巖溶隧道突涌水機(jī)制及安全臨界條件研究

馬國民，張秀麗，楊華清

(1.云南楚大高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 大理 671000;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

我國西南地區(qū)巖溶分布廣泛，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，該地區(qū)巖溶隧道不斷涌現(xiàn)。在巖溶地區(qū)修建隧道常常會遭遇突水、涌泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，其中突涌水具有較難預(yù)測、發(fā)生突然、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，易造成大范圍的隧道圍巖破壞及嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失，是隧道建設(shè)中最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。隨著我國西南巖溶地區(qū)大量隧道的修建，為防止巖溶隧道突涌水災(zāi)害的發(fā)生，開展巖溶隧道突涌水致災(zāi)機(jī)制和發(fā)生條件的研究就顯得尤為重要。

目前，通常采用數(shù)值仿真分析來研究巖溶隧道的突涌水問題，選用的數(shù)值計(jì)算方法主要有有限元法(ANSYS、MIDAS、RFPA)、有限差分法(FLAC)、離散元法(PFC、UDEC)和耦合方法(NMM、FDEM)，研究內(nèi)容主要圍繞兩個(gè)方面：一是模擬巖溶隧道突涌水災(zāi)變發(fā)生過程，分析突涌水產(chǎn)生機(jī)制及圍巖破壞模式；二是研究巖溶隧道突涌水發(fā)生的臨界條件，包括最小防突厚度、臨界突水壓力值等。如王勇[1]、尹尚先等[2]、張楊[3]采用有限元法模擬了巖溶隧道的開挖過程，分析了溶洞對隧道變形的影響，并通過塑性區(qū)貫通定義突水通道的形成，確定了溶洞的安全距離;劉招偉等[4]、趙世科[5]、李燦[6]、余慶峰等[7]、周毅[8]、安文生[9]、于杰緒[10]采用流固耦合的有限差分計(jì)算程序，研究了溶腔高壓水作用下巖溶隧道突涌水的發(fā)生機(jī)制，分析了各項(xiàng)因素(溶洞尺寸、位置、水壓力等)對隧道安全性的影響，并探討了防突巖層的安全厚度;楊天鴻等[11]和黃明利等[12]采用巖石破裂過程分析程序RFPA對巖溶隧道突水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了巖溶隧道巖石破裂突水的災(zāi)變機(jī)理;孫峰[13]、王媛等[14]、單長兵等[15]、王德明[16]利用離散元法在分析非連續(xù)大變形問題上的優(yōu)越性，并采用顆粒流程序PFC模擬了巖溶隧道突水突泥過程，分析了水壓、裂隙性狀等對隧洞突涌水的影響，提出了突水臨界水壓力和臨界突水距離兩個(gè)重要概念；曹茜[17]、郭佳奇[18]、高楊[19]、朱文心[20]采用二維離散元程序UDEC模擬了地下水滲流、開挖卸荷等誘發(fā)的巖溶隧道突涌水過程，探討了巖溶隧道突涌水發(fā)生機(jī)理，分析了巖溶隧道在不同條件下的臨界突水壓力或頂板安全距離。

近年來，新興的連續(xù)-非連續(xù)介質(zhì)耦合數(shù)值方法也被用于研究地下水滲流作用下的巖體破壞問題[21-24]，但在巖溶隧道突涌水方面的工程應(yīng)用研究成果還較少。連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法通常通過分析塑性區(qū)發(fā)展來研究巖溶隧道的破壞機(jī)制，并定義塑性區(qū)剛好貫通時(shí)的水壓力或巖層厚度為巖溶隧道突涌水安全臨界條件；而非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法通過將計(jì)算區(qū)域離散化，用來可模擬巖溶隧道突涌水破壞的全過程。本文采用非連續(xù)變形分析(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)方法，對楚大高速公路九頂山巖溶隧道突涌水災(zāi)變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了該巖溶隧道突涌水災(zāi)變發(fā)生的機(jī)制、溶腔水頭與隧道圍巖變形之間的關(guān)系，確定了隧道突涌水安全臨界水頭值，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證分析。

