隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機(jī)理模擬試驗(yàn)研究

李玉生，翁賢杰,2，王人杰,張龍生，張連震

(1. 江西交通咨詢有限公司，江西 南昌 330008；2. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；3.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250003; 4. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大量隧道修建在地質(zhì)條件極端復(fù)雜的西部、南部山區(qū)，斷層破碎帶是隧道修建過(guò)程中經(jīng)常穿越的不良地層，由于斷層破碎帶一般具有結(jié)構(gòu)松散、富水性強(qiáng)、無(wú)自穩(wěn)能力等顯著特點(diǎn)，在隧道開(kāi)挖穿越斷層破碎帶的過(guò)程中極易誘發(fā)突水突泥災(zāi)害[1-4]，造成嚴(yán)重的人員財(cái)產(chǎn)損失，甚至有的工程被迫停建或改線。

隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機(jī)理非常復(fù)雜，涉及地下水流動(dòng)、圍巖弱化、開(kāi)挖擾動(dòng)等一系列問(wèn)題，大量學(xué)者對(duì)斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害開(kāi)展了深入研究。在理論研究方面，李術(shù)才等[4-5]通過(guò)221例突水突泥災(zāi)害案例統(tǒng)計(jì)分析，將突水突泥致災(zāi)構(gòu)造劃分為3種類型，即巖溶類、斷層類及其他成因類，為突水突泥災(zāi)害致災(zāi)機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)。孟凡樹(shù)等[6]基于筒倉(cāng)理論和極限平衡方法，建立了隧道斷層破碎帶突水力學(xué)模型，并推導(dǎo)了防突巖盤所受地應(yīng)力的計(jì)算公式。黃鑫等[7-8]采用統(tǒng)計(jì)與理論分析相結(jié)合的方法，針對(duì)巖溶隧道突水突泥災(zāi)害的災(zāi)害源和防突結(jié)構(gòu)，選取不同相關(guān)因素，建立了一種適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的巖溶隧道突水突泥防突評(píng)判方法。ZHU J Q[9]等基于突變理論建立了巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型并依托實(shí)際工程開(kāi)展了工程應(yīng)用。鄒陳等[10]依托滬昆客專白巖腳隧道工程，從地質(zhì)環(huán)境、氣候條件等方面分析了隧道突水致災(zāi)機(jī)理。目前的理論研究多集中于工程案例的統(tǒng)計(jì)與力學(xué)模型簡(jiǎn)化兩個(gè)方面，尚未形成對(duì)突水突泥災(zāi)害過(guò)程的完整準(zhǔn)確描述。在試驗(yàn)研究方面，劉金泉等[11]自行設(shè)計(jì)了一套可考慮質(zhì)量遷移及三向應(yīng)力狀態(tài)的大型室內(nèi)突水突泥試驗(yàn)系統(tǒng)，研究揭示了風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥變質(zhì)量滲流特征及災(zāi)害演化機(jī)理，獲得了突水突泥致災(zāi)過(guò)程中滲流狀態(tài)演化特征。王德明等[12]建立了三維地質(zhì)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，依托具體突水突泥工程實(shí)例，揭示了突水突泥過(guò)程中無(wú)支護(hù)條件下斷層破碎帶隧道的洞周位移、應(yīng)力-應(yīng)變以及突出物質(zhì)量等特征參數(shù)響應(yīng)規(guī)律。此外，蔚立元[13]、陳衛(wèi)忠[2]、張慶松[14-15]、黃鑫[16]、王德明[17]等人在斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害治理技術(shù)方面也開(kāi)展了相關(guān)工作，多采用預(yù)注漿技術(shù)。綜上，由于隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害演化過(guò)程復(fù)雜，又由于災(zāi)害發(fā)生的突然性和危險(xiǎn)性，現(xiàn)場(chǎng)較難獲得災(zāi)害發(fā)生全過(guò)程的全部物理場(chǎng)信息，目前研究成果尚難以實(shí)現(xiàn)突水突泥災(zāi)害的有效預(yù)防，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機(jī)理研究仍然非常困難。

為更進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，研發(fā)了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)開(kāi)展了突水突泥模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害演化、發(fā)生的全過(guò)程，分析了隧道掘進(jìn)過(guò)程中隧道圍巖位移、滲流壓力及突水突泥涌出物流量演化過(guò)程，進(jìn)一步探討揭示了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機(jī)理。

