富水斷層帶隧道突水突泥的臨界判據

陳澤龍 崔江余 王軍 杜濤 李遷

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.泛華建設集團有限公司，北京 100071）

富水斷層帶是隧道建設中導致突水突泥的主要災害源，若能及時預判突水突泥時間，便可及時采取措施。文獻［1-2］揭露了富水斷層帶突水突泥是滲流-侵蝕強耦合過程；文獻［3］研究了地震波和電磁場遇到巖溶水體和不良地質體時前兆信號信息；文獻［4］采用有限元法分析了隧道圍巖應力和變形的變化規律；文獻［5］分析了圍巖滲流場、應力場和位移場的分布特性，探究了隧道穿越富水斷層帶的突水突泥機理；文獻［6］研究了富水斷層帶對掌子面巖體位移和前方巖體松動圈的影響規律。文獻［7］結合工程實例，研究了水文條件和地質構造因素對隧道仰拱處涌突水影響規律。文獻［8］分析得到涌水突泥是由于隧道開挖產生大量新裂隙，圍巖條件惡化與地下水發育相互作用的結果。

上述研究主要集中于富水斷層帶隧道突水突泥機理和超前預報技術，從多指標考慮突水突泥臨界判據的研究較少。鑒于此，本文以和順至邢臺鐵路天河山隧道為背景，采用數值模擬的方法綜合分析隧道掌子面臨近富水斷層帶過程中掌子面最大擠出變形、拱頂沉降、最大滲流速度和掌子面前方塑性區分布發展規律，探究富水斷層帶隧道突水突泥臨界判據。

1 工程概況

天河山隧道起止里程D2K33+710—D2K45+405，隧道長度11 695 m，洞徑5.96 m，為單線隧道。一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，水頭高度0～300 m。

隧道穿越地層主要為第四系上更新統坡洪積粉質黏土和角礫土、震旦系下統串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。砂巖呈灰黃色、灰白色、灰紫色，不同時段巖質成分差別較大，多為硅質和鈣質膠結，部分含泥質。砂巖有泥痕和泥裂，巖質堅硬，細粒～中粗粒結構，薄層～厚層狀構造，節理較發育，單軸飽和抗壓強度35 MPa，基本承載力1 200 kPa。

隧址區位于太行山區，蘊含豐富的地下水。地下水主要為巖溶裂隙水、構造裂隙水及砂巖層間水。巖溶裂隙水與砂巖層間水呈層狀分布，通過構造帶聯通，形成補給和排泄關系。

2 數值模擬

2.1 基本假定和計算工況

基于FLAC 3D 流固耦合功能，采取弱化法模擬斷層帶。假定：①將各類巖土體視為各向同性的均質連續滲透介質；②隧道開挖前巖體內孔隙水為靜止狀，自由水面以下巖體均為飽和態，開挖后地下水流動服從達西定律，地下水滲流為穩定狀態下的單相飽和流；③巖土體釆用Mohr-Coulomb 本構模型，滿足彈塑性變形規律；④不考慮構造地應力，只考慮自重應力的影響，通過上覆土層自重模擬隧道埋深；⑤開挖方法僅按全斷面加初期支護進行模擬。

分為無斷層帶和有斷層帶2 種工況，對比分析隧道突水突泥臨界判據。

2.2 模型的建立與參數的選取

隧道斷面形狀根據《和邢施隧04-29：天河山隧道Ⅲa 型一般錨固段襯砌斷面圖》選取，斷面高8.94 m，寬5.96 m。

隧道洞口上下左右各取5 倍洞徑，則模型寬為80 m，高為100 m，隧頂距模型上表面45 m。在隧道長度方向，斷層帶前后圍巖取20 m，斷層帶厚度20 m，隧道長度共60 m。斷層帶產狀取90°，斷層帶與隧道軸線夾角取90°。數值分析模型見圖1。

圖1 數值分析模型

邊界條件由位移、應力和水力邊界條件組成。左右前后施加法向位移約束，下部施加三向位移約束，上部按上覆土自重施加豎向應力。初始孔隙水壓力設為靜水壓力，呈梯度分布，隧頂水壓3 MPa。計算模型上表面、掌子面和施作初期支護前的隧道表面為透水邊界，其余為非透水邊界。

計算參數依據《天河山隧道地質勘察報告》和TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［9］確定，見表1。砂巖按Ⅲ級圍巖處理。

