值分析模型見圖1。

圖1 數(shù)值分析模型

邊界條件由位移、應(yīng)力和水力邊界條件組成。左右前后施加法向位移約束，下部施加三向位移約束，上部按上覆土自重施加豎向應(yīng)力。初始孔隙水壓力設(shè)為靜水壓力，呈梯度分布，隧頂水壓3 MPa。計(jì)算模型上表面、掌子面和施作初期支護(hù)前的隧道表面為透水邊界，其余為非透水邊界。

計(jì)算參數(shù)依據(jù)《天河山隧道地質(zhì)勘察報(bào)告》和TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］確定，見表1。砂巖按Ⅲ級圍巖處理。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 掌子面最大擠出變形

圖2 掌子面最大擠出變形與開挖距離關(guān)系曲線

掌子面最大擠出變形與開挖距離的關(guān)系曲線見圖2?？芍孩贌o斷層帶工況，隧道在砂巖中開挖5～45 m 時(shí)掌子面最大擠出變形基本穩(wěn)定在10.3 mm。開挖45～60 m時(shí)掌子面最大擠出變形呈減小-增大-減小趨勢變化。②有斷層帶工況，開挖0～16 m 時(shí)掌子面最大擠出變形基本穩(wěn)定在10 mm，隨著開挖的進(jìn)行，距斷層帶距離小于4 m 時(shí)掌子面最大擠出變形快速增大，最大達(dá)到600 mm。

3.2 掌子面處拱頂沉降

掌子面處拱頂沉降與開挖距離關(guān)系曲線見圖3。

圖3 掌子面處拱頂沉降與開挖距離關(guān)系曲線

由圖3 可知：①無斷層帶工況，當(dāng)隧道開挖0～5 m時(shí)掌子面處拱頂沉降速率快速減?。婚_挖5～55 m時(shí)掌子面處拱頂沉降速率穩(wěn)定；開挖到55～60 m 時(shí)掌子面處拱頂沉降速率快速增大。②有斷層帶工況，隧道開挖小于16 m 時(shí)與無斷層帶工況一樣，掌子面處拱頂沉降速率在隧道開挖一定距離后穩(wěn)定在一定值。當(dāng)掌子面距斷層帶小于4 m 時(shí)，隨著開挖的進(jìn)行掌子面拱頂沉降速率快速增大。

3.3 掌子面最大滲流速度

掌子面最大滲流速度與開挖距離關(guān)系曲線見圖4。

圖4 掌子面最大滲流速度與開挖距離關(guān)系曲線

由圖4 可知：①無斷層帶工況隨著隧道開挖距離增加，掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩(wěn)定。開挖到45 m時(shí)掌子面最大滲流速度開始減小，50 m時(shí)快速減小。②有斷層帶工況隧道開挖距離小于16 m 時(shí)與無斷層帶時(shí)一樣，掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩(wěn)定。距斷層帶距離小于4 m 時(shí)，隨著開挖的進(jìn)行，掌子面最大滲流速度快速增大。

3.4 塑性區(qū)分布和發(fā)展

隧道開挖后圍巖會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布，部分區(qū)域圍巖會(huì)進(jìn)入塑性屈服階段，形成塑性區(qū)。FLAC 3D 中塑性區(qū)有2 種破壞類型：①剪切破壞（shear failure），云圖中顯示為紅色；②拉伸破壞（tension failure），云圖中顯示為紫色。無斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布見圖5。

由圖5 可知：開挖1 m 時(shí)，掌子面前方塑性區(qū)延伸長度為2.5 m，掌子面前方塑性區(qū)由近到遠(yuǎn)依次為拉伸破壞和剪切破壞；開挖10，30 和50 m 時(shí)，掌子面前方塑性區(qū)延伸長度均為3.5 m，掌子面前方塑性區(qū)由近到遠(yuǎn)依次為拉伸破壞和剪切破壞。無斷層帶工況隨著開挖距離增大，掌子面前方塑性區(qū)延伸長度穩(wěn)定在一定值。

有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布見圖6?？芍洪_挖1 m時(shí)掌子面前方塑性區(qū)延伸長度為4 m，塑性區(qū)主要為剪切破壞；開挖15.5 m（即掌子面距斷層帶4.5 m）時(shí)，斷層帶中開始出現(xiàn)塑性區(qū)，但掌子面前方塑性區(qū)未延伸到斷層帶；繼續(xù)向前開挖0.5 m，此時(shí)掌子面距斷層帶4 m，掌子面前方塑性區(qū)和斷層帶塑性區(qū)臨界貫通；繼續(xù)向斷層帶開挖，斷層帶塑性區(qū)快速擴(kuò)展。

綜上所述，當(dāng)隧道掌子面距斷層帶4 m 時(shí)，掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通，掌子面與斷層帶間圍巖中的裂隙填充物加快流失，從而形成過水通道導(dǎo)致掌子面最大滲流速度突增，掌子面前方圍巖加速劣化，最大擠出變形和拱頂沉降也突增，此時(shí)意味著突水突泥災(zāi)害即將發(fā)生。

圖6 有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區(qū)分布

4 結(jié)語

1）有斷層帶工況，掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通時(shí)機(jī)與掌子面最大擠出變形、最大滲流速度、拱頂沉降速率由穩(wěn)定到快速增大時(shí)機(jī)一致，皆在掌子面距斷層帶4 m（約0.5倍洞徑）時(shí)。

2）工程設(shè)計(jì)時(shí)可通過數(shù)值計(jì)算，將掌子面前方塑性區(qū)與斷層帶塑性區(qū)臨界貫通時(shí)機(jī)作為隧道突水突泥臨界判據(jù)；現(xiàn)場施工時(shí)可輔以掌子面處拱頂沉降速率，綜合確定隧道突水突泥時(shí)機(jī)。