隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機理模擬試驗研究

李玉生，翁賢杰,2，王人杰,張龍生，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.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東 濟南 250003; 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

隨著我國隧道建設規模的不斷擴大，大量隧道修建在地質條件極端復雜的西部、南部山區，斷層破碎帶是隧道修建過程中經常穿越的不良地層，由于斷層破碎帶一般具有結構松散、富水性強、無自穩能力等顯著特點，在隧道開挖穿越斷層破碎帶的過程中極易誘發突水突泥災害[1-4]，造成嚴重的人員財產損失，甚至有的工程被迫停建或改線。

隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機理非常復雜，涉及地下水流動、圍巖弱化、開挖擾動等一系列問題，大量學者對斷層破碎帶突水突泥災害開展了深入研究。在理論研究方面，李術才等[4-5]通過221例突水突泥災害案例統計分析，將突水突泥致災構造劃分為3種類型，即巖溶類、斷層類及其他成因類，為突水突泥災害致災機制研究奠定了基礎。孟凡樹等[6]基于筒倉理論和極限平衡方法，建立了隧道斷層破碎帶突水力學模型，并推導了防突巖盤所受地應力的計算公式。黃鑫等[7-8]采用統計與理論分析相結合的方法，針對巖溶隧道突水突泥災害的災害源和防突結構，選取不同相關因素，建立了一種適用于工程現場的巖溶隧道突水突泥防突評判方法。ZHU J Q[9]等基于突變理論建立了巖溶隧道突水突泥風險評估模型并依托實際工程開展了工程應用。鄒陳等[10]依托滬昆客專白巖腳隧道工程，從地質環境、氣候條件等方面分析了隧道突水致災機理。目前的理論研究多集中于工程案例的統計與力學模型簡化兩個方面，尚未形成對突水突泥災害過程的完整準確描述。在試驗研究方面，劉金泉等[11]自行設計了一套可考慮質量遷移及三向應力狀態的大型室內突水突泥試驗系統，研究揭示了風化花崗巖隧道突水突泥變質量滲流特征及災害演化機理，獲得了突水突泥致災過程中滲流狀態演化特征。王德明等[12]建立了三維地質模型試驗系統，依托具體突水突泥工程實例，揭示了突水突泥過程中無支護條件下斷層破碎帶隧道的洞周位移、應力-應變以及突出物質量等特征參數響應規律。此外，蔚立元[13]、陳衛忠[2]、張慶松[14-15]、黃鑫[16]、王德明[17]等人在斷層破碎帶突水突泥災害治理技術方面也開展了相關工作，多采用預注漿技術。綜上，由于隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害演化過程復雜，又由于災害發生的突然性和危險性，現場較難獲得災害發生全過程的全部物理場信息，目前研究成果尚難以實現突水突泥災害的有效預防，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機理研究仍然非常困難。

為更進一步解決上述問題，研發了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗系統，并通過該系統開展了突水突泥模擬試驗，再現隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害演化、發生的全過程，分析了隧道掘進過程中隧道圍巖位移、滲流壓力及突水突泥涌出物流量演化過程，進一步探討揭示了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥機理。

1 模擬試驗系統設計

針對隧道施工穿越斷層破碎帶突水突泥災害，通過模擬試驗系統采集隧道開挖接近并進入斷層破碎帶直至突水突泥過程中不同物理場信息，獲得斷層破碎帶突水突泥災害發生狀態前、狀態中隧道洞周圍巖位移、滲流壓力及突水突泥量變化規律，探討揭示隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害發生機理。模擬試驗采用三維試驗裝置系統，主要包括試驗臺架、伺服穩壓供水系統、開挖裝置系統、多場信息采集系統以及圖像實時采集系統等5部分，可實現對斷層破碎帶突水突泥發展過程多元信息的實時、有效采集，斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗系統構成如圖1所示。