1 工程概況

九頂山深埋特長巖溶隧道為楚大高速公路的控制性節(jié)點(diǎn)工程，右幅全長為7 575 m，最大埋深約737.12 m；左幅全長為7 576 m，最大埋深約738.23 m。隧址區(qū)地形陡峻，屬構(gòu)造溶蝕剝蝕中山地貌；地層巖性復(fù)雜多變，主要以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及砂頁巖為主，伴有花崗斑巖和輝綠巖侵入蝕變帶及風(fēng)化帶。該隧道圍巖主要?jiǎng)澐譃棰蟆跫?，其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖約占隧道總長的88.4%，其節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎。

九頂山隧道隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣、地下水豐富、巖溶發(fā)育，隧道開挖施工將改變地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系，地下水可沿結(jié)構(gòu)面、破碎帶向隧道內(nèi)滲流，而蝕變帶、風(fēng)化帶巖體遇水易軟化，可能會出現(xiàn)較大規(guī)模的突涌水并導(dǎo)致隧道坍塌。2017年7月27日，九頂山隧道左洞進(jìn)口ZK281+940～ZK281+947段拱頂圍巖出現(xiàn)了較大變形，進(jìn)而發(fā)生拱頂塌方事故(見圖1)，塌方體環(huán)向長度約6 m，隨后發(fā)生突涌水、突泥事故(見圖2)；之后又相繼發(fā)生6次突涌水、突泥事故，每次突水約10 min，兩次間隔約12 h，估計(jì)突水量約6 000 m3，突泥量約1 000 m3。

圖1 九頂山隧道進(jìn)口(左洞)塌方事故Fig.1 Collapse at the entrance (left hole) of Jiudingshan Tunnel

圖2 九頂山隧道進(jìn)口(左洞)突涌水突泥事故Fig.2 Water inrush at the entrance (left hole) of Jiudingshan Tunnel

九頂山隧道突涌水災(zāi)害表現(xiàn)出瞬時(shí)性、多次性的特征，初步分析認(rèn)為：隧道上方存在溶洞，隧道開挖后溶腔水向隧道內(nèi)滲流，隧道頂板圍巖遇水軟化，繼而使其承載力降低，發(fā)生突涌水事故，溶腔水釋放；災(zāi)害發(fā)生后，突水口被溶腔填充物堵塞，溶腔水再次聚集，達(dá)到一定溶腔水頭后，再次發(fā)生突涌水事故。為了避免類似事故的發(fā)生，有必要研究九頂山隧道此次突涌水發(fā)生的地質(zhì)原因、災(zāi)變過程以及安全臨界條件。

2 非連續(xù)變形分析(DDA)方法簡介

非連續(xù)變形分析(DDA)方法是石根華教授提出的一種離散介質(zhì)分析方法，主要用于分析由節(jié)理網(wǎng)絡(luò)切割而成的離散塊體系統(tǒng)的非連續(xù)介質(zhì)大變形過程[25]。DDA方法針對塊體運(yùn)動采用牛頓第二運(yùn)動定律來描述，而相鄰塊體之間通過設(shè)置接觸罰彈簧來避免相互嵌入，這一點(diǎn)類似于離散元。但兩者的區(qū)別在于：離散元顯式求解塊體之間力的傳遞需要設(shè)置人工阻尼和較小的時(shí)間步，才能得到較為合理的計(jì)算結(jié)果；而DDA方法采用最小勢能原理建立聯(lián)立控制方程組，通過隱式求解每個(gè)塊體的位移和應(yīng)變，這一點(diǎn)又類似于有限元。DDA方法基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪\(yùn)動學(xué)理論，且計(jì)算精度高、速度快，自提出以來，已受到巖土工作者的廣泛關(guān)注，成為該領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算的熱點(diǎn)和前沿。

DDA方法的總體控制方程組具有以下形式：

KD=F

(1)

式中：D為塊體位移矢量，包含3個(gè)剛體運(yùn)動項(xiàng)和3個(gè)應(yīng)變項(xiàng)；F為塊體荷載矢量；K為剛度矩陣，其中Kii與塊體i的材料特性有關(guān)，而Kij與塊體i和j之間的接觸、連接等相互作用有關(guān)。