1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)隧道施工穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害，通過(guò)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采集隧道開(kāi)挖接近并進(jìn)入斷層破碎帶直至突水突泥過(guò)程中不同物理場(chǎng)信息，獲得斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害發(fā)生狀態(tài)前、狀態(tài)中隧道洞周圍巖位移、滲流壓力及突水突泥量變化規(guī)律，探討揭示隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害發(fā)生機(jī)理。模擬試驗(yàn)采用三維試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，主要包括試驗(yàn)臺(tái)架、伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)、開(kāi)挖裝置系統(tǒng)、多場(chǎng)信息采集系統(tǒng)以及圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)等5部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層破碎帶突水突泥發(fā)展過(guò)程多元信息的實(shí)時(shí)、有效采集，斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架是巖土體承載、監(jiān)測(cè)元件布設(shè)以及試驗(yàn)操作的平臺(tái)和空間，需要滿足密封性、剛度高和可調(diào)整性的要求。本研究模擬試驗(yàn)臺(tái)架由承載臺(tái)及側(cè)壁兩部分構(gòu)成，總體外觀為直徑1 500 mm,高2 200 mm 的圓柱體，試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物照片

(1)承載臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)架中的承載臺(tái)由支撐底座、承壓鋼板和臺(tái)架底板3部分組成。支撐底座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用以連接固定上部結(jié)構(gòu)。承壓鋼板通過(guò)預(yù)埋高強(qiáng)螺桿與支撐底座固定，用以均勻傳遞上部試驗(yàn)臺(tái)架的荷載。臺(tái)架底板為一圓形厚鋼板，直徑1 700 mm，厚10 mm，用以封閉上部試驗(yàn)臺(tái)架。在承壓鋼板、臺(tái)架底板及底部模型環(huán)連接肋板三者接合處，通過(guò)φ22高強(qiáng)度螺栓固定連接。

(2)側(cè)壁

試驗(yàn)臺(tái)架采用裝配式結(jié)構(gòu)，由4節(jié)模型環(huán)組成，每節(jié)模型環(huán)高度為300 mm，內(nèi)徑為1 500 mm，鋼板厚度為10 mm，通過(guò)φ22高強(qiáng)度螺栓實(shí)現(xiàn)各個(gè)模型環(huán)之間的緊固連接。由于采用模塊化方式連接臺(tái)架側(cè)壁的各構(gòu)件，因此臺(tái)架組裝、拆卸方便，可根據(jù)不同試驗(yàn)要求按相應(yīng)的數(shù)量組合使用。在本研究模擬試驗(yàn)中不加載地應(yīng)力，隧道上方的巖土體直接裸露于外部環(huán)境中，故不設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)架頂蓋。

為滿足開(kāi)挖模擬及系統(tǒng)封閉性要求，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架相應(yīng)部位做了一定的調(diào)整。隧道開(kāi)挖前，在臺(tái)架底部第2個(gè)模型環(huán)直徑方向開(kāi)設(shè)兩個(gè)正對(duì)的圓形孔洞，孔洞直徑略大于試驗(yàn)隧道斷面尺寸。試驗(yàn)前采用與側(cè)壁相同弧度的弧形鋼板封堵預(yù)設(shè)的兩個(gè)預(yù)留圓形孔洞，隧道開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)便拆除弧形鋼板。此外，為滿足試驗(yàn)臺(tái)架的密封承壓性能要求，在所有機(jī)械連接部位均布設(shè)10 mm厚的橡膠墊。

1.2 伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)

由于水壓對(duì)斷層破碎帶突水突泥有較大影響，為保證試驗(yàn)過(guò)程中地下水處于穩(wěn)定的環(huán)境，有必要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓供水系統(tǒng)。本模擬試驗(yàn)伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力持續(xù)供給、水壓基本穩(wěn)定的功能。同時(shí)，該系統(tǒng)可以方便地調(diào)整水壓力大小，滿足不同設(shè)計(jì)試驗(yàn)水壓力的要求。模擬試驗(yàn)伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、調(diào)壓穩(wěn)壓器、供水裝置、控制輸出設(shè)備、隱伏含水體組成，各個(gè)單元之間通過(guò)氣動(dòng)快速接頭及高壓氣動(dòng)管連接，如圖3所示。

圖3 伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)