圖1 模擬試驗系統構成

1.1 試驗臺架

試驗臺架是巖土體承載、監測元件布設以及試驗操作的平臺和空間，需要滿足密封性、剛度高和可調整性的要求。本研究模擬試驗臺架由承載臺及側壁兩部分構成，總體外觀為直徑1 500 mm,高2 200 mm 的圓柱體，試驗臺架如圖2所示。

圖2 試驗臺架實物照片

(1)承載臺

試驗臺架中的承載臺由支撐底座、承壓鋼板和臺架底板3部分組成。支撐底座為鋼筋混凝土結構，用以連接固定上部結構。承壓鋼板通過預埋高強螺桿與支撐底座固定，用以均勻傳遞上部試驗臺架的荷載。臺架底板為一圓形厚鋼板，直徑1 700 mm，厚10 mm，用以封閉上部試驗臺架。在承壓鋼板、臺架底板及底部模型環連接肋板三者接合處，通過φ22高強度螺栓固定連接。

(2)側壁

試驗臺架采用裝配式結構，由4節模型環組成，每節模型環高度為300 mm，內徑為1 500 mm，鋼板厚度為10 mm，通過φ22高強度螺栓實現各個模型環之間的緊固連接。由于采用模塊化方式連接臺架側壁的各構件，因此臺架組裝、拆卸方便，可根據不同試驗要求按相應的數量組合使用。在本研究模擬試驗中不加載地應力，隧道上方的巖土體直接裸露于外部環境中，故不設置試驗臺架頂蓋。

為滿足開挖模擬及系統封閉性要求，對試驗臺架相應部位做了一定的調整。隧道開挖前，在臺架底部第2個模型環直徑方向開設兩個正對的圓形孔洞，孔洞直徑略大于試驗隧道斷面尺寸。試驗前采用與側壁相同弧度的弧形鋼板封堵預設的兩個預留圓形孔洞，隧道開始開挖時便拆除弧形鋼板。此外，為滿足試驗臺架的密封承壓性能要求，在所有機械連接部位均布設10 mm厚的橡膠墊。

1.2 伺服穩壓供水系統

由于水壓對斷層破碎帶突水突泥有較大影響，為保證試驗過程中地下水處于穩定的環境，有必要設計穩壓供水系統。本模擬試驗伺服穩壓供水系統可實現壓力持續供給、水壓基本穩定的功能。同時，該系統可以方便地調整水壓力大小，滿足不同設計試驗水壓力的要求。模擬試驗伺服穩壓供水系統由動力裝置、調壓穩壓器、供水裝置、控制輸出設備、隱伏含水體組成，各個單元之間通過氣動快速接頭及高壓氣動管連接，如圖3所示。

圖3 伺服穩壓供水系統

系統中的動力裝置、調壓穩壓器、控制輸出設備、隱伏含水體分別由空壓機、空氣調節閥、穩壓儲水罐及承壓水箱設備提供。空壓機持續輸出高壓空氣，輸出壓力可以通過安裝在輸出管路上的空氣調壓閥調整，壓力可調范圍為0～1 MPa。壓縮氣體由高壓氣動管進入到穩壓儲水罐后使罐內水體具有一定的水壓力，在持續壓力的作用下穩壓儲水罐中的水由高壓水管進入到承壓水箱內，從而對模擬試驗架內的不良地質體形成補給。穩壓儲輸水罐由供水泵供水，為保障地下水環境穩定，本次試驗采用兩個儲輸水罐，通過交替使用，以保證水壓的恒定。

1.3 開挖裝置系統

模擬試驗開挖裝置系統由開挖設備、清理設備以及開挖進度控制尺組成。開挖設備由自制的具有導向性、標定性和易操作的鐵件提供，該設備端部為中空帶齒輪的圓柱形器具，通過旋轉切割巖土體，對隧道掌子面進行開挖，并將開挖出來的巖土體裝入中空圓柱帶出隧道外。清理設備采用小型的形似湯勺的鐵件，用以減少清理過程對隧道的擾動。開挖進度控制尺由最小刻度為1 mm的鋼尺提供，用于控制每次開挖的進尺，開挖裝置系統如圖4所示。