表1 計算參數

3 模擬結果分析

3.1 掌子面最大擠出變形

圖2 掌子面最大擠出變形與開挖距離關系曲線

掌子面最大擠出變形與開挖距離的關系曲線見圖2。可知：①無斷層帶工況，隧道在砂巖中開挖5～45 m 時掌子面最大擠出變形基本穩定在10.3 mm。開挖45～60 m時掌子面最大擠出變形呈減小-增大-減小趨勢變化。②有斷層帶工況，開挖0～16 m 時掌子面最大擠出變形基本穩定在10 mm，隨著開挖的進行，距斷層帶距離小于4 m 時掌子面最大擠出變形快速增大，最大達到600 mm。

3.2 掌子面處拱頂沉降

掌子面處拱頂沉降與開挖距離關系曲線見圖3。

圖3 掌子面處拱頂沉降與開挖距離關系曲線

由圖3 可知：①無斷層帶工況，當隧道開挖0～5 m時掌子面處拱頂沉降速率快速減小；開挖5～55 m時掌子面處拱頂沉降速率穩定；開挖到55～60 m 時掌子面處拱頂沉降速率快速增大。②有斷層帶工況，隧道開挖小于16 m 時與無斷層帶工況一樣，掌子面處拱頂沉降速率在隧道開挖一定距離后穩定在一定值。當掌子面距斷層帶小于4 m 時，隨著開挖的進行掌子面拱頂沉降速率快速增大。

3.3 掌子面最大滲流速度

掌子面最大滲流速度與開挖距離關系曲線見圖4。

圖4 掌子面最大滲流速度與開挖距離關系曲線

由圖4 可知：①無斷層帶工況隨著隧道開挖距離增加，掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩定。開挖到45 m時掌子面最大滲流速度開始減小，50 m時快速減小。②有斷層帶工況隧道開挖距離小于16 m 時與無斷層帶時一樣，掌子面最大滲流速度先減小而后趨于穩定。距斷層帶距離小于4 m 時，隨著開挖的進行，掌子面最大滲流速度快速增大。

3.4 塑性區分布和發展

隧道開挖后圍巖會發生應力重分布，部分區域圍巖會進入塑性屈服階段，形成塑性區。FLAC 3D 中塑性區有2 種破壞類型：①剪切破壞（shear failure），云圖中顯示為紅色；②拉伸破壞（tension failure），云圖中顯示為紫色。無斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區分布見圖5。

由圖5 可知：開挖1 m 時，掌子面前方塑性區延伸長度為2.5 m，掌子面前方塑性區由近到遠依次為拉伸破壞和剪切破壞；開挖10，30 和50 m 時，掌子面前方塑性區延伸長度均為3.5 m，掌子面前方塑性區由近到遠依次為拉伸破壞和剪切破壞。無斷層帶工況隨著開挖距離增大，掌子面前方塑性區延伸長度穩定在一定值。

有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區分布見圖6。可知：開挖1 m時掌子面前方塑性區延伸長度為4 m，塑性區主要為剪切破壞；開挖15.5 m（即掌子面距斷層帶4.5 m）時，斷層帶中開始出現塑性區，但掌子面前方塑性區未延伸到斷層帶；繼續向前開挖0.5 m，此時掌子面距斷層帶4 m，掌子面前方塑性區和斷層帶塑性區臨界貫通；繼續向斷層帶開挖，斷層帶塑性區快速擴展。

綜上所述，當隧道掌子面距斷層帶4 m 時，掌子面前方塑性區與斷層帶塑性區臨界貫通，掌子面與斷層帶間圍巖中的裂隙填充物加快流失，從而形成過水通道導致掌子面最大滲流速度突增，掌子面前方圍巖加速劣化，最大擠出變形和拱頂沉降也突增，此時意味著突水突泥災害即將發生。

圖6 有斷層帶工況不同開挖距離下圍巖塑性區分布

4 結語

1）有斷層帶工況，掌子面前方塑性區與斷層帶塑性區臨界貫通時機與掌子面最大擠出變形、最大滲流速度、拱頂沉降速率由穩定到快速增大時機一致，皆在掌子面距斷層帶4 m（約0.5倍洞徑）時。

2）工程設計時可通過數值計算，將掌子面前方塑性區與斷層帶塑性區臨界貫通時機作為隧道突水突泥臨界判據；現場施工時可輔以掌子面處拱頂沉降速率，綜合確定隧道突水突泥時機。