系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置、調(diào)壓穩(wěn)壓器、控制輸出設(shè)備、隱伏含水體分別由空壓機(jī)、空氣調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓儲(chǔ)水罐及承壓水箱設(shè)備提供。空壓機(jī)持續(xù)輸出高壓空氣，輸出壓力可以通過(guò)安裝在輸出管路上的空氣調(diào)壓閥調(diào)整，壓力可調(diào)范圍為0～1 MPa。壓縮氣體由高壓氣動(dòng)管進(jìn)入到穩(wěn)壓儲(chǔ)水罐后使罐內(nèi)水體具有一定的水壓力，在持續(xù)壓力的作用下穩(wěn)壓儲(chǔ)水罐中的水由高壓水管進(jìn)入到承壓水箱內(nèi)，從而對(duì)模擬試驗(yàn)架內(nèi)的不良地質(zhì)體形成補(bǔ)給。穩(wěn)壓儲(chǔ)輸水罐由供水泵供水，為保障地下水環(huán)境穩(wěn)定，本次試驗(yàn)采用兩個(gè)儲(chǔ)輸水罐，通過(guò)交替使用，以保證水壓的恒定。

1.3 開(kāi)挖裝置系統(tǒng)

模擬試驗(yàn)開(kāi)挖裝置系統(tǒng)由開(kāi)挖設(shè)備、清理設(shè)備以及開(kāi)挖進(jìn)度控制尺組成。開(kāi)挖設(shè)備由自制的具有導(dǎo)向性、標(biāo)定性和易操作的鐵件提供，該設(shè)備端部為中空帶齒輪的圓柱形器具，通過(guò)旋轉(zhuǎn)切割巖土體，對(duì)隧道掌子面進(jìn)行開(kāi)挖，并將開(kāi)挖出來(lái)的巖土體裝入中空?qǐng)A柱帶出隧道外。清理設(shè)備采用小型的形似湯勺的鐵件，用以減少清理過(guò)程對(duì)隧道的擾動(dòng)。開(kāi)挖進(jìn)度控制尺由最小刻度為1 mm的鋼尺提供，用于控制每次開(kāi)挖的進(jìn)尺，開(kāi)挖裝置系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 開(kāi)挖裝置系統(tǒng)

1.4 多場(chǎng)信息采集系統(tǒng)

多場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、突水突泥涌出物測(cè)量系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，可有效監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層破碎帶后突水突泥演化全過(guò)程的圍巖位移、滲壓及突水突泥流量變化過(guò)程。

(1)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

光纖光柵傳感器相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防水性好、測(cè)量范圍廣、精度高、采樣率高、抗電磁干擾、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)采用光纖滲壓及光纖位移兩種傳感器，通過(guò)多通道光纖光柵解調(diào)儀耦合連接，實(shí)現(xiàn)多元信息的并行實(shí)時(shí)采集、分析和處理，光纖光柵傳感器元件如圖5所示，性能指標(biāo)如表1所示。

圖5 光纖光柵監(jiān)測(cè)元件

(2)突水突泥涌出物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了涌出物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以準(zhǔn)確計(jì)量試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中突水突泥流量，該系統(tǒng)由采集器、輸送管、測(cè)量器具3部分組成。采集器是由PVC材質(zhì)的漏斗制作而成，為防止涌出物外流，在開(kāi)挖隧洞口下方設(shè)置疏導(dǎo)板，使突水突泥涌出物完全進(jìn)入采集器中。輸送管用于將突水突泥涌出物輸送至測(cè)量容器內(nèi)，為防止涌出物堵塞，輸送管采用φ110 mm PVC管。測(cè)量器具主要包含大量程量杯、高精度電子天平(精確至0.01 g)和秒表，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)間段，測(cè)取突水突泥涌出物的質(zhì)量和體積，突水突泥涌出物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

表1 光纖光柵傳感器性能指標(biāo)

圖6 突水突泥涌出物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.5 圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)的圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)由數(shù)碼相機(jī)、高清攝像頭以及高清攝像機(jī)組成，用以實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)全過(guò)程的相關(guān)信息。數(shù)碼相機(jī)主要用于實(shí)時(shí)拍攝試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)現(xiàn)象的圖像。高清攝像頭通過(guò)固定裝置布設(shè)在開(kāi)挖隧道的內(nèi)部，并且可以隨著開(kāi)挖推進(jìn)而推進(jìn)，用以記錄開(kāi)挖過(guò)程中掌子面及圍巖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并捕捉地質(zhì)災(zāi)害瞬間突發(fā)時(shí)的狀態(tài)信息。此外，高清攝像機(jī)布設(shè)在開(kāi)挖隧道外部，不受開(kāi)挖隧道內(nèi)部環(huán)境影響，用以詳細(xì)記錄隧道突水突泥過(guò)程。

