隧道斷層突水突泥前兆信息演化規律數值模擬研究

翁賢杰， 徐繼光， 劉 軍， 張連震

(1. 江西交通咨詢有限公司， 江西 南昌 330008； 2. 山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061； 3. 江西省高速公路投資集團有限責任公司， 江西 南昌 330025；4. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

0 引言

隨著我國交通基礎設施的蓬勃發展，大量隧道工程建設在我國西南部地質極其復雜的山區及巖溶地區，隧道開挖過程中時常發生突水突泥災害[1-3]，并造成了嚴重的經濟損失與人員傷亡。突水突泥災害的有效控制已成為地下工程防災減災領域的重要課題。

國內外學者在突水突泥機制研究方面取得了較多的研究成果。馬士偉[4]基于剪切破壞理論和薄板理論，研究了巖溶隧道突涌水破壞機制及其行為特征；王軍璽等[5]根據水力劈裂理論，提出了壓力水力劈裂作用下的巖溶深埋隧道高壓突水機制；劉招偉等[6]將水壓力視為巖溶隧道的主要安全威脅，根據水壓作用于隧道的位置情況，將巖溶隧道突水分為巖梁型突水、拱梁型突水和板柱型突水3種類型，并進行了相應的力學機制分析；王遇國[7]基于斷裂力學理論，將巖溶防突巖層視為平面應變固支梁，推導了簡化模型的應力狀態公式；李利平[8]將巖溶隧道突水分為地質缺陷式和非地質缺陷式2類，采用流固耦合理論和突變理論分別研究了2種模式突水通道的形成過程及其失穩的力學判據。另外，L. Shi等[9]、黎良杰等[10]、許增榮[11]研究了斷層要素及其所處采空區位置與突水的關系，認為斷層面傾向采空區邊界時易發生突水，特別當斷層傾角與最大膨脹線相吻合時，最容易發生突水。然而，上述研究集中于突水突泥機制的概念理論，缺乏對具體災變過程中多種前兆信息演化過程的研究，導致無法進行有效的工程指導。

為解決上述問題，本文在分析滲流誘發斷層突水突泥機制的基礎上，依托江西永蓮隧道斷層破碎帶突水突泥災害工程實例，建立可模擬隧道動態開挖穿越斷層帶過程的有限元計算模型，分析隧道開挖過程中滲流場、應力場、隧道涌水量、塑性區分布等災害前兆信息的演化規律，以期為斷層帶突水突泥臨災預警提供技術支撐。

1 滲流誘發斷層突水突泥機制

斷層帶巖體具有空隙大、滲透性好、結構疏松破碎、強度低等特點。地下水滲流作用對斷層帶充填物介質力學性質影響較大，是誘發斷層破碎帶巖體滲透失穩，導致突水突泥災害發生的關鍵因素之一。滲流誘發斷層突水突泥主要通過軟化、泥化和力學破壞等作用形成。

1.1 地下水對巖體的軟化、泥化

地下水補充到巖體內部時，充填物顆粒通過表面吸著力將水分子吸附到其周圍，顆粒之間的間距相對增大，膠結作用被弱化，巖體結構面間的摩阻力減小，從而對巖體產生潤滑作用。地下水滲入致使斷層充填物含水量增加，物理性狀發生改變，巖體由固態向塑態甚至液態轉化，斷層帶發生軟化、泥化現象，造成巖體黏聚力和摩擦角值大幅減小，力學性能發生蛻變。

1.2 滲流誘發通道擴展

地下水總是尋找構造帶的軟弱區域優先運移，并逐漸突破其關鍵部位，形成突水突泥。斷層帶破碎巖體基本呈現散體狀結構形式[12]，區域內巖體由巖塊骨架(如斷層角礫巖等)和充填物組成，細小充填物填充于巖塊空隙中，巖塊之間的空隙構成了良好的滲水通道。地下水在斷層破碎帶巖體裂(孔)隙通道中運動會對充填物顆粒產生滲透壓力作用，可使顆粒物質產生移動，甚至被遷移帶出巖土體，導致巖體空隙增加和結構穩定性變差。

地下水流動時會對巖體孔隙或裂隙產生靜水壓力、滲流動水壓力和拖拽力的三重力學作用[13-14]。靜水壓力是一種表面力，對孔隙或裂隙壁產生法向作用力。滲流動水壓力是體積力，力的作用方向與地下水流動方向一致，對巖體空隙細小充填物產生沿水流方向作用力。拖拽力是一種面力，對通道壁產生沿水流方向的切向拖拽作用。在靜水壓力作用下，通道壁面發生法向張拉變形和位移，利于通道法向擴展。在滲流動水壓力作用下，充填物在滲透方向上發生剪切變形和位移，破碎帶巖體通道顆粒由初始緊密的結構逐漸轉化為松散稀疏的結構，甚至由塑態向液態轉化。在拖拽力的作用下，通道壁面發生切向變形和位移，壁面的土體顆粒在水的浸泡和切向力作用下，極易發生遷移，隨水流流出。

