深埋隧道突水影響因素分析

于 斌 謝 帆

(天津市海河管理處，天津 300141)

深埋隧道突水影響因素分析

于 斌 謝 帆

(天津市海河管理處，天津 300141)

采用理想概化模型對深埋隧道突水影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬，綜合考慮了工程埋深、斷層、溶洞中內(nèi)水壓力、側(cè)壓力系數(shù)及隔水層厚度四個(gè)因素對圍巖及隔水巖層變形破壞的影響，得出了一些結(jié)論。

斷層，數(shù)值模擬，變形破壞

0 引言

按致災(zāi)構(gòu)造的幾何形式不同，分別建立兩種模型：溶洞突水模型和斷層(巖溶管道)突水模型。圓形隧道的直徑為10.0 m，四個(gè)影響因素分別設(shè)有五個(gè)水平。側(cè)應(yīng)力系數(shù)的選擇參考了地應(yīng)力實(shí)測的結(jié)果。各地平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力之比隨深度的變化規(guī)律見圖1。

兩個(gè)水平應(yīng)力一般不相等。將兩個(gè)水平應(yīng)力的平均值記作σh,av，則σh，av/σv為平均側(cè)應(yīng)力系數(shù)。

布朗和霍克的統(tǒng)計(jì)回歸得出，平均側(cè)應(yīng)力系數(shù)隨深度變化有如下規(guī)律：

其中，H為深度，m。

可見，σh,max/σv一般介于0.5～5.5之間，且多數(shù)大于2；在淺層地殼中，大部分平均水平應(yīng)力要大于鉛垂應(yīng)力。隨深度增加，側(cè)應(yīng)力系數(shù)σh，av/σv逐漸減小。這主要是由于構(gòu)造應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主；隨深度的增加，自重應(yīng)力增加，而構(gòu)造應(yīng)力對于自重應(yīng)力的比值就小。

隧道埋深考慮600 m～1 400 m，內(nèi)水壓力1 MPa～5 MPa。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

1 溶洞突水模型

溶洞理想化為與隧道相當(dāng)?shù)膱A洞，四個(gè)因素及水平具體見表2。

采用巖土工程通用軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析，準(zhǔn)三維模型水平方向?yàn)?0 m，高度方向50 m，厚1 m。為達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)，前后面為法向約束，其余四個(gè)側(cè)面采用應(yīng)力邊界條件以模擬深部地應(yīng)力環(huán)境。采用六因素五水平正交表進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)，圍巖中的最大位移和塑性區(qū)體積為試驗(yàn)結(jié)果，具體見表3。因素指標(biāo)分析見圖2。

表2 溶洞突水模型因素水平表

表3 溶洞突水?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果

由圖2可知，圍巖中的最大位移及塑性區(qū)擴(kuò)展隨隔水層厚度增加而減小，隨埋深的增加而變大。側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1即靜水壓力環(huán)境對隧道圍巖穩(wěn)定最為有利[1]。值得一提的是，內(nèi)水壓力的存在相當(dāng)于在溶洞中增加了支護(hù)，對于抑制塑性破壞區(qū)的擴(kuò)展是有利的。但是隧道開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的開挖損傷區(qū)內(nèi)(隔水巖層)圍巖滲透性能增加，將導(dǎo)致內(nèi)水壓力的降低，對隧道穩(wěn)定非常不利。

隔水層厚度僅為2.5 m(隧道半徑的1/2)時(shí)的5個(gè)計(jì)算結(jié)果都顯示，隔水巖層中的塑性區(qū)都貫通，變形非常大，甚至?xí)趪鷰r中形成第二貫通通道(見圖3)，說明此時(shí)是非常危險(xiǎn)，極有可能發(fā)生突水。

結(jié)果表明，隔水巖層中的塑性區(qū)有可能貫通，變形較大，在條件較好時(shí)，存在塑性區(qū)不貫通的可能。

2 斷層突水模型

斷層理想化為厚度5 m，長25 m，產(chǎn)狀水平的矩形硐室。斷層突水?dāng)?shù)值模型見圖4。

采用六因素五水平正交表進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)，圍巖中的最大位移和塑性區(qū)體積為試驗(yàn)結(jié)果，具體如表4所示。因素指標(biāo)分析如圖5所示。

