巖溶區隧道隔水巖盤安全厚度預測

武世燕

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國西南地區鐵路、公路和水利工程建設的發展，巖溶區深長隧道工程越來越多[1]。因在巖溶地區富水地段修建深長隧道的技術尚不成熟，且受巖溶發育的復雜性和隧道工程地質勘察工作的復雜性影響，工程設計期間往往無法準確預測對隧道影響較大的大型巖溶[2-5]。在隧道掘進過程中會破壞含水或潛在含水圍巖，其內部的水流將沖進隧道施工場地，甚至會造成人員的傷亡和機械的損壞，從而造成嚴重的事故。例如： 在野三關隧道修建過程中，曾發生過涌水量為30.2×104m3/h的突水事故，導致4人死亡和1人失蹤，經濟損失巨大[6]。巖溶區隧道突水災害危害大，對巖溶區隧道突水災害的針對性防控措施進行研究非常有必要。

在巖溶區域修建隧道時，當施工揭露或即將揭露巖溶含水構造時，擾動作用下受阻隔水巖盤會發生突發性破壞，積蓄的大量能量會突然釋放，致使巖溶水及填充物涌入隧道空間發生大規模突水事故[7]。其中，突水和涌水多發生于風化破碎帶、節理裂隙密集帶[8-10]。而在隧道巖溶涌水突水段，研究隔水巖盤的臨界值是降低突涌水災害的重要途徑，安全巖盤厚度是制定預防隧道突涌水災害措施的重要技術參數。在巖溶隧道前方遇到富水溶腔時，預測或計算施工安全最短距離[11-13]，以便當開挖至與溶洞距離小于安全距離時及時停止掘進，并進行超前支護或預處理手段[14-15]，對巖溶隧道安全施工具有重要意義。Zhang等[16]根據巖溶發育特點和地質勘察資料提出一種巖溶區隧道突水的風險評估模型； 武鑫等[17]運用層次分析-模糊綜合評價法對巖溶塌陷易發程度進行評價，這種評價方法使巖溶塌陷的風險評估從定性化過渡到定量化； 李利平等[18]、毛邦燕等[19]、Li等[20]基于小波分析和模糊數學理論分別提出了不同巖溶隧道突水的風險評估體系； Zhou等[21]根據灰色理論構建了巖溶區隧道突水風險評價模型； Wang等[22]、周宗青等[23]、李術才等[24]、Li等[25]分別通過隧道突水案例歸納了影響巖溶區隧道突水的主要因素，并建立了巖溶隧道突水風險評估體系； Alija等[26]根據西班牙巖溶區的Gavarres隧道施工過程，總結了巖溶區隧道施工遇到的問題和處理方法。

關于隧道與溶洞安全距離問題： 曹茜[27]采用正交設計方案對隧道與溶洞安全距離進行了研究，得到圍巖級別、巖體側壓力系數、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深對安全距離的影響程度及規律； 郭佳奇[28]基于巖體抗剪、抗彎強度準則，構建了巖層最小防突厚度計算方法； 舒佳軍等[29]研究了前伏不同角度富水溶洞下節理隧道最小防突層厚度，提出含節理隧道掌子面最小防突層厚度計算方法； 干昆蓉等[30]針對具體工程，在分析安全巖盤厚度影響因素的基礎上，提出了安全巖盤厚度經驗值； 李濤等[2]采用基于連續-非連續數值計算方法的高性能軟件GDEM-DAS開展三維數值模擬研究,通過分析掌子面的位移演化規律，獲得不同水壓下隔水巖體的安全厚度； 雷霆等[31]利用數值軟件進行三維隧道開挖模擬,分析了頂部溶洞與隧道掌子面附近圍巖塑性區的發展趨勢,以及不同溶洞水壓下隧道的安全厚度。