1.3 滲流失穩致災

一方面，在地下水滲流作用下，巖體空隙通道中的原有充填物顆粒不斷被運移帶走，巖體空隙率增加。另一方面，在靜水壓力和拖拽力的作用下，新增巖土體顆粒剝落遷移至空隙通道內，并被水流遷移帶走，從而破碎帶巖體滲透性不斷增強。空隙和滲透性的增大又反過來增加滲流速度和滲透壓力，導致更多的巖土體顆粒被地下水遷移帶出巖體。這種滲流-應力耦合作用導致斷層帶巖體的滲透性不斷增加，當平衡條件被破壞時，破碎巖體發生滲流失穩，誘發突水突泥地質災害。

2 斷層帶突水突泥機制數值模擬

采用COMSOL有限元數值軟件，考慮流固耦合作用，模擬分析隧道斷層帶開挖過程中應力場、位移場、滲流場等變化情況，主要從斷層圍巖穩定性角度研究隧道遇斷層發生突水突泥機制。

2.1 流固耦合計算原理

采用COMSOL中的流體流動模塊和固體力學模塊進行流固耦合計算，在滲流場和應力場中設置耦合交叉項進行計算?；赥erzaghi有效應力原理，主要滲流場-應力場耦合方程如下。

-·σ=Fv；

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)—(5)中：Fv為體荷載,N/m3；σ為應力場，Pa；為哈密頓算子；u為位移場，m；ε為應變；Qm為滲流源匯項；ρ為流體密度，kg/m3；S為壓縮系數；pf為流體壓力，Pa；t為時間，s；v為滲流速度，m/s；αB為Biot-Willis系數；evol為孔隙比；μ為流體動力黏度，Pa·s；k為滲透率，m2；D為計算點位置高度，m；g為重力加速度，m/s2；χf為壓縮率，1/Pa。

在軟件計算過程中，滲流相關的物理量在流體流動模塊中進行計算，通過對圍巖與斷層介質賦參(包括滲透率、流體密度等)并定義滲流邊界條件，基于達西定律開展流體壓力及滲流速度的計算；應力位移相關的物理量在固體力學模塊中進行計算，也是通過對圍巖與斷層介質賦參(包括彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角等)并定義受力變形邊界條件，基于彈性模型及摩爾-庫侖塑性屈服準則開展巖體應力場及位移場的計算；滲流場計算與巖體應力位移場的計算基于有效應力原理通過設置耦合交叉項來實現，在滲流場與巖體應力位移場的計算過程中，巖體有效應力與流體壓力之和為總應力。通過以上關系實現流體壓力與巖體有效應力的定量關聯，在軟件計算過程中求解滲流場與巖體應力位移場時可相互調用計算結果，迭代計算，從而實現滲流場與巖體應力位移場的耦合求解計算。

2.2 基本假定

1)巖體為均質、各向同性的等效連續滲透介質。

2)開挖前孔隙水處于靜止狀態，自由水面以下的巖體處于飽和狀態；隧道開挖后地下水流動滿足達西定律，滲流為單相飽和流動，并處于穩定狀態。

3)巖體的初始應力場不考慮構造應力，僅考慮其自重應力。

4)將巖體變形視為彈塑性變形，巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。

5)不考慮初期支護和二次襯砌的影響，僅按毛洞進行模擬分析，計算結果雖然一定程度上夸大了滲流和應力耦合作用效應，但有利于更直觀地分析和揭示突水突泥災害前兆信息演化規律。

2.3 計算模型

以江西省永蓮隧道F2斷層破碎帶為研究對象，該隧道位于江西省吉安至蓮花高速公路西段，設計為分離式長隧道，左線起訖里程ZK90+349～ZK92+835，長2 486 m，右線起訖里程YK90+335～YK92+829，長2 494 m。隧道穿越F2大型斷層破碎帶，斷層破碎帶含水異常豐富，水源補給條件復雜，充填介質巖性種類多,組分復雜。隧道左洞在穿越F2斷層帶過程中于2012年7月2日至8月19日期間發生8次突水突泥災害，涌出淤泥約17 100 m3，右洞在2012年8月12日至10月25日期間發生7次突水突泥災害，涌出淤泥約22 500 m3。突泥涌出物如圖1所示，大規模突水突泥造成了嚴重的機械設備損失與工期延誤。另外，山體內大量介質損失造成隧道上方山體發生地表塌陷，如圖2所示。

