動力擾動下巖溶隧道突涌水滲流-應力-損傷試驗研究

鄔忠虎，崔恒濤，宋懷雷，吳海寶，吳昌裔

(1.貴州大學土木工程學院，貴陽 550025； 2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031； 3.貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴陽 550001)

近年來，隨著國家西部大開發戰略的實施，一大批土木水利等重大基礎工程陸續建設，推動了隧道工程的建設發展[1-5]。而貴州省的地質情況相對較復雜，以碳酸鹽分布最廣，屬于典型的巖溶發育地區，在進行城市軌道交通建設的過程中，隧道工程的修建具有“強巖溶、高應力、高水壓、構造復雜、災害頻發”等顯著特點[6-8]。在隧道施工過程中易發生突涌水等地質災害，極易造成經濟損失和人員傷亡。突涌水災害災變的本質是水與巖體相互作用的結果，處于富水環境下的巖體，其力學特性及變形特征會受到復雜地質環境的影響，隧道在開挖過程中擾動巖體更易發生失穩破壞[9-12]。

目前，關于溶洞誘發隧道突涌水的災變，國內外許多學者做了大量工作，取得了豐富的經驗。王媛等[13]采用顆粒流PFC3D軟件建立由裂隙巖體及斷層構造的圍巖隧洞數值模型，模擬隧洞突涌水全過程，研究集中水源等因素對隧洞突涌水的影響；Wu等[14]通過FLUENT軟件研究突水后的水流特性，得出不同開挖情況和不同突水位置下水的運動規律；Tang等[15]基于FLAC3D建立了流固耦合模型，對開采過程中上覆巖層及水層中的孔隙水壓力變化特征進行分析，探討突涌水的時空特征，并以此確定突水前兆信息；趙蕾等[16]采用RFPA-Flow系統研究了不同充水條件下裂隙溶洞對隧洞開挖過程圍巖的穩定性，探討了在施工擾動下裂隙溶洞隧道突水過程的機理；Pan等[17]通過建立大型物理三維模型試驗，揭示了施工過程中巖溶溶洞與承壓水接近引起而突水的機理，將突水過程分為3個階段，即群體裂紋的萌生階段、突水通道的形成階段和防水層的完全垮塌階段。由此可見，針對隧道動力擾動下巖溶問題，亟須圍繞巖溶的應力-滲流-損傷耦合效應對溶洞隧道突涌水災變演化過程分析。

現以貴陽市軌道交通2號線二期工程(富源北路站—森林公園站區間)的突水區域為研究對象，采用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D-Flow模擬不同距離溶洞對隧道開挖的影響，研究開挖動力擾動作用下隧道突涌水災變演化過程，分析損傷演化過程中的能量變化規律，以期為貴陽市城市軌道交通后期工程的安全施工提供理論指導，推動巖溶地區隧道工程的建設發展。

1 工程地質背景

1.1 工程概況

富源北路站—森林公園站區間屬于貴陽市軌道交通2號線二期工程，線路出富源北路站后，先后下穿富源北路、中環路高架橋、七星大酒店后，下穿森林公園山嶺，到達首開紫郡附近森林公園站，隧道起訖里程YDK39+018.430 ～ YDK42+059.47，ZDK39+018.43 ～ ZDK42+059.47，右隧全長3 041.04 m，左隧全長3 043.036 m，隧道采用礦山法施工。

區間右線內小里程端作業面(掌子面里程YDK40+226.200)拱部右上角突發突涌水，短時間的突涌水量約5 000 m3。該研究區域地貌類型為高中山溶丘和溶蝕洼地相間地貌，地勢起伏較大，地面縱坡較陡，自然坡度為 30°～40°，植被茂密，以松樹為主，林間雜以灌木，水土保持較好，如圖1所示。

圖1 研究區地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

1.2 地層巖性及地質構造

地層巖性主要以碳酸鹽巖為主，其次為碎屑巖。第四系覆蓋層一般較薄，下伏侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系等地層，巖性以灰巖為主。據區域地質資料及實地工程地質測繪，擬建場地位于揚子準地臺黔中腹地貴陽復雜構造變形區，具體位置為貴陽向斜軸部北端東側，地質構造較復雜。