2 模擬試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

模擬試驗(yàn)以某實(shí)際隧道斷層突水突泥災(zāi)害為參考，模擬試驗(yàn)中的斷層介質(zhì)采用該隧道所穿越斷層破碎帶的原狀地層，以增加模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。模擬試驗(yàn)是模擬突水突泥現(xiàn)象的物理模擬試驗(yàn)，并非是考慮相似條件的模型試驗(yàn)，因此試驗(yàn)中并不涉及相似條件問(wèn)題。試驗(yàn)幾何尺寸參考實(shí)際工程選取，模擬試驗(yàn)中隧道底部距模擬試驗(yàn)架底部410 mm，隧道頂部距模擬地表910 mm，隧道斷面簡(jiǎn)化為圓形，直徑為100 mm。隧道前方發(fā)育一斷層破碎帶，斷層破碎帶與隧道底板相交處距離模擬試驗(yàn)架側(cè)壁570 mm，該斷層破碎帶與隧道正交發(fā)育，傾角為70°，傾向與隧道開(kāi)挖方向相同，寬度為400 mm，按照斷層橫向結(jié)構(gòu)特征，破碎帶劃分為3部分，中間寬度為100 mm的斷層泥帶，兩側(cè)分別為150 mm的斷層泥與角礫混雜帶。隧道初始水頭為2 m，即通過(guò)伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)中的承壓水箱提供0.02 MPa的恒定水壓力，承壓水箱設(shè)置在斷層破碎帶的頂部。模擬試驗(yàn)隧道采用全斷面開(kāi)挖工法，每次開(kāi)挖5 cm，直至隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害，模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu) (單位: mm)

2.2 充填介質(zhì)

為了提高模擬試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，斷層泥帶中的斷層泥介質(zhì)直接取自依托工程斷層，其性狀為飽水泥質(zhì)充填物，在模擬試驗(yàn)填料之前將實(shí)際工程斷層泥進(jìn)行壓實(shí)并調(diào)整其含水率，使之與原狀地層盡可能接近。為防止斷層泥帶與圍巖之間性能參數(shù)差別太大而導(dǎo)致試驗(yàn)現(xiàn)象不顯著，在斷層泥帶與圍巖之間設(shè)置斷層泥與角礫混雜帶。斷層泥與角礫混雜帶為現(xiàn)場(chǎng)斷層泥與特定級(jí)配礫砂的混合物，特定級(jí)配礫砂包含石子(粒徑5～10 mm)、河砂(粒徑1.25～2.5 mm)及黏土，石子、河砂、黏土質(zhì)量比為1 ∶1 ∶1。斷層泥帶、斷層泥與角礫混雜帶的性能參數(shù)如表2所示。

為了保持圍巖介質(zhì)與斷層破碎帶介質(zhì)的變形協(xié)調(diào)性，圍巖介質(zhì)與斷層破碎帶介質(zhì)的性能參數(shù)不宜差距過(guò)大，模擬試驗(yàn)中圍巖介質(zhì)采用黏土、河砂(粒徑1.25～2.5 mm)為骨料，水泥、石蠟、硅油作為膠結(jié)劑及調(diào)節(jié)劑配置而成，具體材料性能及配比參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]，圍巖介質(zhì)材料性能參數(shù)如表3所示。

表2 破碎區(qū)巖體材料性質(zhì)

表3 圍巖介質(zhì)性能參數(shù)

2.3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

考慮到模擬試驗(yàn)尺寸限制，布設(shè)過(guò)多的傳感器會(huì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)造成影響，不利于突水突泥災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。因此，試驗(yàn)采用重點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式，將斷層破碎帶作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)斷面主要布置在重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，將元件布置在開(kāi)挖輪廓線附近拱頂及拱底位置，布設(shè)的監(jiān)測(cè)元件有滲壓傳感器與位移傳感器。由于圍巖介質(zhì)在突水突泥災(zāi)害發(fā)生位置以外，故并未過(guò)多關(guān)注隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形問(wèn)題，在圍巖介質(zhì)內(nèi)并未布置傳感器。模擬試驗(yàn)共設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面2個(gè)，分別編號(hào)I、II，斷面I布置在斷層泥與角礫混雜帶，斷面II在斷層泥帶正中間，斷面I與斷面II間距為175 mm。考慮到斷層破碎帶內(nèi)監(jiān)測(cè)元件布設(shè)空間和引線問(wèn)題，監(jiān)測(cè)斷面布置為傾斜斷面，監(jiān)測(cè)斷面布置如圖8所示，模擬試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)的監(jiān)測(cè)元件布置如圖9所示，元件布設(shè)時(shí)應(yīng)注意對(duì)元件及其引線的保護(hù)。模擬試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)的監(jiān)測(cè)元件布置位置距隧道開(kāi)挖輪廓線的距離不宜太大或太小，若監(jiān)測(cè)元件布置位置距開(kāi)挖輪廓線過(guò)遠(yuǎn)，則隧道開(kāi)挖掌子面處的情況不能有效反應(yīng)到監(jiān)測(cè)元件中，若監(jiān)測(cè)元件布置距開(kāi)挖輪廓線過(guò)近，則隧道開(kāi)挖過(guò)程容易對(duì)監(jiān)測(cè)元件產(chǎn)生擾動(dòng)或破壞監(jiān)測(cè)元件，使得傳感器失效，最終確定監(jiān)測(cè)元件距離隧道開(kāi)挖輪廓線距離為10 cm。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面布置