關于隧道與溶洞隔水巖盤安全距離研究已取得顯著進展，但前期研究多將溶洞進行了簡化處理，有的忽視了不同圍巖級別的差異性影響[32-35]。可見，確定合理化的隧道與溶洞安全距離，應綜合考慮巖體級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤的影響，并需基于經濟性考量其最優隔水巖盤厚度。據此，本文圍繞深長巖溶隧道存在的突涌水災害，開展最優隔水巖盤厚度預測分析。首先，針對含水溶腔溶洞的能量儲存、地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放和施工擾動的觸發，分析巖溶區隧道突涌水形成機制，獲得影響隔水巖盤設計厚度的控制指標； 隨后，針對深長巖溶隧道特殊賦存地質環境，開展溶洞溶腔和隧道空間關系系統歸納，并以巖溶溶腔與隧道正交位置關系為例，采用PLAXIS 3D有限元軟件分析隧道圍巖級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤設計厚度的影響規律； 最后，推導出不考慮溶腔體積和考慮溶腔體積2種情況下的隔水巖盤最優設計厚度表達式。

1 巖溶區隧道突涌水形成機制

1.1 含水溶腔溶洞的能量儲存

溶腔溶洞中常可形成水壓高、水量大的地下水體，這些水體可能與地表河、湖等相連。巖體中儲存的大量地下水除了靜水壓力較高外，其他應力的綜合作用也會使巖體儲存較大的能量。在巖溶區隧道開挖過程中必然釋放應力，引起地下水向隧道內涌入從而形成突涌水，其中大量的泥、砂或碎塊將通過這些通道一起涌入隧道內。在巖溶區隧道隔水巖盤設計時，需要密切監測溶腔溶洞中的能量儲存狀況。

1.2 地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放

雖然溶腔溶洞中儲存了大量能量，但隧道突涌水是否發生，主要取決于水壓及相對隔水層的厚度。靜水壓力與動水壓力對隔水巖盤改造作用如圖1所示。靜水壓力與動水壓力都能使巖體發生水力劈裂，從而增加滲透能力。動水壓力還能使裂隙面上的充填物發生變形和位移，導致裂隙或裂紋的連通性增強，造成更大災害。

(a) 靜水壓力(無滲流) (b) 動水壓力(滲流)

不同類型圍巖被涌水突破所需的最小突水量差別較大。完整并且厚度大的巖體可以承受較大水壓；而破碎和薄層巖體可以承受的水壓力相對要小很多，抗突水和涌水的能力較低。不同類型圍巖對應的隔水巖層厚度存在差異。

1.3 施工擾動的觸發

隧道開挖施工不可避免地會擾動地下巖土體，解除了掌子面的側向壓力，使溶腔與隧道圍巖失去原有的平衡狀態，并向新的平衡狀態轉化，圍巖的應力調整使巖體達到極限承載能力后便發生屈服。

開挖隧道周圍所形成的塑性區和巖溶管道周圍的塑性區相互貫通是巖溶突水突泥的必要條件。當2個塑性區連通并產生一定的位移量時必然會造成突水災害，這是巖溶隧道施工誘發突水以及災難性后果的根本原因。隧道向溶腔方向掘進時圍巖塑性區變化如圖2所示。

(a) 第1階段 (b) 第2階段

(c) 破壞前 (d) 破壞后

總體而言，深長巖溶隧道突涌水災害與隧道周邊圍巖級別、溶洞溶腔內水壓力大小、溶腔尺寸密切相關，此外還應受到施工擾動的觸發。

2 溶洞溶腔與隧道空間關系

巖溶本身的發育是不規則的，但根據巖溶溶腔(溶洞)與隧道在空間分布的主要位置關系，可總體概括為溶腔與洞軸線正交、斜交和平行3類，如圖3所示。巖溶隧道最小巖盤厚度與空間關系密切相關。

(a) 溶腔與隧道軸線正交

1)正交模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)呈近似垂直，隧道掘進過程產生擾動裂隙，其對應的最小隔水巖盤厚度是指計算獲得的隔水巖盤厚度減去施工擾動產生的縱向裂隙區范圍(近似取掌子面前方塑性區范圍)后的完整巖層厚度值。此外，還需要充分考慮巖溶溶腔(溶洞)內水壓力值，以及由此產生的滲透壓力。該模式對應的隔水巖盤厚度要求最大，相應安全等級最高。

