隧道充填巖溶管道滑移失穩突水機制

黃震，李仕杰，趙奎，吳銳，鐘文

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隧道充填巖溶管道滑移失穩突水機制

黃震1, 2, 3，李仕杰1，趙奎1，吳銳1，鐘文1

(1. 江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州，341000；2. 南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京，210023；3. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州，221116)

為探究隧道充填巖溶管道滑移失穩突水機制，將巖溶管道視為“塞子”，建立巖溶管道滑移失穩突水的地質模型和力學傳遞模型，推導出充填巖溶管道失穩判據及安全系數計算公式，并通過算例分析巖溶管道傾角和含水體水位對巖溶管道安全性的影響。研究結果表明：弱透水或不透水的充填巖溶管道在突水過程中的作用類似“塞子”，具有較強阻水性能，此時突水模式為巖溶管道的充填物滑移失穩突水；隧道開挖過程中，作用在巖溶管道的下滑力和抗滑力達到臨界條件時，管道發生滑移失穩，最終導致突水的發生；充填巖溶管道的安全系數隨著含水體水位增大而不斷降低，管道傾角對安全系數的影響比水位的影響小；地下水對巖溶管道安全性的影響很大，其中滲透壓力、靜水壓力和揚壓力對管道安全性的影響較大，是觸發管道發生滑移失穩、引發突水的關鍵因素。

隧道工程；突水機制；力學模型；巖溶管道；滑移失穩

為適應我國經濟建設的高速發展、國家安全的需求以及中、西部國土資源開發的需要，我國地下空間開發的規模不斷增大，隧道工程也相應急劇增加，尤其以各類交通(鐵路、公路)、水利水電領域隧道工程建設最為顯著。中國作為世界上巖溶分布面積最大的國家，巖溶已成為我國隧道建設過程中不可忽視的問題[1?3]。巖溶導致隧道工程建設過程中極易遭遇突水突泥、坍塌等地質災害，其中突水突泥所造成的人員傷亡和經濟損失在各類地質災害中居于前列[4?9]。突水突泥災害的有效防控已成為制約我國隧道工程建設的關鍵問題，突水突泥致災機理及預警與控制研究已成為國家基礎工程建設的重點。由于地質條件的復雜性及孕災模式的不同，隧道突水往往表現出不同的類型，其中根據儲藏條件和致災構造的類型，可將突水劃分為裂隙型突水、斷層突水、溶洞溶腔型突水、管道和地下河型突水4類[4]。巖溶管道等充填型致災構造為突水的優勢通道，具有廣泛的地下水補給網路和充足的補給水源，當附近存在大型含水體時將成為潛在的突水通道，一旦突水將造成嚴重的工程災害和環境破壞[9?11]。充填巖溶管道失穩突水模式一般可分為充填介質的滲透失穩及充填體的滑移失穩突水2類[9]。目前，人們對充填巖溶管道失穩突水機制進行了大量研究：李利平[10]建立了強滲流作用下充填介質的滲透失穩力學模型；石少帥[12]采用三維可視化突水突泥模型試驗系統開展了充填型裂隙蓄水構造滲透失穩模型試驗，揭示了充填物滲透失穩的災變演化機制；周毅 等[13?14]利用大型可視化固液耦合試驗平臺研究了隧道開挖過程中充填型巖溶管道在施工擾動和地下水滲流作用下失穩突水機制，指出管道突水明顯受控于其發育形態；CHU[15]建立了3種巖溶管道的力學失穩模型，得到了相應的失穩判據；周宗青[16]綜合理論分析、試驗、數值模擬及軟件開發研究了隧道充填型致災構造突水突泥的災變演化機理。目前的研究主要針對充填介質的滲透失穩模式這一類型，而有關巖溶管道滑移失穩突水的研究較少。當充填巖溶管道弱透水或不透水時，充填體此時具有阻水和充水特征，其在突水過程中起到一種類似于“塞子”的作用。例如早期形成的巖溶管道充填體在歷經長期的地質演化過程后，充填物呈現密實、非均質和穩定的結構狀態，其滲透性較差甚至完全不透水，具有極強的阻水能力，此時充填體就起到了“塞子”的作用[9?10]。BAI等[17]假設陷落柱由圍巖、塞子及塞子與圍巖之間的充填物組成，采用塞子模型對破碎巖體構成的陷落柱進行了描述；孫強等[18]假設巖溶管道由剛體、泥質充填物及巖橋或鎖固段組成運用突變理論對管道導通型突水進行了分析；李術才等[9?10]建立了隧道巖溶充填體滑移失穩突水模型。但在實際工程中，隧道巖溶管道滑移失穩突水演化過程十分復雜，其災變機制尚不明確。隨著大批具有“大埋深、長洞線、高應力、強巖溶、高水壓、構造復雜”等特點的隧道工程的開工建設[9]，巖溶管道滑移失穩突水問題也愈加突出。因此，有必要進一步研究隧道充填巖溶管道滑移失穩突水機制。本文作者在前人研究的基礎上對巖溶管道滑移失穩突水機制及其穩定性判據進行研究，以期為進一步研究隧道突水災變機理提供參考。