圖9 斷面II監(jiān)測(cè)元件布置

2.4 模擬試驗(yàn)步驟

(1)模擬試驗(yàn)架安裝。對(duì)裝配式試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行組合安裝固定，安裝過(guò)程中注意連接部位密封處理，防止形成泄水區(qū)，影響試驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性。

(2)模擬試驗(yàn)材料配制及填筑。配置圍巖介質(zhì)、斷層泥帶、斷層泥與角礫混雜帶等充填材料，之后將配置好的材料從模擬試驗(yàn)架底部向上分層填筑，每層填筑厚度控制為5 cm，每填完一層，便按要求夯實(shí)壓密至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如圖10所示。

圖10 模擬試驗(yàn)材料填筑

(3)監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)及系統(tǒng)調(diào)試。材料填筑夯實(shí)過(guò)程中，當(dāng)填筑至設(shè)計(jì)有監(jiān)測(cè)元件的層位時(shí)，通過(guò)定位、挖槽、安放和填實(shí)等流程，將監(jiān)測(cè)元件準(zhǔn)確埋設(shè)于設(shè)計(jì)位置。同時(shí)，將監(jiān)測(cè)元件的引線集中、有序地從側(cè)壁預(yù)留孔引出。監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)后，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，檢查元件是否失效及系統(tǒng)穩(wěn)定性，若監(jiān)測(cè)元件失效，需對(duì)監(jiān)測(cè)元件及時(shí)進(jìn)行更換，監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)過(guò)程如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)

(4)穩(wěn)壓供水系統(tǒng)安裝。在斷層破碎帶頂部鋪設(shè)碎石濾層。濾層鋪設(shè)后，將承壓水箱預(yù)置在斷層破碎帶頂部設(shè)計(jì)位置，并用圍巖材料填埋、壓實(shí)，用細(xì)小高壓軟管作為進(jìn)水管，與承壓水箱連接后從側(cè)壁預(yù)留進(jìn)水口引出。安裝伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)，連接各裝置管路，并與承壓水箱連接。穩(wěn)壓供水系統(tǒng)安裝完畢后，調(diào)試檢查供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)安裝、調(diào)試流程如圖12所示。

(5)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)封閉。以上模擬試驗(yàn)架安裝、材料填充、監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)以及供水系統(tǒng)安裝接線完成后，封閉模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)啟伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與封閉性等試驗(yàn)前的檢測(cè)工作。

(6)開(kāi)挖與數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)調(diào)試完畢后，將水壓維持在0.02 MPa，并實(shí)時(shí)、連續(xù)補(bǔ)充水源，以保證地下水環(huán)境穩(wěn)定。維持供水狀態(tài)，將模擬試驗(yàn)巖土體浸泡至充分飽和后，準(zhǔn)備開(kāi)挖。在模擬試驗(yàn)中通過(guò)光纖滲壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷巖土體是否浸泡至充分飽和，若光纖滲壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示為0.02 MPa且維持不變，即認(rèn)為巖土體已浸泡至充分飽和。采用全斷面開(kāi)挖方式，每次開(kāi)挖5 cm，每開(kāi)挖完一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺后，停止掘進(jìn)，待各監(jiān)測(cè)元件數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行下一階段的開(kāi)挖。開(kāi)挖過(guò)程中，倘若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不穩(wěn)定、甚至有急劇變化的趨勢(shì)，則說(shuō)明很有可能發(fā)生突水突泥，此時(shí)停止開(kāi)挖，以便及時(shí)觀察和采集突水突泥過(guò)程信息。此外，在開(kāi)挖過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)元件全程實(shí)時(shí)采集記錄圍巖內(nèi)部信息，開(kāi)挖空間形成后，立即在開(kāi)挖面附近固定攝像裝備，全程跟蹤、拍攝、記錄隧道內(nèi)部變化情況，模擬試驗(yàn)具體實(shí)施情況如圖13所示。