2)斜交模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)的整體形態呈斜交分布，且隧道后期掘進距離巖溶溶腔(溶洞)越來越近；同樣，隧道掘進產生擾動裂隙，但因與巖溶溶腔(溶洞)未垂直，確定該最小隔水巖盤厚度需以距離掌子面最薄巖盤為標準，并減去該斷面上擾動裂隙區厚度。巖溶溶腔(溶洞)內水壓力及對應的滲透壓力也是確定隔水巖盤厚度必須要考慮的因素。

3)平行模式。隧道掘進方向與巖溶溶腔(溶洞)的走向大體呈平行分布，隧道后期掘進不會與巖溶溶腔(溶洞)貫通。在確定該最小隔水巖盤厚度時，需減去施工擾動產生的環向裂隙發育范圍，可近似取隧道洞周塑性區范圍。巖溶溶腔(溶洞)內水壓力及對應滲透壓力也必須要考慮，但該模式對應的隔水巖盤厚度相對固定，處理手段相對常規。

3 隔水巖盤設計厚度控制指標分析

針對巖溶溶腔(溶洞)與隧道在空間分布的3種位置關系，以危險等級最高的正交模式為例，開展影響隔水巖盤設計厚度的控制指標數值分析。

3.1 巖體級別對隔水巖盤厚度影響

基于現場地應力測試得到巖體初始地應力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa，各級圍巖巖體力學參數參考GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》。本文提出的模型屬于反映其不同圍巖級別的概化模型，主要用于獲得不同圍巖級別下的最小隔水巖盤厚度。隧道尺寸依據現場實測獲得，溶腔最大尺寸為隧道3倍跨度，并將溶腔形態簡化為立方體，水壓力均勻施加于溶腔內表面。關于激活及鈍化問題，依據常規的隧道開挖數值模擬處理方法，即開挖后采用Null單元體替代。針對不同巖性，設計正交3種工況。不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度計算工況如表1所示。溶腔水壓1.0 MPa條件下不同圍巖級別對應的最小隔水巖盤厚度如圖4所示。溶腔水壓3.0 MPa條件下不同圍巖級別對應的最小隔水巖盤厚度如圖5所示。

表1 不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度計算工況

不同圍巖級別下的隔水巖盤安全厚度如表2所示。

由圖4、圖5及表2可知：

1)隨著巖體質量的降低，臨界隔水巖盤厚度逐步增大，其破壞形式逐漸由張拉破壞變為剪切、張拉破壞，且隔水巖盤的屈服比例逐漸增大。同時，臨界隔水巖盤的最大位移點位于斷面中心處，沿水平方向，且與掘進方向相反；巖盤臨界失穩時，最大位移量為2～5 mm，位移方向為開挖區域方向。

2)溶腔水壓不同時(1.0 MPa和3.0 MPa)，臨界失穩隔水巖盤屈服形態類似，且最大位移量差別不大； 但在水壓較高情況下，隔水巖盤臨界失穩時塑性區范圍略大。

3)在其他參數相同的條件下，隨著巖體級別的降低，隔水巖盤的安全厚度大致呈指數函數形態增長，且溶腔水壓力較大時，增長速率較高； 但當巖體強度增大時，安全巖盤厚度呈冪函數形態減小。

(a) Ⅱ級圍巖(Dmin=2 m)

(b) Ⅲ級圍巖(Dmin=2 m)

(c) Ⅳ級圍巖(Dmin=3 m)

3.2 溶腔水壓力對隔水巖盤厚度影響

溶腔水壓力的大小也是影響隔水巖盤厚度的重要參數，分別取不同工況對溶腔水壓下的安全巖盤厚度進行分析。不同溶腔水壓下隔水巖盤安全厚度計算工況如表3所示，詳細計算結果如圖6和圖7所示。其中，在溶腔水壓為5 MPa時，Ⅳ級圍巖最小隔水巖盤厚度過大，因而未進行對比考慮。

(a) Ⅱ級圍巖(Dmin=3 m)

(b) Ⅲ級圍巖(Dmin=3 m)

(c) Ⅳ級圍巖(Dmin=8 m)