2 試驗方法

2.1 灰巖微觀結構表征分析

試樣選取研究區突水位置處的灰巖作為試驗材料，通過鉆探技術鉆取巖心樣品。為了進一步確定此次突水災害的原因，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗分析灰巖微觀結構特征。

利用掃描電子顯微鏡研究灰巖礦物顆粒晶體內部的表面特征，選取試驗樣品尺寸為365 mm×275 mm，對灰巖樣塊進行SEM試驗，儀器型號為蔡氏Sigma 300，礦物內部表面形貌如圖2所示。可以清晰看出，礦物晶體內部顆粒分布不均勻，形狀不規則，表面棱角凸顯，呈現部分殼狀結構，凹凸不平，溶蝕孔隙較為發育。這種殼狀結構及微裂隙的存在使得礦物內部顆粒具有較大的比表面積，與液體能充分接觸，內部變得疏松，從而具有較強的親水特性。

圖2 灰巖電鏡掃描圖Fig.2 Scanning electron microscope image of limestone

2.2 數值模型的建立

經調查研究發現該區域段內存在充水溶洞，數目規模龐大且節理裂隙較發育，可能出現在隧道的不同部位處。隨著進一步的深入研究，物理實驗卻存在較大的局限性。RFPA軟件能夠模擬巖石體的真實破裂過程，主要以彈性力學為應力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的M-C(Mohr-Coulomb)破壞準則為介質變形和破壞分析。

采用巖石破裂過程二維滲流-應力損傷耦合分析系統RFPA2D-Flow，結合富源北路站—森林公園站區間突涌水事故案例，建立充水溶洞與隧道開挖斷面相對距離為1、2、3 m處的數值模型，其簡化模型為平面二維問題，模型的尺寸長為50 m、高為50 m，網格劃分為100×100個單元網格。模型中隧道以圓形的方式進行開挖，隧道凈高為8 m。模型受上覆載荷P1=5 MPa，圍壓為3 MPa，充水溶洞簡化為圓形斷面形式，洞中水壓為2 MPa，溶洞半徑為1 m，整個過程采用力加載方式，每步以0.01 MPa進行加載，整個加載過程無支護。在模型四周設置滲流邊界，模型中以水為流體。加載示意圖如圖3所示。假定單元性質是線彈-脆性和脆-塑性的，且各力學參數服從Weibull函數分布[18]，表達式為

圖3 隧道開挖加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel excavation loading

(1)

式(1)中：Ω(α)為微觀單元力學性質關于α的統計分布密度；α為代表微觀單元的力學性質參數；α0為微觀單元力學性質的平均值；m為巖石體的均勻性系數，一般m越小，越不均勻。其各力學參數如表1所示。

表1 灰巖數值模型力學參數[16]Table 1 Mechanical parameters of limestone numerical model[16]

3 試驗結果及分析

3.1 隧道圍巖破壞過程分析

隧道在開挖擾動過程中，溶洞中水壓對巖層產生滲流作用，巖體逐漸出現松動軟化現象。圖4所示為充水溶洞對隧道圍巖的破壞過程和聲發射(acoustic emission，AE)圖。可以清晰看出，當充水溶洞與隧道相距為1 m時，在溶洞周圍巖層先出現松動，裂縫最先在溶洞底部起裂，并隨著開挖擾動作用，逐漸向隧道一側延伸，在開挖到25步時出現裂縫貫通，溶洞周圍巖層單元破壞；當充水溶洞與隧道相距為2 m時，在溶洞底部同時出現兩條細微裂縫，并且裂縫呈一定的夾角向隧道一端延伸，在開挖到25步時，使得左邊裂縫貫通，但溶洞周圍未見明顯損傷；當充水溶洞與隧道相距為3 m時，在溶洞頂部與底部同時伴隨裂縫萌生，并沿兩端延伸，上部的裂縫延伸速率快，在開挖到25步時，裂縫開始貫通，溶洞周邊單元破壞損傷嚴重。從上述分析中得出，充水溶洞的距離對隧道圍巖破壞的影響顯著，相對距離為1 m時，溶洞周圍巖層單元損傷最嚴重，2 m時次之，3 m時最小。