圖13 模型開(kāi)挖與數(shù)據(jù)采集

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 突水突泥涌出物流量隨開(kāi)挖變化規(guī)律

突水突泥涌出物流量隨著隧道開(kāi)挖進(jìn)程的變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 突水突泥流量隨時(shí)間變化

分析圖14可知，隨著隧道開(kāi)挖推進(jìn)，隧道掌子面與斷層破碎帶的間距越來(lái)越小，與之對(duì)應(yīng)，整個(gè)隧道的突水突泥涌出物的流量逐漸增長(zhǎng)。然而，突水突泥涌出物流量隨時(shí)間變化過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，可分為流量穩(wěn)定階段、不穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、快速增長(zhǎng)階段與流量衰減階段4個(gè)階段。以下分別闡述：

(1)流量穩(wěn)定階段對(duì)應(yīng)的隧道開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)15 cm，此時(shí)隧道掌子面與斷層破碎帶之間的距離較大，斷層破碎帶基本上比較穩(wěn)定，在承壓水源的作用下承壓水箱中的水通過(guò)滲流通道進(jìn)入隧道中，此時(shí)隧道口的流出物基本上以清水為主。如圖15(a)所示，滲流量也維持在較低水平(1 L/min左右)，隧道穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

(2)流量不穩(wěn)定增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)隧道開(kāi)挖進(jìn)尺范圍為15～40 cm，在本階段，隨著隧道掌子面的開(kāi)挖推進(jìn)，隧道掌子面與斷層破碎帶之間的距離逐漸由30 cm左右減小到5 cm左右，隧道滲漏水量呈現(xiàn)出不穩(wěn)定增加趨勢(shì)，基本上由1 L/min左右增加到3 L/min 左右，在本階段還出現(xiàn)了流量峰值6 L/min，隧道口的涌出物相比前一階段更為渾濁，但還是以清水為主如圖15(a)所示，隧道整體穩(wěn)定性較好，未發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

圖15 不同階段突水突泥情況

(3)快速增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)隧道開(kāi)挖進(jìn)尺40～45 cm，在此階段，隧道掌子面與斷層破碎帶的距離由5 cm左右減小到零，即直接揭露斷層破碎帶，在此階段隧道涌水量由3 L/min左右快速增長(zhǎng)到峰值16 L/min，隧道口的涌出物變?yōu)槟嗨旌衔?見(jiàn)圖15(b))，隧道掌子面失穩(wěn)，隧道突水突泥災(zāi)害發(fā)生。在本階段突水突泥災(zāi)害發(fā)生的明顯特征為當(dāng)隧道掌子面直接揭露斷層破碎帶時(shí)，突水突泥災(zāi)害即發(fā)生，突水突泥通道瞬間形成；然而當(dāng)隧道掌子面與斷層破碎帶之間仍有一定厚度的圍巖時(shí)，隧道涌出物流量及涌出物類別并未發(fā)生本質(zhì)變化，突水突泥通道未形成，故模擬試驗(yàn)中的突水突泥災(zāi)害類型可歸結(jié)為揭露型突水突泥災(zāi)害。

(4)流量衰減階段。在此階段中，突水突泥通道已形成，當(dāng)承壓水箱中的存量水通過(guò)突水突泥通道完全排出后，受限于伺服穩(wěn)壓供水系統(tǒng)的供水能力限制，突水突泥涌出物流量有所減小，此時(shí)隧道口涌出物仍然為泥水混合物，如圖15(b)所示。

由圖15可知，模擬試驗(yàn)中圍巖介質(zhì)在開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定性良好，未發(fā)現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，可見(jiàn)圍巖可滿足試驗(yàn)過(guò)程中圍巖自穩(wěn)性要求。

3.2 圍巖位移量隨開(kāi)挖變化規(guī)律

圍巖位移量隨著隧道開(kāi)挖進(jìn)程的變化規(guī)律如圖16所示。

圖16 圍巖位移量隨時(shí)間的變化

分析圖16可知，隧道圍巖位移量隨時(shí)間變化過(guò)程先呈現(xiàn)平穩(wěn)增加的趨勢(shì)，進(jìn)而拱頂位移量發(fā)生突變。

(1)受隧道開(kāi)挖影響，監(jiān)測(cè)斷面I的拱頂與拱底位置均發(fā)生朝向隧道內(nèi)部的位移，且隨著隧道掌子面的持續(xù)開(kāi)挖推進(jìn)，位移量平穩(wěn)增加，當(dāng)隧道開(kāi)挖推進(jìn)40 cm左右時(shí)，拱頂位移量增加至大約0.94 mm，拱底位移量增加至大約0.58 mm。