1 充填管道滑移失穩力學模型

結合以往研究成果，針對巖溶管道滑移失穩突水建立模型，如圖1所示。圖1中，為隧道半徑，為隧道中心到損傷區距離，為潛在含水體水位(以管道頂面為基準面)，為孔隙水壓力；第個破壞體單元的長度為i，垂高為h，傾角為θ。視致密的充填結構為潛在破壞體，則管道由塞子狀的破壞體及圍巖組成。為分析管道滑移失穩突水的力學演化機理并探討其突水災變的條件，建立管道滑移失穩力學傳遞模型，如圖2所示(其中為工程擾動產生的震動力，為管道直徑，為剪切力，為滲透壓力產生的拖曳力)。本文假設如下：1) 管道與潛在含水體和隧道聯通，且管道由個規則圓柱體(塞子)組成，第個單元體直徑為d，重力為W(見圖2(a))；2) 管道內的破壞體在滑移過程中不發生變形破壞，僅與管道壁之間發生剪切破壞，且剪切帶均勻分布；3) 地下水水位低于隧道水位且不承壓，圍巖及管道中的滲流遵循Darcy定律。需要指出的是，雖然本文將致密的充填結構視為塞子，但實際上并不是完全不透水，故地下水將對充填管道(破壞體)產生力的作用。水對破壞體產生的作用有：物理化學作用(降低滑動面的抗剪強度)、靜水壓力作用和滲透壓力作用[19]。其中，靜水壓力可分為作用在破壞體上的靜水壓力和管道下滑面上的揚壓力；滲透壓力指水的滲流對破壞體產生的作用力，其最終表現為沿著滲流方向作用在滑動面的拖曳力，其分布和大小取決于其中的水力梯度分布[20?21]。

圖1 充填管道滑移地質模型

對于巖體結構，無論是否存在充填物，水的滲流都會對周圍骨架產生滲透壓力作用[20?21]。為了分析作用在破壞體上的滲透壓力，沿滲流方向取1個微圓柱體，其受力示意圖如圖3所示。微圓柱體長Δ，面積為Δ，孔隙率為，則沿滲流方向作用在微圓柱體上的力如下。

1) 孔隙水壓力。設微圓柱體2個端面所受的孔隙水壓力分別為和+Δ，差量Δ表達式為

式中：Δ和Δ分別為微圓柱體兩端面的水位差和高度差；w為水的重度。

2) 水的重力沿滲流方向分力。微圓柱體中地下水的重力沿滲流方向的分力Δw為

3) 微圓柱體產生浮力的反作用力沿滲流方向的分力Δ為

4) 滲透壓力。微圓柱體骨架對水產生阻力，其反作用力即是水對微圓柱體的滲透壓力，設為水受到的單位阻力，則滲透壓力Δ為

圖3 管道微圓柱體受力示意圖

忽略水滲流時的慣性力，根據微圓柱體的水流的靜力平衡關系：

即

由式(6)可求出水對微圓柱體的單位滲透壓力s為

式中：為沿滲流方向的水力梯度。

精確計算水對破壞體的滲透壓力即拖曳力比較困難，較符合工程實際的做法是將此拖曳力近似取總拖曳力的一半[20?22]。設0為總拖曳力，為抗滑力，則作用在破壞體上的拖曳力(見圖2(b))為

此外，作用在管道與潛在含水體接觸端的靜水壓力w1為

管道滑動面上的揚壓力作用方向沿著下滑面法向(見圖2(b))，增加了破壞體的下滑力，揚壓力w2可表示為

管道自重力產生的下滑力和抗滑力可采用基于剛體極限平衡理論的傳遞系數法進行分析和計算(見 圖2(a))，另外，工程擾動產生的震動力(爆破等)對巖溶管道也會產生影響(其中震動力為水平作用力，見圖2(c))，則抗滑力和下滑力可表示為

式中：R為第個破壞體單元的抗滑力；T為第個破壞體單元的下滑力；r為第個破壞體單元與單元管道壁產生的摩擦力；ψ為第個破壞體(充填體)單元傳遞給第+1個破壞體(充填體)單元的傳遞系數。