圖1 突泥涌出物

圖2 地表塌陷

地下洞室開挖在3倍洞徑之外影響一般小于5%[15-16]。因此，水平方向上，計算模型由隧道軸線向兩側各取60 m；豎直方向上，下邊界取至隧底48 m，上邊界取至靜止水位線處，將超出模型計算范圍的巖體按自重應力均布在隧道模型上表面。隧洞掌子面施工至距斷層0.75～1.25倍洞徑范圍時，圍巖應力、位移有較大變化[17]，因此縱向范圍由斷層向兩側各延伸70 m。整個計算模型三維尺寸為120 m×190 m×190 m。三維計算模型及網格劃分見圖3。計算模型縱斷面圖見圖4。

圖3 三維計算模型及網格劃分(單位： m)

圖4 計算模型縱斷面圖(單位： m)

滲流場邊界條件： 模型上表面、隧道開挖周邊及掌子面設置孔隙水壓力為零邊界；隧道左右、前后以及底部設為無流動邊界。

應力、位移場邊界條件： 模型上表面受上覆50 m巖土體重力作用；隧道開挖周邊及掌子面為自由邊界；隧道左右、前后限制水平位移，設為輥支承約束；隧道底部設為固定約束。

巖體力學參數根據工程地質勘察報告和現行有關規范選取，各參數具體取值見表1。

表1 圍巖物理力學參數

在具體計算過程中，隧道由數值計算模型的左側邊界開始開挖，開挖方向為由左至右，直至隧道開挖完全通過斷層區域，隧道掌子面開挖推進距離的計算起點以計算模型的左側邊界為起算點。

2.4 計算結果

2.4.1 孔隙水壓力場分析

隧道開挖穿越斷層帶過程中，掌子面開挖推進0、30、92 m時圍巖孔隙水壓力分布見圖5—7。

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

Fig. 6 Distribution of pore water pressure after excavation of 30 m (unit: Pa)

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

Fig. 7 Distribution of pore water pressure after excavation of 92 m (unit: Pa)

分析圖5—7可知： 開挖前，隧道圍巖初始孔隙水壓力整體呈層狀分布，在普通圍巖與斷層帶兩者間的分布場一樣，均隨著深度的增加而增加；開挖后，圍巖孔隙水壓力場發生明顯變化，隧道周圍孔隙水壓力等勢面密集，水壓力較低，形成類似于漏斗狀的低孔隙水壓力區域，特別當隧道開挖進入斷層破碎帶后，漏斗狀低孔隙水壓力區域相比于普通圍巖進一步擴大。隧道開挖30 m后，最大孔隙水壓力1.534 MPa；開挖92 m進入斷層破碎帶后，最大孔隙水壓力降低為1.027 MPa，孔隙水壓力大幅消散。隧道穿越斷層帶時，地下水更容易向洞內滲透，造成圍巖軟化，力學性能降低，從而加劇斷層破碎帶巖體的失穩破壞。由于隧道開挖掌子面的形成，掌子面處水壓力為零，導致隧道圍巖中的地下水向隧道掌子面匯集，進而形成降水漏斗。當隧道開挖進入斷層破碎帶之后，由于斷層圍巖的滲透性強于周圍普通圍巖，導致孔隙水滲流速度增加，掌子面附近圍巖更容易被弱化，大大增加了突水突泥災害發生的風險。

2.4.2 應力場分析

隧道開挖穿越斷層過程中，取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監測面。圖8為掌子面開挖推進30、68、76 m時圍巖第一主應力分布云圖。

(a) 開挖30 m后第一主應力分布

(b) 開挖68 m后第一主應力分布

(c) 開挖76 m后第一主應力分布

Fig. 8 Nephograms of first principal stress of surrounding rock at different excavation distances (unit: N/m2)

分析圖8可知： 隧道開挖后，高應力主要集中在隧道側壁、拱腳附近區域；低應力主要集中在拱頂和底板區域。最大壓應力出現在拱腳附近，拉應力出現在拱頂和拱底附近。進入斷層前，隨著隧道開挖推進，圍巖的第一主應力最大值逐漸增大，開挖30 m時，第一主應力最大值為2.56 MPa；隧道開挖68 m時，由于掌子面非常接近斷層面，應力集中現象達到最大，主應力最大值高達4.94 MPa，增幅接近1倍；開挖76 m進入斷層帶后，第一主應力分布形式有較大改變，由進入斷層前的“蝴蝶”型分布轉變為圍繞洞周的類似“拱形”分布，應力的急劇變化，導致隧道洞周圍巖出現大范圍卸荷、應力松弛、拉應力區增大現象。