取巖體初始地應力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa； 僅考慮Ⅱ級、Ⅳ級圍巖，且溶腔最大尺寸取隧道3倍跨度左右。其中，溶腔水壓1.0 MPa對應的最小隔水巖盤厚度如圖4(a)Ⅱ級圍巖及圖4(c)Ⅳ級圍巖所示，在此不贅述。

表2 不同圍巖級別下隔水巖盤安全厚度

表3 不同溶腔水壓下隔水巖盤安全厚度計算工況

(a) Ⅱ級圍巖3 MPa(Dmin=3 m)

(b) Ⅱ級圍巖5 MPa(Dmin=5 m)

Ⅳ級圍巖3 MPa(Dmin=8 m)

不同溶腔水壓條件下的隔水巖盤安全厚度如表4所示。

表4 不同溶腔水壓條件下隔水巖盤安全厚度

由圖6、圖7及表4可知：

1)與掌子面前方無大型富水溶腔情況相比，存在溶腔時隔水巖盤的屈服狀態都以拉、剪破壞為主，有溶腔時隔水巖盤最大位移略小，主要原因是由于有溶腔時巖體水平向地應力小于無溶腔時的巖體水平地應力。

2)在其他參數相同的條件下，隨著溶腔水壓的增大，隔水巖盤安全厚度大致呈指數函數形態增長，且巖體質量較差時，安全巖盤厚度增長速率較高。

3.3 溶腔尺寸對隔水巖盤厚度影響

溶腔大小對隧道圍巖的應力場狀態存在一定的影響，可能進一步影響隔水巖盤安全厚度。分別取不同工況對溶腔體積下的安全巖盤厚度進行分析。溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算工況如表5所示，詳細計算結果如圖8所示。

取巖體初始地應力如下： 水平向2.5 MPa，豎直向5 MPa； Ⅱ級圍巖巖體力學參數同上； 溶腔水壓力為1 MPa，單線鐵路隧道的高度為11 m、跨度為7.6 m。

不同溶腔尺寸下的隔水巖盤安全厚度如表6所示。

由圖8及表6可知：

1)當溶腔體積增大至溶腔斷面高跨為隧道5倍以前，隔水巖盤安全厚度一致，且其屈服狀態由拉剪破壞變為單純的張拉破壞，而隨著溶腔體積的繼續增大，隔水巖盤安全厚度也隨之增大，其屈服狀態變為剪切破壞。

表5 溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算工況

2)在其他參數相同的條件下，隨著富水溶腔體積的增大，隔水巖盤的安全厚度有所增長，但規律性不強，說明溶腔體積對巖盤安全厚度的影響相對較小。

3)溶腔體積變化時，主要通過其空間效應引起隧道圍巖應力和變形情況的變化，但當其變化范圍有限時，對隧道圍巖的影響能力變化不大，因此與巖體級別和溶腔水壓相比，溶腔體積對隔水巖盤安全厚度的影響較小。

4 隔水巖盤最優設計厚度確定

4.1 隔水巖盤最優設計厚度理論

通過對不同工況下巖溶隧道最小隔水巖盤進行對比分析，研究了隔水巖盤厚度控制因素。為更方便地對隔水巖盤安全厚度進行預測，對以上模擬工況計算結果進行回歸分析。現分別選取巖體單軸抗壓強度、溶腔水壓力、溶腔與每延米隧道體積比為主要參量，對隔水巖盤安全厚度回歸進行分析，回歸數據如表7所示。回歸分析過程中對回歸變量進行量綱一化，令：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：s為比值；σmc為巖體的抗壓強度，MPa；p為溶腔水壓，MPa；c為巖體黏聚力，MPa;φ為內摩擦角，(°)；V溶腔、V隧道分別為溶腔體積及每延米隧道體積，m3；v為溶腔體積比。

考慮溶腔體積相對較小時，對隔水巖盤安全厚度影響較小，故分為不考慮溶腔體積影響和考慮溶腔體積影響2種情況進行分析。

4.1.1 不考慮溶腔體積影響

當溶腔體積相對較小時，不考慮溶腔的影響，對統計數據進行對數回歸。ln (σmc/p)與lnh統計如圖9所示。可得到隔水巖盤安全厚度

(4)