為了滿足塊體無嵌入的運(yùn)動學(xué)條件，需要對公式(1)進(jìn)行反復(fù)求解，即開閉迭代，并根據(jù)塊體接觸狀態(tài)不斷調(diào)整接觸彈簧，直到達(dá)到合理的狀態(tài)。塊體接觸有張開、閉合和滑移3種狀態(tài)，相鄰塊體處于張開狀態(tài)則不需要設(shè)置接觸彈簧，閉合則需設(shè)置法向和切向彈簧，滑移則只需設(shè)置法向彈簧。如果接觸彈簧設(shè)置得不合理，則塊體之間將會產(chǎn)生拉力或嵌入，這時(shí)需要相應(yīng)地刪除或增加接觸彈簧，并依此改變剛度矩陣K，并重新求解公式(1)。

3 計(jì)算模型、參數(shù)及工況

九頂山隧道左幅ZK281+940斷面隧道埋深為130.7 m，掌子面圍巖以強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖為主，拱頂以上以強(qiáng)中風(fēng)化灰?guī)r為主，圍巖級別為V1級。相應(yīng)的襯砌類型為SF5a，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：初期支護(hù)為I22b工字鋼，間距為60 cm，C25噴射混凝土，厚29 cm；二襯為C30防水鋼筋混凝土，厚60 cm。

為進(jìn)一步了解該段地質(zhì)情況，采用小型地質(zhì)鉆孔機(jī)進(jìn)行地表地質(zhì)鉆孔勘察，同時(shí)在右洞掌子面水平鉆孔內(nèi)采用孔內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)、激發(fā)極化法探水、電磁法探水、數(shù)字鉆孔攝像和地質(zhì)雷達(dá)三維超前預(yù)報(bào)5種方法，探查鉆孔周圍30 m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體(空腔、軟弱帶)和含水體分布情況，探測結(jié)果(見圖3)如下：推測高程為2 331～2 339 m(洞頂為42～50 m)范圍內(nèi)為灰?guī)r，其強(qiáng)度較高；高程為2 319～2 331 m(洞頂為30～42 m)范圍內(nèi)為中風(fēng)化混合巖；高程為2 304～2 319 m(洞頂為15～30 m)范圍內(nèi)存在充水腔體，該腔體向左延伸至約13 m處，右側(cè)延伸范圍本次探測未觸及；在含水腔體以下，高程為2 299～2 304 m(洞頂為10～15 m)范圍內(nèi)為全風(fēng)化花崗巖，可能夾雜有上方垮落下來的中風(fēng)化混合巖塊；洞頂10 m范圍內(nèi)巖體本次探測未觸及(因鉆孔被砂土充填)。

圖3 九頂山隧道左幅ZK281+940斷面地質(zhì)情況Fig.3 Geological conditions of ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

根據(jù)九頂山隧道左幅ZK281+940斷面地質(zhì)情況和支護(hù)參數(shù)建立了概化計(jì)算模型，見圖4。該模型寬170 m、高100 m，在模型頂部施加一個(gè)非線性分布荷載，用于模擬上覆巖土自重；將溶腔中的水壓力簡化為線性分布荷載作用于溶腔底部及溶腔壁上；將支護(hù)簡化為厚度為29 cm的薄層塊體。探測還發(fā)現(xiàn)，該段隧道圍巖中節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體較破碎，呈碎裂松散、碎石夾碎塊結(jié)構(gòu)，故在計(jì)算模型中考慮2組節(jié)理切割，節(jié)理傾角分別為0°和75°，間距分別為2 m和3 m，跡長均為10 m，其中水平節(jié)理組考慮巖橋長度為1 m。建立的九頂山隧道左幅ZK281+940斷面的DDA計(jì)算模型見圖5，圖中塊體顏色僅用于區(qū)分塊體單元，不代表材料屬性。將模型底部豎向位移及兩側(cè)水平位移固定，在隧道與溶腔之間設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)1～6分別位于隧道上方0.5 m、3 m、6 m、9 m、12 m、14.5 m處。

圖4 九頂山隧道左幅ZK281+940斷面的概化計(jì)算 模型(圖中水位僅為示意)Fig.4 Generalized calculation model for ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel(the water level is only for illustration)

圖5 九頂山隧道左幅ZK281+940斷面的DDA計(jì)算模型Fig.5 DDA calculation model for ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