(2)當(dāng)隧道掌子面開(kāi)挖推進(jìn)45 cm，即直接揭露斷層破碎帶時(shí)，拱頂位移發(fā)生突變，由1.2 mm左右突增至2.6 mm左右，這說(shuō)明隧道開(kāi)挖揭露斷層破碎帶所導(dǎo)致的突水突泥災(zāi)害是瞬發(fā)的，當(dāng)隧道揭露斷層破碎帶時(shí)，隧道突水突泥災(zāi)害瞬間發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致隧道拱頂位移量突變。拱底位移量在突水突泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中并未發(fā)生明顯變化，分析原因?yàn)樗淼劳凰荒嗤ǖ牢挥谒淼拦绊攨^(qū)域，連通隧道臨空面與承壓水源，因此突水突泥過(guò)程對(duì)于隧道拱底區(qū)域影響不顯著，拱底位移并未發(fā)生劇烈變化。

3.3 滲壓隨開(kāi)挖變化規(guī)律

圍巖滲流壓力隨著隧道開(kāi)挖進(jìn)程的變化規(guī)律如圖17所示。

圖17 圍巖滲流壓力隨時(shí)間變化

分析圖17可知，圍巖滲流壓力隨時(shí)間變化過(guò)程先平穩(wěn)減小，之后拱頂與拱底位置的圍巖滲流壓力同時(shí)發(fā)生突變。

(1)在隧道尚未開(kāi)挖時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面II拱頂與拱底位置的滲流壓力基本維持在20 kPa左右，這與承壓供水系統(tǒng)所提供的壓力基本相當(dāng)，拱頂位置的滲流壓力略低于拱底位置的滲流壓力。

(2)在隧道開(kāi)挖后，隨著隧道掌子面推進(jìn)距離的增加，隧道涌水量逐漸增加，監(jiān)測(cè)斷面II處拱頂與拱底位置的滲流壓力均逐漸降低，當(dāng)隧道開(kāi)挖推進(jìn)40 cm左右時(shí)，該監(jiān)測(cè)斷面處拱頂與拱底的滲流壓力普遍降低7 kPa左右。

(3)當(dāng)隧道掌子面開(kāi)挖推進(jìn)45 cm，即直接揭露斷層破碎帶時(shí)，拱頂與拱底位置的滲流壓力同時(shí)發(fā)生突變，由較高的滲流壓力突變下降至6～7 kPa左右，這同樣也說(shuō)明隧道開(kāi)挖揭露斷層破碎帶所導(dǎo)致的突水突泥災(zāi)害是瞬發(fā)的，當(dāng)隧道揭露斷層破碎帶時(shí)，隧道突水突泥災(zāi)害瞬間發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致隧道拱頂與拱底滲流壓力突變。

4 突水突泥機(jī)理分析

從隧道涌出物、圍巖位移量、滲流壓力三者隨隧道開(kāi)挖過(guò)程演變規(guī)律來(lái)看，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害的顯著特征是突變性，當(dāng)隧道開(kāi)挖掘進(jìn)揭露斷層破碎帶時(shí)突水突泥災(zāi)害隨即發(fā)生，屬于典型的揭露型災(zāi)害。另外，在模擬試驗(yàn)中的流量不穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，隧道口的涌出物相比前一階段更為渾濁，反映了地下水滲流對(duì)于斷層破碎帶介質(zhì)的攜帶作用，雖然此階段未發(fā)生突水突泥災(zāi)害，但是地下水在此階段確實(shí)對(duì)斷層破碎帶存在弱化作用，地下水在斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害中發(fā)揮著重要作用，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)地下水對(duì)巖體的物理化學(xué)弱化作用

地下水對(duì)斷層破碎帶的物理弱化效應(yīng)主要體現(xiàn)在潤(rùn)滑、軟化和泥化作用等方面。地下水補(bǔ)充到斷層內(nèi)部時(shí)，充填物顆粒通過(guò)表面吸著力將水分子吸附到其周圍，顆粒之間的間距相對(duì)增大，膠結(jié)作用被弱化，導(dǎo)致斷層巖塊結(jié)構(gòu)面間的摩阻力減小，斷層抗剪強(qiáng)度降低，從而對(duì)斷層產(chǎn)生潤(rùn)滑作用。地下水滲入斷層帶巖體致使其充填物含水量增加，物理性狀發(fā)生改變，巖體由固態(tài)向塑態(tài)甚至液態(tài)轉(zhuǎn)化的弱化效應(yīng)增強(qiáng)，斷層帶發(fā)生軟化、泥化現(xiàn)象，造成巖體內(nèi)聚力和摩擦角值大幅減小，力學(xué)性能發(fā)生蛻變。