式中4為經驗系數，m。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

表6 溶腔尺寸對臨界安全巖盤厚度計算結果

當溶腔與隧道軸線大角度斜交時，可根據實際情況對式(4)進行修正，得到

(5)

式中k為修正系數，建議取0.5～1。

4.1.2 考慮溶腔體積影響

當溶腔體積較大時，宜考慮溶腔對隔水巖盤厚度的影響，回歸得到

(6)

式中2.8為經驗系數，m。

當溶腔與隧道軸線大角度斜交時，可根據實際情況對式(6)進行修正，得到

(7)

根據式(5)和式(7)可以得出：v小于86.35時，不考慮溶腔體積影響;v大于86.35時，考慮溶腔體積影響。

該公式回歸數據難以涵蓋所有的工況，其適用范圍如下： 巖體級別為Ⅱ—Ⅳ級，水壓為0.5～5 MPa，溶腔與隧道軸線近似正交，且溶腔斷面大于等于隧道斷面。

4.2 圓梁山隧道隔水巖盤最優設計厚度驗證

采用不同的安全巖盤厚度計算方法，與圓梁山隧道DK354+460溶腔情況進行對比，圓梁山隧道在下導坑DK354+460采用風鉆鉆孔時，由鉆孔內射出高壓水，射程約30 m，水呈鐵銹色，含大量泥砂，于是立即停止施工，施作C20混凝土止漿墻。隨后，采用地質鉆機進行超前探孔，當探孔鉆至4 m時，又發生突發性涌水噴砂，涌水噴砂將鉆桿沖出8 m，瞬時涌水量達到860 m3/h，該現象持續6 h后基本穩定，涌水量減少到40 m3/h，該次涌砂量約1 300 m3。據此，判定前方存在大型高壓溶洞，下導坑施工中采取了注漿加固方案。經測量，該溶腔水壓達2.73 MPa。

表7 不同工況下隔水巖盤安全厚度數據

對安全巖盤厚度進行計算及進行工程驗證。由于缺乏圓梁山隧道DK354+460圍巖級別及其力學參數，在不同的圍巖級別下取不同的物理力學參數，估算確定隧道圍巖的安全巖盤厚度，具體計算結果如表8所示。可以看出： 由式(4)得到的巖盤厚度為1.2 m(Ⅲ級圍巖)、5.9 m(Ⅳ級圍巖)； 由式(6)得到的巖盤厚度為6.2 m(Ⅲ級圍巖)、14.1 m(Ⅳ級圍巖)； 由式(7)得到的巖盤厚度為3.3 m(Ⅲ級圍巖)、5.1 m(Ⅳ級圍巖)。在圓梁山隧道的施工中，預留隔水巖盤厚度為4 m。在未擾動巖體時，未出現涌水。可見，4 m的預留隔水巖盤厚度為其臨界值，由上述公式計算得到的安全厚度值相對合理。

5 結論與討論

1)針對含水溶腔溶洞的能量儲存、地下水改造作用與含水圍巖的能量釋放和施工擾動的觸發，分析了巖溶區隧道突涌水形成機制。

2)最小巖盤厚度與溶洞溶腔及隧道空間關系密切相關，將溶洞溶腔與隧道空間關系概括為溶腔與隧道軸線正交、斜交和平行3類，其中正交模式對應的隔水巖盤厚度要求最大，相應安全等級最高。

3)以溶腔與隧道軸線正交模式為例，采用數值模擬方法，分析了隧道圍巖級別、溶腔水壓力、溶腔尺寸對隔水巖盤設計厚度的影響規律。

表8 圓梁山隧道DK354+460斷面安全巖盤厚度計算結果

4)基于控制指標影響作用規律，推導出不考慮溶腔體積和考慮溶腔體積2種情況下的隔水巖盤最優設計厚度表達式，利用本文公式對圓梁山隧道DK354+460溶腔情況進行計算對比，結果表明安全厚度值相對合理，預測的巖溶區隧道隔水巖盤安全厚度可以作為參考。