2.4.3 位移場分析

隧道開挖穿越斷層破碎帶過程中，圍巖位移變化情況如圖9所示，其中向上位移為正值，向下位移為負值。取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監測斷面，研究分析隧道圍巖豎向位移變化情況。

圖9 圍巖位移變化情況

隧道開挖推進至斷層破碎帶前，隧道圍巖豎向位移受斷層影響不大，位移值基本穩定在某個較小值附近，變化不大。隧道由30 m向60 m推進時，拱頂沉降由6.409 mm變為7.538 mm，增幅僅為17.6%；拱底隆起變化幅度較拱頂更小，由10.1 mm變成10.2 mm，增幅約為1%。隨著隧道開挖向斷層推進，位移量出現急劇性、突變性增大的現象。隧道開挖推進92 m時，已深入斷層帶，拱頂沉降值達到23.8 mm，較推進30 m時增加271.4%；拱底隆起值達到25.7 mm，增幅高達154.5%。可見，隧道施工穿越斷層帶過程中，由于斷層抵抗變形的能力顯著低于斷層兩側正常圍巖，在相同地應力條件下，斷層帶內隧道圍巖位移顯著大于兩側正常圍巖，圍巖位移急劇性、突變性增加；由于斷層段隧道圍巖位移與兩側正常圍巖段隧道圍巖位移存在明顯差別，隧道極有可能在斷層邊界處發生失穩，進而導致大變形甚至突水突泥災害發生。

2.4.4 塑性區分析

取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監測斷面，研究洞周圍巖塑性區變化情況。圖10為掌子面開挖推進30、60、92 m時監測斷面洞周圍巖塑性區分布云圖。

分析圖10可知: 隨著隧道開挖向斷層推進，洞周圍巖的塑性區變化顯著，塑性區范圍不斷急劇性、突變性擴大。隧道開挖進入距斷層帶較遠時，圍巖塑性區變化不大，基本呈“月牙型”分布，主要集中在拱肩至拱腳區域，尚未波及拱頂和拱底，隧道圍巖屈服深度為2.5 m左右;隨著隧道開挖向斷層接近，塑性區逐步向拱頂和拱底擴大，開挖至60 m時，受斷層影響，隧道拱頂出現塑性區;當隧道開挖進入斷層帶后，隧道拱頂和拱底出現大范圍的塑性區，開挖至84 m時，隧道整個斷面四周均出現了塑性區，屈服深度為2～2.5 m；開挖至92 m深入斷層時，隧道洞周塑性區進一步擴大，屈服深度擴展至3 m左右，斷層的破壞范圍急劇增大。

(a) 開挖30 m后洞周塑性區分布

(b) 開挖60 m后洞周塑性區分布

(c) 開挖92 m后洞周塑性區分布

塑性區范圍是圍巖穩定性的綜合指標之一，塑性區圍巖可認為已經發生破壞。由于斷層圍巖的黏聚力與內摩擦角普遍低于普通圍巖，所以當隧道開挖進入斷層帶后，塑性區范圍覆蓋了整個洞周范圍并且屈服深度有所增加。斷層帶施工過程中，圍巖發生大面積塑性破壞，破壞區形成的裂隙使得含水層和隧道開挖面形成水力聯系。在地下水的沖刷作用下，裂隙逐漸擴展成為導水通道，最終造成隧道圍巖失穩，形成突水突泥。

2.4.5 滲流場及滲流量分析

圖11為隧道開挖推進50 m和84 m時，掌子面后方5 m監測斷面洞周的滲流速度分布云圖。掌子面后方5 m處斷面最大滲流速度變化曲線如圖12所示。

(a) 開挖50 m后掌子面后方5 m滲流速度場

(b) 開挖84 m后掌子面后方5 m滲流速度場

Fig. 11 Nephograms of distribution of seepage velocity around tunnel (unit: m/s)