采用的計(jì)算參數(shù)見表1，其中圍巖材料參數(shù)參照地質(zhì)勘察報(bào)告取值；溶腔填充物材料參數(shù)參照軟土取值[26]；支護(hù)彈性模量根據(jù)混凝土和鋼拱架的彈性模量及截面積進(jìn)行等效，而考慮到支護(hù)破壞主要發(fā)生在鋼拱架和混凝土的界面處，故其抗剪強(qiáng)度取鋼拱架-混凝土界面的抗剪強(qiáng)度，可由混凝土抗壓強(qiáng)度估算得出[27-28]。具體計(jì)算工況設(shè)置如下：模擬37 m水頭條件下隧道突涌水過程；采用二分法策略搜索隧道突涌水安全臨界水頭，分析0 m、10 m、11 m、12 m、15 m、18 m 6種溶腔水頭下隧道圍巖的變形演化情況。

表1 DDA計(jì)算參數(shù)Table 1 DDA calculation parameters

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 隧道突涌水過程模擬

在九頂山隧道左幅ZK281+940斷面的DDA計(jì)算模型中將地下水水位標(biāo)高設(shè)置在2 341 m處，此時(shí)溶腔內(nèi)水頭為37m，模擬得到的九頂山隧道左幅ZK281+940斷面突涌水過程，見圖6。

圖6 九頂山隧道左幅ZK281+940斷面突涌水過程模擬Fig.6 Simulation of water inrush process in ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

由圖6可以看出：該隧道斷面突涌水模式為防突巖層破壞，其具體過程為：隧道開挖在圍巖中形成了新的臨空面，隧道頂板巖層在溶腔中高壓巖溶水的作用下向隧道內(nèi)變形；由于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，難以阻止圍巖的持續(xù)變形，支護(hù)發(fā)生破壞；隧道頂板巖層繼而失去支撐，繼續(xù)變形、破壞，最終發(fā)展至溶腔底部，在隧道開挖面與溶腔間形成貫通破壞；巖溶水勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，涌入隧道施工區(qū)，發(fā)生突涌水事故。

具體結(jié)合九頂山隧道左幅ZK281+940斷面的地質(zhì)條件，分析了突涌水事故發(fā)生的有利因素：

(1) 巖溶發(fā)育、滲透壓力大。九頂山隧道左幅ZK281+940斷面廣泛分布有灰?guī)r，灰?guī)r在地下水作用下易發(fā)生溶蝕，形成溶腔并儲存地下水；當(dāng)巖溶水經(jīng)過較長時(shí)間的集聚其勢能達(dá)到一定值時(shí)，受隧道開挖擾動的影響可能穿透隧道頂板快速釋放，發(fā)生突涌水事故。

(2) 圍巖性質(zhì)軟弱。九頂山隧道左幅ZK281+940斷面上方為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，其強(qiáng)度較低、遇水易軟化；隧洞開挖后，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層受到開挖擾動的影響，產(chǎn)生松動破裂，巖層破裂面與上方灰?guī)r溶腔連通，巖溶水產(chǎn)生滲流，在巖溶水的軟化作用下，全強(qiáng)風(fēng)化花崗層被軟化發(fā)生崩解破壞，直至隧道頂板產(chǎn)生坍塌坡壞，發(fā)生突涌水事故。

4.2 隧道突涌水安全臨界水頭值

九頂山隧道左幅ZK281+940斷面發(fā)生首次突涌水事故后，又相繼發(fā)生了多次突涌水事故，分析其原因?yàn)椋河克w為灰?guī)r區(qū)發(fā)育的漏斗狀巖溶水腔體，周圍巖體裂隙發(fā)育，巖溶水首次涌出后，溶腔填充物堵塞涌出口，之后溶腔受地表降雨和周圍巖體裂隙水的補(bǔ)給，當(dāng)水頭達(dá)到某一臨界值時(shí)，再一次涌出，呈現(xiàn)間歇性、反復(fù)性的特點(diǎn)。九頂山隧道該斷面反復(fù)突涌水過程可利用圖7來描述。本次模擬通過改變?nèi)芮恢械乃^值，得到造成隧道頂板破壞、發(fā)生突涌水的安全臨界水頭值。模擬結(jié)果表明：當(dāng)溶腔水頭超過10 m時(shí)，隧道頂板處支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，圍巖向隧道臨空面持續(xù)變形，最終頂板產(chǎn)生坍塌破壞，發(fā)生突涌水事故，因此該隧道斷面發(fā)生突涌水的安全臨界水頭為10 m。需要指出的是，這里研究得出的安全臨界水頭為隧道發(fā)生首次突涌水事故后，再次發(fā)生突涌水事故的安全臨界水頭。