圖4 開挖裝置系統

1.4 多場信息采集系統

多場監測系統由光纖監測系統、突水突泥涌出物測量系統兩部分構成，可有效監測隧道開挖進入斷層破碎帶后突水突泥演化全過程的圍巖位移、滲壓及突水突泥流量變化過程。

(1)光纖監測系統

光纖光柵傳感器相比傳統監測技術具有體積小、結構簡單、防水性好、測量范圍廣、精度高、采樣率高、抗電磁干擾、穩定性好等優勢。試驗采用光纖滲壓及光纖位移兩種傳感器，通過多通道光纖光柵解調儀耦合連接，實現多元信息的并行實時采集、分析和處理，光纖光柵傳感器元件如圖5所示，性能指標如表1所示。

圖5 光纖光柵監測元件

(2)突水突泥涌出物流量監測系統

模擬試驗設計制作了涌出物流量監測系統，用以準確計量試驗實施過程中突水突泥流量，該系統由采集器、輸送管、測量器具3部分組成。采集器是由PVC材質的漏斗制作而成，為防止涌出物外流，在開挖隧洞口下方設置疏導板，使突水突泥涌出物完全進入采集器中。輸送管用于將突水突泥涌出物輸送至測量容器內，為防止涌出物堵塞，輸送管采用φ110 mm PVC管。測量器具主要包含大量程量杯、高精度電子天平(精確至0.01 g)和秒表，根據試驗設計時間段，測取突水突泥涌出物的質量和體積，突水突泥涌出物流量監測系統如圖6所示。

表1 光纖光柵傳感器性能指標

圖6 突水突泥涌出物流量監測系統

1.5 圖像實時采集系統

試驗的圖像實時采集系統由數碼相機、高清攝像頭以及高清攝像機組成，用以實時記錄試驗全過程的相關信息。數碼相機主要用于實時拍攝試驗過程及試驗現象的圖像。高清攝像頭通過固定裝置布設在開挖隧道的內部，并且可以隨著開挖推進而推進，用以記錄開挖過程中掌子面及圍巖動態變化過程，并捕捉地質災害瞬間突發時的狀態信息。此外，高清攝像機布設在開挖隧道外部，不受開挖隧道內部環境影響，用以詳細記錄隧道突水突泥過程。

2 模擬試驗方案

2.1 試驗內容設計

模擬試驗以某實際隧道斷層突水突泥災害為參考，模擬試驗中的斷層介質采用該隧道所穿越斷層破碎帶的原狀地層，以增加模擬試驗結果的可靠性。模擬試驗是模擬突水突泥現象的物理模擬試驗，并非是考慮相似條件的模型試驗，因此試驗中并不涉及相似條件問題。試驗幾何尺寸參考實際工程選取，模擬試驗中隧道底部距模擬試驗架底部410 mm，隧道頂部距模擬地表910 mm，隧道斷面簡化為圓形，直徑為100 mm。隧道前方發育一斷層破碎帶，斷層破碎帶與隧道底板相交處距離模擬試驗架側壁570 mm，該斷層破碎帶與隧道正交發育，傾角為70°，傾向與隧道開挖方向相同，寬度為400 mm，按照斷層橫向結構特征，破碎帶劃分為3部分，中間寬度為100 mm的斷層泥帶，兩側分別為150 mm的斷層泥與角礫混雜帶。隧道初始水頭為2 m，即通過伺服穩壓供水系統中的承壓水箱提供0.02 MPa的恒定水壓力，承壓水箱設置在斷層破碎帶的頂部。模擬試驗隧道采用全斷面開挖工法，每次開挖5 cm，直至隧道發生突水突泥災害，模擬試驗結構如圖7所示。

圖7 模擬試驗結構 (單位: mm)