圖12 隧道涌水量與最大滲流速度變化曲線

Fig. 12 Curves of water inflow and maximum seepage velocity in tunnel

分析可知，隧道開挖后，拱腳附近區域滲流速度最大，高滲流速度區呈現類似于蝴蝶翼形式分布。隨著開挖向斷層推進，掌子面附近圍巖的滲流速度發生急劇性、突變性增大。隧道開挖進入斷層帶區域前，地下水流動較為穩定，流速變化不大;隧道開挖至10 m時，最大滲流速度為7.7×10-6m/s；開挖至50 m時，最大滲流速度為9.2×10-6m/s，增幅僅為19.4%；開挖至60 m時，受斷層帶影響，最大滲流速度變為9.7×10-6m/s，增幅達到25.9%。隧道開挖進入斷層帶后，流速發生突變現象，呈現突然急劇性增大，掌子面推進至92 m時，最大滲流速度達到2.2×10-5m/s，增幅高達185.7%。因此，隧道施工至斷層帶后，滲流速度急劇增大，地下水對斷層巖體的泥化軟化作用及滲流通道擴展作用也顯著提升，斷層巖體內的細小顆粒不斷被帶出斷層帶，斷層力學性能及抗滲性能迅速降低。當斷層性能降低到一定程度時，極易造成突水突泥災害。

為形成同情況對比，在圖12中列出隧道掌子面涌水量隨開挖推進距離變化情況?？芍?，掌子面涌水量與最大滲流速度隨開挖推進距離的變化趨勢保持一致。開挖推進至斷層帶前，掌子面涌水量變化較??；開挖至40 m時，掌子面涌水量為128.2 m3/d，較開挖10 m時僅增大2.23%；開挖至60 m時，受斷層帶影響，掌子面涌水量為145.8 m3/d，增幅達到16.3%；進入斷層帶后，掌子面涌水量急劇增加，發生突變現象；開挖至92 m時，掌子面涌水量增加為243.8 m3/d，增幅達到94.53%，涌水量的急劇性增加，極易引發突水突泥。

綜合上述數值分析結果，隧道由普通圍巖開挖進入斷層圍巖后，應力場、位移場、滲流場、隧道涌水量等前兆信息均發生了突變，主要表現為： 1)應力分布急劇變化，由進入斷層前的“蝴蝶”型分布轉變為圍繞洞周的類似“拱形”分布； 2)隧道圍巖位移包括拱頂沉降與拱底隆起急劇性、突變性增大； 3)塑性區范圍覆蓋了整個洞周范圍并且屈服深度有所增加； 4)地下水滲流速度發生突變，呈現突然急劇性增大。以上災害前兆信息變化趨勢表明當隧道開挖進入斷層破碎帶后極易發生突水突泥事故。

在吉蓮隧道開挖進入F2斷層破碎帶后，隧道左洞先后發生8次突水突泥災害，涌出淤泥約17 100 m3，隧道右洞先后發生7次突水突泥災害，涌出淤泥約22 500 m3。左洞與右洞突水突泥災害發生位置與斷層帶的位置關系如圖13所示，突水突泥災害發生位置均在斷層帶區域內，一定程度上驗證了本文數值模擬結果的正確性。

圖13 突水突泥災害發生位置與斷層帶的關系

Fig. 13 Relationship between fault zone and location of water and mud inrush

3 結論與展望

1)建立了可模擬隧道動態開挖穿越斷層帶過程的有限元計算模型，該模型可實現隧道開挖過程中滲流場、應力場、隧道涌水量等變化過程的全過程模擬。

2)當掌子面接近斷層時，應力集中現象達到最大，主應力最大值高達4.94 MPa，增幅接近1倍，高應力集中極易導致隧道施工至斷層附近區域圍巖失穩。

3)由于斷層抵抗變形的能力顯著低于斷層兩側正常圍巖，導致斷層帶內隧道圍巖位移顯著大于兩側正常圍巖，圍巖位移急劇性、突變性增加。由于斷層段隧道圍巖位移與兩側正常圍巖段隧道圍巖位移存在明顯差別，隧道極有可能在斷層邊界處發生失穩。

4)隧道開挖至斷層帶后，地下水滲流速度及涌水量急劇增大，地下水對斷層巖體的泥化軟化作用及滲流通道擴展作用顯著提升，斷層巖體內的細小顆粒不斷被帶出斷層帶，斷層力學性能及抗滲性能迅速降低，當斷層性能降低到一定程度時，極易造成突水突泥災害。

本文主要是針對突水突泥災害發生前的各個物理場、圍巖塑性區、涌水量等前兆信息進行研究，而突水突泥災害發生過程中其流體流動狀態、圍巖受力狀態與穩定巖土體具有顯著的差別，因此本文研究成果尚不能有效描述災害發生過程，下一步將主要開展突水突泥發生過程中流體流動跟蹤分析與巖土體塌方過程的研究。