圖7 九頂山隧道左幅ZK281+940斷面反復(fù)突涌水 過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of repeated water inrush process in ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

圖8給出了不同溶腔水頭下九頂山隧道頂板上方0.5 m處監(jiān)測點(diǎn)圍巖的位移時(shí)程曲線。

圖8 不同溶腔水頭下九頂山隧道頂板上方0.5 m處 監(jiān)測點(diǎn)圍巖的位移時(shí)程曲線Fig.8 Displacement-time curves of surrounding rock at the monitoring point 0.5 m above Jiudingshan Tunnel roof under different water heads of the cavity

由圖8可以看出：①當(dāng)溶腔水頭≤10 m時(shí)，隧道頂板上方0.5 m處監(jiān)測點(diǎn)的圍巖位移呈現(xiàn)出先增大、后減小至逐漸穩(wěn)定的演化規(guī)律，該監(jiān)測點(diǎn)圍巖累計(jì)位移減小與本次計(jì)算采用的動力計(jì)算格式有關(guān)，主要是由于未通過人工阻尼耗散能量，導(dǎo)致圍巖開挖形成臨空面后，拱頂巖塊在重力作用下向下運(yùn)動，勢能轉(zhuǎn)化為動能，圍巖重新平衡、穩(wěn)定后，巖塊動能未耗盡，運(yùn)動受限后產(chǎn)生一定的回彈變形，使該監(jiān)測點(diǎn)圍巖位移有所減??；②當(dāng)溶腔水頭>10 m時(shí)，該監(jiān)測點(diǎn)圍巖位移持續(xù)增大，直至隧道頂板產(chǎn)生坍塌破壞。

圖9給出了九頂山隧道拱頂圍巖最大位移量隨溶腔水頭的變化規(guī)律。

圖9 九頂山隧道拱頂圍巖最大位移量隨溶腔 水頭的變化曲線Fig.9 Variation curve of max displacement of Jiudingshan Tunnel roof surrounding rock with the water head of the cavity

由圖9可以看出：①當(dāng)溶腔水頭≤10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖最大位移量較小，且隨溶腔水頭的變化不明顯；②當(dāng)溶腔水頭超過10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖最大位移量發(fā)生突變，因此隧道發(fā)生突涌水的安全臨界水頭為10 m；③當(dāng)溶腔水頭>10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖最大位移量隨溶腔水頭的變化呈正向增長，增長曲線為上凸型，說明隧道拱頂圍巖最大位移量開始增長較快，之后當(dāng)溶腔水頭達(dá)到某一值后，隧道拱頂圍巖最大位移量增長有所減緩。

另外，通過分析不同溶腔水頭下九頂山隧道頂板圍巖變形的演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溶腔水頭較小時(shí)，隧道頂板圍巖變形能夠在支護(hù)作用下保持穩(wěn)定；當(dāng)溶腔水頭較大時(shí)，隧道頂板部分圍巖變形不能保持穩(wěn)定；當(dāng)溶腔水頭進(jìn)一步增大時(shí)，不能保持穩(wěn)定的隧道頂板圍巖范圍變大；當(dāng)溶腔水頭達(dá)到37 m時(shí)，整個(gè)隧道頂板范圍內(nèi)的圍巖均不能保持穩(wěn)定。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

2017年7月27日九頂山隧道左幅ZK281+940～ZK281+947段第一次發(fā)生突涌水、突泥事故后，對該段地下水水位進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，得到隧道上方溶腔內(nèi)水頭的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，見圖10。

圖10 九頂山上方溶腔水頭的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果Fig.10 On-site monitoring results of the water head of the cavity on Jiuding Tunnel