式中：φ和c分別為第個破壞體單元的滑面摩擦角和內聚力；w2i為第個破壞體單元受到的揚壓力。

在第個破壞體單元任一深度位置取高為Δ的微圓柱體，由庫侖強度理論計算該點的抗剪強度fi為

式中：si為第個破壞體單元受到的法向應力。單元與單元管道壁產生的摩擦力為

對式(16)積分得：

管道滑移失穩突水的安全系數可定義為管道抗滑力和下滑力的比值。根據以上分析與計算，整理可得管道滑移失穩突水的安全系數k為

當管道滑移失穩突水的安全系數k為1時，管道抗滑力等于下滑力，此時管道處于臨滑極限狀態，因此，當k＞1時，管道能夠維持穩定，不會發生突水事故；當k＜1時，巖溶管道將發生滑移失穩，進而誘發突水。

2 算例分析

2.1 工程背景

為驗證式(18)的有效性并分析管道傾角和含水體水位對巖溶管道安全性的影響，本文基于圓梁山隧道的地質力學條件建立簡化的管道滑移失穩突水模型并對其安全性進行評估。

圓梁山隧道為渝懷鐵路全線最難的控制性工程全長11.068 km，巖溶發育，溶洞成群，并穿越長約7.1 km的可溶性灰巖地層，屬于特長深埋隧道，具有高水壓、強巖溶等特點。圓梁山隧道建設過程中先后揭露5個深埋充填型溶洞，分別編號為K1~K5，施工過程中先后發生大規模突水突泥70余次[23]，最高水壓達4.6 MPa，最大涌水量達72 000 m3/h(2002?09?11)，造成9人死亡和巨大的經濟損失。

按溶洞突水次數計算，隧道施工過程中K1溶洞共發生7次突水，K2溶洞發生13次突水，K3溶洞發生1次突水，K4溶洞發生5次突水，K5溶洞發生6次突水。通過對溶洞管道內充填物的介質成分進行測試分析，可將上述5個溶洞充填類型分為泥礫型、細砂型和黏土型[22?25]，其中K1，K2和K3溶洞充填物特征如圖4所示。

K1，K4和K5溶洞為泥礫型充填巖溶，充填物中各組分(黏土、砂、礫石和水)所占的比例基本相同，其級配曲線基本呈直線狀(見圖4(a))，表明巖溶管道充填物未突出前，其級配良好，呈現較致密結構。

1—K1溶洞；2—K2溶洞。

K2溶洞為細砂型充填巖溶，充填介質大都為粉細砂，顆粒均勻，級配不均(見圖4(a))，此類型充填巖溶易透水，因此，容易發生突水涌砂問題。

K3溶洞為黏土型充填巖溶。由圖4 (b)可知：K3溶洞充填物中黏土質量分數達70%以上，為典型的黏土型充填，由于黏土弱透水或不透水，因此在工程擾動和水壓的作用下，此類充填巖溶管道容易發生滑移失穩，常造成爆噴型突水突泥。

2.2 計算分析

以圓梁山隧道為工程背景，采用前面建立的管道滑移導通突水模型對泥礫型及黏土型充填管道安全性進行評估。由于實際工程的條件過于復雜，為簡化計算，將管道考慮為單一滑體，并且忽略工程擾動產生的爆破震動力的影響，管道直徑為，管道長度為，管道傾角為。根據式(18)，管道滑移失穩突水模型的安全系數k可表示為

式中：f可根據管道受到的垂直和水平應力計算求得。

本次計算的力學參數主要參考文獻[22]中圓梁山隧道圍巖和管道的基本力學參數選取；根據文獻[23]，將管道直徑取為2 m，管道長度取為10 m，管道傾角分別取0°，30°，45°，60°和90°；巖溶含水體水位取0～100 m，計算所需的參數如表1所示。

表1 計算參數

利用式(19)對計算得到在巖溶含水體作用下巖溶管道滑移失穩安全系數與管道傾角及含水體水位的關系，如圖5所示。從圖5可以看出：巖溶管道的安全系數隨著巖溶含水體水位的增加而不斷降低。對比含水體水位為0 m和10 m的結果可知：含水體引起的滲透壓力、靜水壓力和揚壓力使巖溶管道安全系數降低87.4%~93.7%(未考慮管道傾角為0°的情況)；相較而言，管道傾角對安全系數的影響較小，以含水體水位為10 m為例，管道傾角由0°變為90°時，安全系數僅降低5.2%。此外，根據圖5(c)可知：管道發生滑移失穩導通突水的臨界水位約為55 m，當含水體水位低于55 m時，充填巖溶管道較穩定，不會誘發突水。