2.2 充填介質

為了提高模擬試驗結果的準確性，斷層泥帶中的斷層泥介質直接取自依托工程斷層，其性狀為飽水泥質充填物，在模擬試驗填料之前將實際工程斷層泥進行壓實并調整其含水率，使之與原狀地層盡可能接近。為防止斷層泥帶與圍巖之間性能參數差別太大而導致試驗現象不顯著，在斷層泥帶與圍巖之間設置斷層泥與角礫混雜帶。斷層泥與角礫混雜帶為現場斷層泥與特定級配礫砂的混合物，特定級配礫砂包含石子(粒徑5～10 mm)、河砂(粒徑1.25～2.5 mm)及黏土，石子、河砂、黏土質量比為1 ∶1 ∶1。斷層泥帶、斷層泥與角礫混雜帶的性能參數如表2所示。

為了保持圍巖介質與斷層破碎帶介質的變形協調性，圍巖介質與斷層破碎帶介質的性能參數不宜差距過大，模擬試驗中圍巖介質采用黏土、河砂(粒徑1.25～2.5 mm)為骨料，水泥、石蠟、硅油作為膠結劑及調節劑配置而成，具體材料性能及配比參見文獻[18]，圍巖介質材料性能參數如表3所示。

表2 破碎區巖體材料性質

表3 圍巖介質性能參數

2.3 監測方案設計

考慮到模擬試驗尺寸限制，布設過多的傳感器會對模型結構造成影響，不利于突水突泥災害現象的發生。因此，試驗采用重點監測方式，將斷層破碎帶作為重點監測區域，監測斷面主要布置在重點區域內，將元件布置在開挖輪廓線附近拱頂及拱底位置，布設的監測元件有滲壓傳感器與位移傳感器。由于圍巖介質在突水突泥災害發生位置以外，故并未過多關注隧道開挖過程中的圍巖變形問題，在圍巖介質內并未布置傳感器。模擬試驗共設置監測斷面2個，分別編號I、II，斷面I布置在斷層泥與角礫混雜帶，斷面II在斷層泥帶正中間，斷面I與斷面II間距為175 mm。考慮到斷層破碎帶內監測元件布設空間和引線問題，監測斷面布置為傾斜斷面，監測斷面布置如圖8所示，模擬試驗各監測斷面內的監測元件布置如圖9所示，元件布設時應注意對元件及其引線的保護。模擬試驗各監測斷面內的監測元件布置位置距隧道開挖輪廓線的距離不宜太大或太小，若監測元件布置位置距開挖輪廓線過遠，則隧道開挖掌子面處的情況不能有效反應到監測元件中，若監測元件布置距開挖輪廓線過近，則隧道開挖過程容易對監測元件產生擾動或破壞監測元件，使得傳感器失效，最終確定監測元件距離隧道開挖輪廓線距離為10 cm。

圖8 監測斷面布置

圖9 斷面II監測元件布置

2.4 模擬試驗步驟

(1)模擬試驗架安裝。對裝配式試驗臺架進行組合安裝固定，安裝過程中注意連接部位密封處理，防止形成泄水區，影響試驗模擬的準確性。

(2)模擬試驗材料配制及填筑。配置圍巖介質、斷層泥帶、斷層泥與角礫混雜帶等充填材料，之后將配置好的材料從模擬試驗架底部向上分層填筑，每層填筑厚度控制為5 cm，每填完一層，便按要求夯實壓密至設計標高，如圖10所示。

圖10 模擬試驗材料填筑

(3)監測元件埋設及系統調試。材料填筑夯實過程中，當填筑至設計有監測元件的層位時，通過定位、挖槽、安放和填實等流程，將監測元件準確埋設于設計位置。同時，將監測元件的引線集中、有序地從側壁預留孔引出。監測元件埋設后，進行系統測試，檢查元件是否失效及系統穩定性，若監測元件失效，需對監測元件及時進行更換，監測元件埋設過程如圖11所示。

圖11 監測元件埋設

(4)穩壓供水系統安裝。在斷層破碎帶頂部鋪設碎石濾層。濾層鋪設后，將承壓水箱預置在斷層破碎帶頂部設計位置，并用圍巖材料填埋、壓實，用細小高壓軟管作為進水管，與承壓水箱連接后從側壁預留進水口引出。安裝伺服穩壓供水系統，連接各裝置管路，并與承壓水箱連接。穩壓供水系統安裝完畢后，調試檢查供水系統的穩定性，系統安裝、調試流程如圖12所示。