空間分布的每一個點都代表相應一個單元損傷破裂信號位置；紅色部分表示當前加載步的拉伸損傷單元圖4 溶洞對隧道圍巖的破壞過程和聲發射圖Fig.4 The destruction process and acoustic emission diagram of the tunnel surrounding rock caused by the karst cave

同時，溶洞與隧道之間的距離對圍巖穩定性產生影響顯著，當相對距離為1 m時，開挖擾動對溶洞的影響最大，容易發生突涌水災害，溶洞周圍圍巖破壞范圍大，容易出現二次災害爆發。當相對距離為2 m時，處于臨界狀態，僅有溶洞與隧道之間的圍巖出現失穩破壞，而溶洞周圍圍巖幾乎看不到損傷單元。當相對距離為3 m時，開挖擾動對溶洞的作用力最小，但作用持續時間長。因此，溶洞和隧道周圍圍巖損傷破壞最為嚴重，發生二次災害的風險最大。

根據試驗結果所得，在可能出現突涌水災害地段預埋引水管道進行排水，并實時對水壓力進行檢測，對開挖后的地段進行支護加固處理。在聲發射圖中，由于巖石的抗拉強度遠低于抗壓強度，當應力大于抗壓強度時，圍巖發生破壞。因此，巖層在損傷演化過程中以拉伸破壞為主，也伴有極少的剪切破壞。

圖5是充水溶洞在隧道開挖過程中對圍巖豎向位移變化趨勢影響，可知，隨著開挖的持續進行，沿豎向位移逐步加大。整個開挖過程中，圍巖位移變化趨勢受溶洞的距離影響較大。在開挖初期，開挖步數在8步之前，圍巖豎向位移無明顯變化趨勢；隨著開挖繼續進展，圍巖豎向位移變化顯著。當相對距離為1 m時，位移在第8～15步時迅速激增，此時，圍巖損傷破壞程度加大，隧道易發生突涌水現象。當加載步在16步之后，豎向位移曲線趨于平緩狀態，此時產生的豎向位移最大；而相對距離為3 m時，曲線先小幅度上升再平緩，然后再次陡升變化，由于相對距離遠，圍巖相對難破壞。加載步在20 步之后，位移曲線呈倒梯形跳躍增大，而此時裂縫開始貫通；當相對距離為2 m時，位移在20步時出現倒三角形跳躍增長，在裂縫貫通后，位移呈現平緩趨勢。這表明了巖層的初始應力場遭受破壞，兩端巖石有向中部擠壓的趨勢，使中部巖體出現局部變形。

圖5 開挖過程中溶洞對圍巖位移變化趨勢的影響圖Fig.5 Diagram of the influence of karst caves on the trend of surrounding rock displacement during excavation

圖6是開挖過程中不同距離充水溶洞的孔隙水壓力變化圖。可知，在開挖初期圍巖受孔隙水壓力影響較小，僅僅是充水溶洞周圍的圍巖承受水的滲透壓的作用。隨著加載的進行，圍巖出現損傷，孔隙水壓力對圍巖影響增大，在裂縫貫通時達到最大，充水溶洞中的水以裂縫作為突破口，快速涌入隧道中，使隧道硐室周圍承受水滲透壓。該區域圍巖屬于中風化灰巖，其具有強度低、天然層理裂隙發育等特點，開挖破壞天然的應力場，使巖體出現微裂縫，并隨水壓力作用而逐漸擴展，導致孔隙水壓力作用范圍越來越大。充水溶洞與隧道之間的距離對災害后水滲透壓的影響顯著。當相對距離為1 m時，裂縫貫通后孔隙水壓力的作用范圍最大，2 m時次之，3 m時最小。意味著1 m時，巖體內的微裂隙分布最廣泛，損傷最嚴重，2 m時次之，3 m時最小，與破壞過程分析結果一致。

圖6 開挖過程中不同距離充水溶洞孔隙水壓力變化圖Fig.6 Changes in pore water pressure of water-filled karst caves at different distances during excavation