地下水對(duì)斷層破碎帶具有一定的化學(xué)潛蝕作用，主要通過(guò)離子交換、溶解和溶蝕等方式進(jìn)行。地下水?dāng)y帶可交換離子流經(jīng)斷層充填介質(zhì)時(shí)，地下水中的離子會(huì)置換出巖體中可交換的離子，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)和滲透性的改變，從而影響斷層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。大氣降水滲入土壤帶、包氣帶過(guò)程中，溶解了大量的物質(zhì)，增加了地下水的化學(xué)侵蝕性，對(duì)斷層充填物中的石英顆粒和鐵質(zhì)具有溶蝕和氧化作用，增加了破碎帶巖體的空隙度和滲透能力。

(2)滲流誘發(fā)通道擴(kuò)展的力學(xué)作用

斷層帶破碎巖體基本呈現(xiàn)散體狀結(jié)構(gòu)形式，區(qū)域內(nèi)巖體由巖塊骨架和充填物組成，細(xì)小充填物填充于巖塊空隙中，巖塊之間的空隙構(gòu)成了良好的滲水通道。隧道斷層開(kāi)挖形成的臨空面使得通道存在很好的排泄口，地下水將克服通道充填物和通道壁之間的摩擦力滲入隧道。地下水在斷層破碎帶巖體裂(孔)隙通道中運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)充填物顆粒產(chǎn)生滲透壓力作用，可使顆粒物質(zhì)產(chǎn)生移動(dòng)，甚至被遷移帶出巖土體，導(dǎo)致巖體空隙增加和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。地下水滲透力對(duì)斷層破碎帶巖體應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境的影響作用主要通過(guò)對(duì)滲水裂(孔)隙通道的潛蝕、沖刷、擴(kuò)徑破壞作用實(shí)現(xiàn)。

在滲透壓力的持續(xù)作用下，破碎帶巖體通道顆粒由初始緊密、致密的結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為松散、稀疏的結(jié)構(gòu)，甚至由塑性向液態(tài)轉(zhuǎn)化，在拖拽力的作用下，通道壁面發(fā)生切向變形和位移，壁面的土體顆粒在水的浸泡和切向力作用下，極易發(fā)生遷移，隨水流流出。攜帶充填物顆粒的地下水滲流對(duì)通道的垂向和切向擴(kuò)展作用大于無(wú)充填物水流，并且隨著越來(lái)越多的巖土體顆粒被水流帶出，水流的容重進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致滲透壓力和拖曳力進(jìn)一步增加，對(duì)滲水通道的沖刷擴(kuò)展作用進(jìn)一步加強(qiáng)。

綜上，地下水對(duì)斷層破碎帶突水突泥的作用主要通過(guò)物理、化學(xué)以及力學(xué)等綜合作用，誘發(fā)破碎巖體裂(孔)隙增大、擴(kuò)展，并對(duì)充填介質(zhì)進(jìn)行沖刷運(yùn)移，從而導(dǎo)致初始滲水通道擴(kuò)展演化形成貫穿、連續(xù)的過(guò)水通道，強(qiáng)烈影響斷層帶巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和滲透性，在不合理的施工方法等因素影響下，極易誘發(fā)隧道斷層突水突泥災(zāi)害。

5 結(jié)論

(1)研發(fā)了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖揭露斷層破碎帶過(guò)程的有效模擬、水壓恒定加載及圍巖位移、滲流壓力、涌出物流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

(2)從隧道涌出物方面來(lái)看，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害為揭露型災(zāi)害，當(dāng)隧道掌子面與斷層破碎帶之間存在一定厚度圍巖時(shí)，突水突泥災(zāi)害不會(huì)發(fā)生，當(dāng)隧道掌子面直接揭露斷層破碎帶時(shí)，突水突泥災(zāi)害即發(fā)生，突水突泥通道瞬間形成，隧道涌出物由清水轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗨旌衔?，涌出物流量快速增長(zhǎng)。

(3)從隧道圍巖位移及滲流壓力方面來(lái)看，當(dāng)隧道揭露斷層破碎帶發(fā)生突水突泥災(zāi)害時(shí)，隧道拱頂圍巖位移、拱頂及拱底滲流壓力均發(fā)生突變，拱頂圍巖位移發(fā)生突然增加，拱頂及拱底滲流壓力發(fā)生突然降低，均反映了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害的瞬發(fā)特征。

(4)地下水對(duì)斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害具有重要影響，主要體現(xiàn)在地下水對(duì)斷層的物理化學(xué)弱化和滲流誘發(fā)通道擴(kuò)展兩個(gè)方面。