(5)模擬試驗系統封閉。以上模擬試驗架安裝、材料填充、監測元件埋設以及供水系統安裝接線完成后，封閉模擬試驗系統，開啟伺服穩壓供水系統及監測系統，進行系統調試與封閉性等試驗前的檢測工作。

(6)開挖與數據采集。系統調試完畢后，將水壓維持在0.02 MPa，并實時、連續補充水源，以保證地下水環境穩定。維持供水狀態，將模擬試驗巖土體浸泡至充分飽和后，準備開挖。在模擬試驗中通過光纖滲壓傳感器監測數據來判斷巖土體是否浸泡至充分飽和，若光纖滲壓傳感器監測數據顯示為0.02 MPa且維持不變，即認為巖土體已浸泡至充分飽和。采用全斷面開挖方式，每次開挖5 cm，每開挖完一個循環進尺后，停止掘進，待各監測元件數據穩定后進行下一階段的開挖。開挖過程中，倘若監測數據出現了不穩定、甚至有急劇變化的趨勢，則說明很有可能發生突水突泥，此時停止開挖，以便及時觀察和采集突水突泥過程信息。此外，在開挖過程中，各監測元件全程實時采集記錄圍巖內部信息，開挖空間形成后，立即在開挖面附近固定攝像裝備，全程跟蹤、拍攝、記錄隧道內部變化情況，模擬試驗具體實施情況如圖13所示。

圖13 模型開挖與數據采集

3 模擬試驗結果分析

3.1 突水突泥涌出物流量隨開挖變化規律

突水突泥涌出物流量隨著隧道開挖進程的變化規律如圖14所示。

圖14 突水突泥流量隨時間變化

分析圖14可知，隨著隧道開挖推進，隧道掌子面與斷層破碎帶的間距越來越小，與之對應，整個隧道的突水突泥涌出物的流量逐漸增長。然而，突水突泥涌出物流量隨時間變化過程呈現出明顯的階段性特征，可分為流量穩定階段、不穩定增長階段、快速增長階段與流量衰減階段4個階段。以下分別闡述：

(1)流量穩定階段對應的隧道開挖進尺不超過15 cm，此時隧道掌子面與斷層破碎帶之間的距離較大，斷層破碎帶基本上比較穩定，在承壓水源的作用下承壓水箱中的水通過滲流通道進入隧道中，此時隧道口的流出物基本上以清水為主。如圖15(a)所示，滲流量也維持在較低水平(1 L/min左右)，隧道穩定性良好，不會發生突水突泥災害。

(2)流量不穩定增長階段對應隧道開挖進尺范圍為15～40 cm，在本階段，隨著隧道掌子面的開挖推進，隧道掌子面與斷層破碎帶之間的距離逐漸由30 cm左右減小到5 cm左右，隧道滲漏水量呈現出不穩定增加趨勢，基本上由1 L/min左右增加到3 L/min 左右，在本階段還出現了流量峰值6 L/min，隧道口的涌出物相比前一階段更為渾濁，但還是以清水為主如圖15(a)所示，隧道整體穩定性較好，未發生突水突泥災害。

圖15 不同階段突水突泥情況

(3)快速增長階段對應隧道開挖進尺40～45 cm，在此階段，隧道掌子面與斷層破碎帶的距離由5 cm左右減小到零，即直接揭露斷層破碎帶，在此階段隧道涌水量由3 L/min左右快速增長到峰值16 L/min，隧道口的涌出物變為泥水混合物(見圖15(b))，隧道掌子面失穩，隧道突水突泥災害發生。在本階段突水突泥災害發生的明顯特征為當隧道掌子面直接揭露斷層破碎帶時，突水突泥災害即發生，突水突泥通道瞬間形成；然而當隧道掌子面與斷層破碎帶之間仍有一定厚度的圍巖時，隧道涌出物流量及涌出物類別并未發生本質變化，突水突泥通道未形成，故模擬試驗中的突水突泥災害類型可歸結為揭露型突水突泥災害。