表4 斷層突水?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果

由圖5可知，圍巖中的最大位移及塑性區(qū)擴(kuò)展隨隔水層厚度增加而減小，隨埋深的增加而變大[2]。側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1即靜水壓力環(huán)境對隧道圍巖穩(wěn)定最為有利。值得一提的是，內(nèi)水壓力的存在相當(dāng)于在斷層中增加了支護(hù)，對于抑制塑性破壞區(qū)的擴(kuò)展是有利的。但是隧道開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的開挖損傷區(qū)內(nèi)(隔水巖層)圍巖滲透性能增加，將導(dǎo)致內(nèi)水壓力的降低，對隧道穩(wěn)定非常不利。

隔水層厚度為2.0 m，4.0 m和6.0 m時(shí)的15個(gè)計(jì)算結(jié)果都顯示，隔水巖層中的塑性區(qū)都貫通，變形非常大，說明此時(shí)是非常危險(xiǎn)，極有可能發(fā)生突水，見圖6。

隔水層厚度為8.0 m時(shí)的5個(gè)計(jì)算結(jié)果都顯示，隔水巖層中的塑性區(qū)在條件惡劣的時(shí)候會貫通[3]，變形較大；在條件較好時(shí)未貫通(見圖1)，說明此時(shí)仍有突水的可能性。

隔水層厚度為10 m(隧道直徑)時(shí)的5個(gè)計(jì)算結(jié)果表明，隔水巖層中的塑性區(qū)都未貫通，說明此時(shí)突水的可能較小。

在斷層突水且斷層厚度(巖溶管道直徑)與隧道半徑相當(dāng)?shù)臈l件下，若隔水巖層的厚度與隧道直徑接近，則突水的可能性較小[4]。

3 結(jié)語

巖溶水和水壓在巖石突水破壞過程中對巖石的微觀破壞作用主要體現(xiàn)在水對巖石的軟化溶蝕作用、水壓對裂隙巖體的有效應(yīng)力作用、水壓在斷層水中的推力導(dǎo)升的水楔作用和水流的沖刷擴(kuò)徑作用。

隧道開挖直接、間接都能誘發(fā)突水突泥事故，甚至在開挖面后方也存在發(fā)生事故的可能。根據(jù)已有的隧道工程巖溶突水現(xiàn)象，可將其發(fā)育模式概化為滲(漏)水型、施工揭露充水巖溶管道網(wǎng)絡(luò)型、施工穿越阻水?dāng)鄬有汀⑺ε研秃偷装迮蛎浶臀宕箢悺?/p>

巖溶隧道突水突泥簡化為彈性梁板模型、雙孔洞力學(xué)模型，裂隙導(dǎo)通模型和巖墻模型等力學(xué)模型，然后采用材料力學(xué)和彈性力學(xué)的相關(guān)知識進(jìn)行分析。數(shù)值計(jì)算表表明，在溶洞突水且溶洞規(guī)模與隧道相當(dāng)?shù)臈l件下及在斷層突水且斷層厚度(巖溶管道直徑)與隧道半徑相當(dāng)?shù)臈l件下，若隔水巖層的厚度與隧道直徑接近，則突水的可能性較小。

[1] 劉招偉,何滿潮,王樹仁.圓梁山隧道巖溶突水機(jī)理及防治對策研究[J].巖土力學(xué),2006,27(2):228-232.

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[3] 楊天鴻,唐春安,譚志宏,等.巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測預(yù)報(bào)研究發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(2):268-277.

[4] Geier J.,W.Dershowitz,P.Wallmann,et al.Discrite fracture modeling of in-site hydrologic and tracer experiments[C].Proceding International Conference on Fractured and Jointed Rock Masses,Lake Tahoe,CA,1992.

Analysis of influencing factors of deep buried tunnel water inrush

Yu Bin Xie Fan

(TianjinHaiheRiverManagementOffice,Tianjin300141,China)

The paper adopts the ideal model validation to undertake the numeric simulation, has the comprehensive consideration of the four factors, including engineering buried depth, faults, inner water pressure of karst caves, lateral pressure coefficients and thickness of water-resisting layer, indicates their influence on surrounding rocks and damages of water-resisting layer deformation, and achieves some conclusion.

fault, numeric simulation, deformation damages

1009-6825(2015)28-0167-03

2015-07-27

于 斌(1982- )，男，工程師； 謝 帆(1982- )，女，工程師

U453.6

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