含水體水位/m：(a) 0~100；(b) 0~30；(c) 40~100

為了進一步分析含水體特征對充填巖溶管道穩定性的影響，本文研究當管道傾角=60°時，考慮所有水壓力、不考慮水壓力的影響、不考慮滲透壓力(動水壓力)的影響以及不考慮靜水壓力和揚壓力4種不同情況下，水壓力對安全系數的影響如圖6所示。由圖6可知：不考慮含水體的水壓力影響時，巖溶管道安全系數k約為54.21，管道十分穩定，不會發生突水；水壓力的作用對管道安全性的影響很大，管道安全系數在水壓力的作用下隨著含水體的水位增加而不斷降低。此外，滲透壓力對管道安全性影響顯著，其曲線基本與考慮所有水壓力的曲線重合；靜水壓力和揚壓力對管道安全性的影響也較大，以含水體水位為20 m為例，所有水壓力使管道安全系數降低94.6%，滲透壓力使安全系數降低93.9%，靜水壓力和揚壓力使安全系數降低47.2%。因此，滲透壓力、靜水壓力和揚壓力對管道安全性的影響較大，是觸發管道發生滑移失穩，進而引發導通突水的關鍵因素。

1—考慮所有水壓力的影響；2—不考慮水壓力的影響；3—不考慮滲透壓力的影響；4—不考慮靜水壓力和揚壓力的影響。

3 結論

1) 充填巖溶管道滑移失穩突水多發生在充填體呈密實、非均質和穩定結構狀態的弱透水或不透水的充填巖溶管道中，其在突水過程中的作用類似“塞子”，具有強阻水能力。

2) 地下水在巖溶管道滑移時將對充填體施加靜水壓力、揚壓力和滲透壓力；在隧道開挖過程中，作用在充填巖溶管道的下滑力和抗滑力達到臨界條件時，巖溶管道將發生滑移失穩突水。

3) 致密泥礫型及黏土型充填管道會發生巖溶管道的滑移失穩突水；巖溶管道的安全系數隨著巖溶含水體水位的增加而不斷降低，含水體引起的滲透壓力、靜水壓力和揚壓力將造成巖溶管道安全系數下降；地下水對巖溶管道安全性的影響很大，是觸發管道發生滑移失穩，引發突水的關鍵因素。

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Water inrush mechanism for slip instability of filled karst conduit in tunnels

HUANG Zhen1, 2, 3, LI Shijie1, ZHAO Kui1, WU Rui1, ZHONG Wen1

(1. School of Resources and Environment Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 3. Sate Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to investigate the water inrush mechanism for slip instability of filled karst conduit in tunnels, a fundamental geological model and the mechanical transitive model of the conduit slip were established by assuming the karst conduit as a plug. The instability criteria for the karst conduit and an equation to calculate the safety factor of the karst conduit were deduced. Influences of the conduit inclination and the water level of the aquifer on the safety of karst conduit were investigated. The results show that the karst conduit of low permeability or impermeable plays a role as a plug that has strong water blocking effects, and it leads to water inrush induced by the conduit slip. Conduit slip and then water inrush occur when the sliding force exceeds anti-sliding force. The safety factor of the karst conduit decreases with the increase of water level of the aquifer. The influence of conduit inclination on safety factor is less significant than that of the water level. The safety of karst conduit is strongly related to groundwater. Seepage pressure, hydrostatic pressure and uplift pressure are the key factors to cause conduit slip and water inrush.

tunnelling engineering; water-inrush mechanism; mechanical model; karst conduit; slip instability

U451

A

1672?7207(2019)05?1119?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.015

2018?05?25；

2018?08?25

國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)項目(2013CB036001)；國家自然科學基金資助項目(41702326, 41602294)；博士后創新人才支持計劃項目(BX201700113)；國家博士后科學基金資助項目(2017M620205)；江西省自然科學基金資助項目(20171BAB206022)；中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLGDUEK1703)；江西省教育廳科學技術研究資助項目(GJJ160675)(Project(2013CB036001) supported by the National Basic Research Development Program(973 Program) of China; Projects (41702326, 41602294) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(BX201700113) supported by the Postdoctoral Innovative Talent Support Program of China; Project(20171M620205) supported by the National Science Foundation for Post-doctoral Scientists of China; Project(20171BAB206022) supported by the Natural Science Foundation of Jiangxi Province; Project(SKLGDUEK1703) supported by the Open Fund of State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering of China University of Mining & Technology; Project(GJJ160675) supported by the Science and Technology Program of the Education Department of Jiangxi Province)

趙奎，博士，教授，從事巖石力學與采礦工程研究；E-mail: yglmf_zk@163.com

(編輯 伍錦花)