(4)流量衰減階段。在此階段中，突水突泥通道已形成，當承壓水箱中的存量水通過突水突泥通道完全排出后，受限于伺服穩壓供水系統的供水能力限制，突水突泥涌出物流量有所減小，此時隧道口涌出物仍然為泥水混合物，如圖15(b)所示。

由圖15可知，模擬試驗中圍巖介質在開挖過程中穩定性良好，未發現掉塊、坍塌現象，可見圍巖可滿足試驗過程中圍巖自穩性要求。

3.2 圍巖位移量隨開挖變化規律

圍巖位移量隨著隧道開挖進程的變化規律如圖16所示。

圖16 圍巖位移量隨時間的變化

分析圖16可知，隧道圍巖位移量隨時間變化過程先呈現平穩增加的趨勢，進而拱頂位移量發生突變。

(1)受隧道開挖影響，監測斷面I的拱頂與拱底位置均發生朝向隧道內部的位移，且隨著隧道掌子面的持續開挖推進，位移量平穩增加，當隧道開挖推進40 cm左右時，拱頂位移量增加至大約0.94 mm，拱底位移量增加至大約0.58 mm。

(2)當隧道掌子面開挖推進45 cm，即直接揭露斷層破碎帶時，拱頂位移發生突變，由1.2 mm左右突增至2.6 mm左右，這說明隧道開挖揭露斷層破碎帶所導致的突水突泥災害是瞬發的，當隧道揭露斷層破碎帶時，隧道突水突泥災害瞬間發生，進而導致隧道拱頂位移量突變。拱底位移量在突水突泥災害發生過程中并未發生明顯變化，分析原因為隧道突水突泥通道位于隧道拱頂區域，連通隧道臨空面與承壓水源，因此突水突泥過程對于隧道拱底區域影響不顯著，拱底位移并未發生劇烈變化。

3.3 滲壓隨開挖變化規律

圍巖滲流壓力隨著隧道開挖進程的變化規律如圖17所示。

圖17 圍巖滲流壓力隨時間變化

分析圖17可知，圍巖滲流壓力隨時間變化過程先平穩減小，之后拱頂與拱底位置的圍巖滲流壓力同時發生突變。

(1)在隧道尚未開挖時，監測斷面II拱頂與拱底位置的滲流壓力基本維持在20 kPa左右，這與承壓供水系統所提供的壓力基本相當，拱頂位置的滲流壓力略低于拱底位置的滲流壓力。

(2)在隧道開挖后，隨著隧道掌子面推進距離的增加，隧道涌水量逐漸增加，監測斷面II處拱頂與拱底位置的滲流壓力均逐漸降低，當隧道開挖推進40 cm左右時，該監測斷面處拱頂與拱底的滲流壓力普遍降低7 kPa左右。

(3)當隧道掌子面開挖推進45 cm，即直接揭露斷層破碎帶時，拱頂與拱底位置的滲流壓力同時發生突變，由較高的滲流壓力突變下降至6～7 kPa左右，這同樣也說明隧道開挖揭露斷層破碎帶所導致的突水突泥災害是瞬發的，當隧道揭露斷層破碎帶時，隧道突水突泥災害瞬間發生，進而導致隧道拱頂與拱底滲流壓力突變。

4 突水突泥機理分析

從隧道涌出物、圍巖位移量、滲流壓力三者隨隧道開挖過程演變規律來看，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害的顯著特征是突變性，當隧道開挖掘進揭露斷層破碎帶時突水突泥災害隨即發生，屬于典型的揭露型災害。另外，在模擬試驗中的流量不穩定增長階段，隧道口的涌出物相比前一階段更為渾濁，反映了地下水滲流對于斷層破碎帶介質的攜帶作用，雖然此階段未發生突水突泥災害，但是地下水在此階段確實對斷層破碎帶存在弱化作用，地下水在斷層破碎帶突水突泥災害中發揮著重要作用，具體體現在以下兩個方面：