3.2 損傷演化過程中的能量變化規律

巖體損傷演化過程實質是耗散能的釋放，導致強度喪失，巖體單元中儲存的彈性能釋放是引發巖體單元突然破壞的內在原因。由熱力學第一定律可知，巖體在荷載作用下發生的變形，其實質就是能量的儲存。總的能量可分為兩個部分，一部分是耗散能，使當前加載步圍巖單元出現損傷和塑性變形；另一部分以彈性能的形式存儲。隨著荷載的增加，彈性能突然釋放，隧道圍巖發生失穩破壞。

圖7是AE 計數 與AE 總能量隨加載步的變化趨勢圖。其中，AE計數為一個單元的微破裂代表一個聲發射事件； AE 總能量為巖體在局部區域產生應力集中，并快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象。可以得知，開挖到11步之前并未出現聲發射和能量的損耗，這是由于開挖初期，兩端巖體向中部有擠壓的作用，整體處于壓密階段。11步之后總能量和聲發射計數隨開挖的進行而逐漸增大，同時有一部分的能量出現損耗，使巖體單元出現損傷，此階段為裂縫擴展階段。一部分能量以彈性能的形式儲存，在巖體損傷到一定程度時突然釋放，使隧道圍巖失穩破壞，造成突涌水現象，這一階段稱為失穩階段。同時可以看出，不同距離溶洞對隧道開挖影響顯著。當相對距離為1 m時，加載到第11步時，AE 總能量曲線變化趨勢突跳，AE 計數對應的裂縫發展速率最大，之后，趨于平緩增長，裂縫貫通時釋放的能量最大；當相對距離為3 m時，AE 總能量曲線趨勢較平緩，AE 計數較少，此時聲發射計數對應的裂縫發展較為緩慢，滲流應力加載結束后，裂縫未貫通，上覆荷載對圍巖的作用較小，圍巖失穩破壞時的能量釋放緩慢；當相對距離為2 m時，圍巖失穩時的AE 總能量與AE 計數曲線與相對距離為3 m時保持一致，圍巖失穩破壞時的能量釋放大于相對距離3 m。

圖7 AE 計數與AE 總能量隨開挖加載步的變化趨勢圖Fig.7 AE count and AE total energy change trend diagram with excavation loading step

綜上所述，通過AE 總能量與AE 計數的趨勢變化情況與前文的圍巖破壞過程的差別具有一致性，可以清晰反映出在開挖擾動下巖溶隧道突涌水滲流-應力-損傷變化情況，從而進一步揭示其災變演化的機理。

4 結論

(1) SEM試驗表明，灰巖礦物內部晶體顆粒分布不均勻，形狀不規則，存在溶蝕孔隙較為發育，具有殼狀結構及微裂隙使得其具有較大的比表面積，與液體能充分接觸，內部變得疏松，從而具有較強的親水特性。

(2) 開挖擾動過程中不同距離下的充水溶洞對隧道的影響顯著，當相對距離為1 m時，溶洞周圍圍巖單元損傷最嚴重，2 m時次之，處于臨界狀態，3 m時最小。當相對距離為1 m時，開挖擾動對溶洞的作用力最大，裂縫最先出現在溶洞底部，且溶洞周圍圍巖損傷范圍廣泛；當相對距離為2 m時，溶洞底部同時出現兩條裂縫，但溶洞圍巖未萌生明顯單元損傷，處于臨界狀態；當相對距離為3 m時，溶洞頂部和底部同時萌生微裂縫，圍巖失穩破壞時，損傷程度較小。

(3) 開挖過程中不同距離充水溶洞的孔隙水壓力變化顯著，在開挖初期圍巖受孔隙水壓力影響較小，僅僅是充水溶洞周圍的圍巖承受水的滲透壓的作用。隨著加載的進行，圍巖出現損傷，孔隙水壓力對圍巖影響增大，在裂縫貫通時達到最大。

(4) 整個開挖過程大致可分為3個階段：壓密階段、裂縫擴展階段、失穩破壞階段。11步之前并未出現聲發射和能量的損耗。當相對距離為1 m時，AE 總能量曲線變化趨勢突出，AE 計數對應的裂縫發展速率最大，裂縫貫通時釋放的能量最大，彈性能突然釋放在失穩破壞階段。通過AE 總能量與AE 計數的趨勢變化，可以清晰反映出隧道突涌水滲流-應力-損傷變化情況。