由圖10可見：九頂山隧道發(fā)生首次突涌水事故之后幾天，溶腔內(nèi)持續(xù)保持高水頭，之后迅速回落，2017年8月8日和8月12日受降雨的影響，溶腔水頭又開始上升，而7月28日、29日、30日、8月10相繼發(fā)生了多次間歇性突涌水、突泥事故，這與溶腔水頭變動呈現(xiàn)出高度的相關(guān)性：7月28日至30日，未能有效降低溶腔水頭，溶腔水頭超過安全臨界水頭值(10 m)，造成反復(fù)發(fā)生突涌水事故；8月10日溶腔水頭達(dá)到13.3 m，超過了安全臨界水頭值，發(fā)生突涌水事故；8月13日，溶腔水頭接近但未超過安全臨界水頭值，未發(fā)生突涌水事故?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了本次數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。因此，工程實(shí)踐中在巖溶隧道開挖施工過程中應(yīng)在加強(qiáng)支護(hù)的同時(shí)，采取抽排水措施降低地下水水位，以避免溶腔水頭超過安全臨界水頭值，再次發(fā)生突涌水事故。

5 結(jié) 論

本文針對九頂山隧道發(fā)生突涌水事故的斷面(左幅ZK281+940)，采用非連續(xù)變形分析(DDA)方法模擬了高壓巖溶水作用下隧道頂板產(chǎn)生坍塌破壞、發(fā)生突涌水事故的過程，分析了突涌水發(fā)生機(jī)制，并得到了導(dǎo)致隧道突涌水事故發(fā)生的溶腔安全臨界水頭，主要結(jié)論如下：

(1) 該隧道斷面突涌水模式為防突巖層破壞，其具體突涌水過程如下：隧道開挖在圍巖中形成了新的臨空面，隧道頂板巖層在溶腔中高壓巖溶水的作用下向隧道內(nèi)變形；由于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，難以阻止圍巖的持續(xù)變形，支護(hù)發(fā)生破壞；頂板巖層繼而失去支撐，繼續(xù)變形、破壞，最終發(fā)展至溶腔底部，在隧道開挖面與溶腔間形成貫通破壞；巖溶水勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，涌入隧道施工區(qū)，發(fā)生突涌水事故。

(2) 該隧道斷面具備突涌水發(fā)生的有利條件：①圍巖中廣泛分布有灰?guī)r，灰?guī)r在地下水作用下易發(fā)生溶蝕，形成溶腔并儲存地下水；當(dāng)巖溶水經(jīng)過較長時(shí)間的集聚其勢能達(dá)到一定值時(shí)，受隧道開挖擾動的影響其可能穿透隧道頂板快速釋放，發(fā)生突涌水事故；②隧道上方為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，其強(qiáng)度較低、遇水易軟化，隧洞開挖后，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層受到隧道開挖擾動的影響，產(chǎn)生松動破裂，巖層破裂面與上方灰?guī)r溶腔連通，巖溶水產(chǎn)生滲流，在巖溶水的軟化作用下，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層被軟化發(fā)生崩解破壞，直至隧道頂板產(chǎn)生坍塌坡壞，發(fā)生突涌水事故。

(3) 當(dāng)溶腔水頭≤10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖變形在時(shí)間上呈現(xiàn)出先增大、后減小至逐漸穩(wěn)定的趨勢，其最大位移量較小，且隨溶腔水頭的變化不明顯；當(dāng)溶腔水頭超過10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖變形發(fā)生突變，因此隧道發(fā)生突涌水的安全臨界水頭為10 m；當(dāng)溶腔水頭>10 m時(shí)，隧道拱頂圍巖變形在時(shí)間上呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢，其最大位移量隨溶腔水頭的變化呈正向增長，增長曲線為上凸型，說明開始增長較快，之后當(dāng)溶腔水頭達(dá)到某一值后，隧道拱頂圍巖最大位移量增長有所減緩。

(4) 現(xiàn)場地下水水位監(jiān)測結(jié)果也表明：溶腔水頭與隧道突涌水事故的發(fā)生高度相關(guān)，當(dāng)溶腔水頭超過10 m時(shí)，結(jié)果將發(fā)生突涌水事故，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。工程實(shí)踐中，巖溶隧道開挖施工過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)要采取抽排水措施有效地降低地下水水位，以避免突涌水事故的發(fā)生。

本研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件隧道突涌水防治提供參考，同時(shí)研究結(jié)果也表明：非連續(xù)變形分析(DDA)方法可用于巖溶隧道突涌水破壞過程的模擬以及突涌水安全臨界條件的研究。