(1)地下水對巖體的物理化學弱化作用

地下水對斷層破碎帶的物理弱化效應主要體現在潤滑、軟化和泥化作用等方面。地下水補充到斷層內部時，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，導致斷層巖塊結構面間的摩阻力減小，斷層抗剪強度降低，從而對斷層產生潤滑作用。地下水滲入斷層帶巖體致使其充填物含水量增加，物理性狀發生改變，巖體由固態向塑態甚至液態轉化的弱化效應增強，斷層帶發生軟化、泥化現象，造成巖體內聚力和摩擦角值大幅減小，力學性能發生蛻變。

地下水對斷層破碎帶具有一定的化學潛蝕作用，主要通過離子交換、溶解和溶蝕等方式進行。地下水攜帶可交換離子流經斷層充填介質時，地下水中的離子會置換出巖體中可交換的離子，導致巖體結構和滲透性的改變，從而影響斷層結構的力學性能。大氣降水滲入土壤帶、包氣帶過程中，溶解了大量的物質，增加了地下水的化學侵蝕性，對斷層充填物中的石英顆粒和鐵質具有溶蝕和氧化作用，增加了破碎帶巖體的空隙度和滲透能力。

(2)滲流誘發通道擴展的力學作用

斷層帶破碎巖體基本呈現散體狀結構形式，區域內巖體由巖塊骨架和充填物組成，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。隧道斷層開挖形成的臨空面使得通道存在很好的排泄口，地下水將克服通道充填物和通道壁之間的摩擦力滲入隧道。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。地下水滲透力對斷層破碎帶巖體應力場環境的影響作用主要通過對滲水裂(孔)隙通道的潛蝕、沖刷、擴徑破壞作用實現。

在滲透壓力的持續作用下，破碎帶巖體通道顆粒由初始緊密、致密的結構逐漸轉化為松散、稀疏的結構，甚至由塑性向液態轉化，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。攜帶充填物顆粒的地下水滲流對通道的垂向和切向擴展作用大于無充填物水流，并且隨著越來越多的巖土體顆粒被水流帶出，水流的容重進一步增加，從而導致滲透壓力和拖曳力進一步增加，對滲水通道的沖刷擴展作用進一步加強。

綜上，地下水對斷層破碎帶突水突泥的作用主要通過物理、化學以及力學等綜合作用，誘發破碎巖體裂(孔)隙增大、擴展，并對充填介質進行沖刷運移，從而導致初始滲水通道擴展演化形成貫穿、連續的過水通道，強烈影響斷層帶巖體結構的穩定性和滲透性，在不合理的施工方法等因素影響下，極易誘發隧道斷層突水突泥災害。

5 結論

(1)研發了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥三維模擬試驗系統，該系統可同時實現隧道開挖揭露斷層破碎帶過程的有效模擬、水壓恒定加載及圍巖位移、滲流壓力、涌出物流量的實時監測功能。

(2)從隧道涌出物方面來看，隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害為揭露型災害，當隧道掌子面與斷層破碎帶之間存在一定厚度圍巖時，突水突泥災害不會發生，當隧道掌子面直接揭露斷層破碎帶時，突水突泥災害即發生，突水突泥通道瞬間形成，隧道涌出物由清水轉變為泥水混合物，涌出物流量快速增長。

(3)從隧道圍巖位移及滲流壓力方面來看，當隧道揭露斷層破碎帶發生突水突泥災害時，隧道拱頂圍巖位移、拱頂及拱底滲流壓力均發生突變，拱頂圍巖位移發生突然增加，拱頂及拱底滲流壓力發生突然降低，均反映了隧道穿越斷層破碎帶突水突泥災害的瞬發特征。

(4)地下水對斷層破碎帶突水突泥災害具有重要影響，主要體現在地下水對斷層的物理化學弱化和滲流誘發通道擴展兩個方面。