多重不良地質條件隧道開挖穩定性與突水預防研究

【中圖分類號】：U451.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-05-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.002

Stability Analysisof Tunnel Excavation and Prevention of Water Inrush in Multiple Adverse Geology

LIUHao，CHENGKeyuan，RANHaibo，YANGRenjie （Sinohydro Bureau7Co.Ltd.，Chengdu 610213，China）

【Abstract】 ∴ Aiming at the stability of working face when the tunnel passes through t adverse geological superposition areas，taking the Zhongliangshan Tunnel of Chongqing Railway Line27as the engineering background，the influence of multipleadverse geology on the change of surrounding rock seepage field，displacement field and plastic zone during tunnel excavation was studied by the three-dimensional fluid-solid coupling numerical method.Corresponding safe thicknesses for water inrush prevention are obtained.The results show that the superposition of multiple adverse geological conditions will intensify the water inrush disasters in tunnels，and earlyprevention is needed.Diferent thicknesses of rock mass for water inrush prevention should be reserved according to the distribution of adverse geological conditions.

【Key words】：tunnel excavation；multiple adverse geology；water inrush；rock thickness；working face stability

隧道施工穿越富水區、斷層、喀斯特、采空區等多種不良地質共同疊加區更容易發生隧道突水、突泥、掌子面失穩等災害＼～2。為保障施工安全，準確評估隧道突水風險并預測可靠的防突巖體安全厚度具有重要的理論和工程意義。

為研究隧道穿越喀斯特區或斷層帶的突水機理，MAD等試驗研究了不同孔隙率、粒徑組成和水壓下的砂巖顆粒遷移過程，從細觀解釋了斷層破碎帶中的突水過程；王紅偉分析了隧道侵人富水破碎帶的突涌形成過程。也有較多學者關注隧道防突安全厚度，ZHANGLW等基于極限平衡理論提出了一種防突層最小安全厚度半解析計算方法；舒宗運等建立了有效隔水巖層（柱）突水力學模型，基于突變理論獲得了有效安全防突厚度。

上述均是對隧道穿越斷層或喀斯特地貌突水突泥機理及防突厚度進行的研究，關于富水斷層破碎帶及喀斯特地貌等多重不良地質條件下隧道掌子面穩定性研究較少。本文以重慶軌道交通27號線中梁山隧道為背景，研究了高富水斷層破碎帶中發育溶洞情況下隧道圍巖滲流場、位移場、塑性區等在開挖過程中的變化特征，分析多重不良地質作用對隧道穩定性及防突體厚度的影響。

1工程概況

1.1隧道概況

重慶軌道交通27號線西永站一磁器口站區間中梁山隧道為雙洞雙線鐵路隧道。以右線為例，隧道里程為 YDK15+430～YDK19+808 ，全長 4378m ，軌頂最大埋深 260m ，屬于深埋隧道。隧道為馬蹄形斷面，單洞內凈寬為 6.9m 凈高為 8.35m ，設計速度 140km/h 。初期支護為C25噴射混凝土、工字鋼架、注漿錨桿及鋼筋網等，二次襯砌為C35鋼筋混凝土。隧道以直線形式自西向東敷設，最大縱坡 3.5% ，采用臺階法開挖。

1.2不良地質發育概況

隧道穿越地層主要為灰巖、頁巖、泥巖、砂巖等，圍巖等級III＼～V級，存在斷層破碎帶、喀斯特、煤層瓦斯、高富水區等多種不良地質，多處段落多種不良地質帶共同疊。地勘結果顯示，背斜核部發育F、F逆沖斷層，基本上相互平行發育，走向 ，傾向E，傾角 ；斜槽谷及核部中深部喀斯特強烈發育，但同一段地層發育不均，已探明落水洞超20處、溶洞3處、喀斯特塌陷超20處；區內存在多層相對隔水層，地下水富集形成高水位，存在多個高富水區。見圖1。

擬建隧道從中梁山右側開挖時先接觸 斷層，其直接影響帶里程 YDK17+869～YDK17+909 。該區域地下水具有高承壓性，屬于高富水區，巖體破碎易形成導水通道，出現較大的涌水；在地下水加劇沖刷下容易產生大小不等的溶隙、溶洞，形成斷裂-溶蝕帶；而超前地質預報范圍有限，無法完全識別隱伏溶洞的大小、位置，存在開挖后掌子面塌方的風險。該區段溶洞會威脅斷層破碎帶圍巖穩定性，隧道穿越該區域時可能因掌子面巖柱防突厚度判斷不足引發突水突泥事件。

2多重不良地質圍巖突水數值模型

2.1數值模型與計算參數

2.1.1數值模型

根據地勘與設計資料，選取隧道分析區段為YDK17+836～YDK17+920 ，隧道埋深約 220m ，圍巖為中等風化灰巖，其間包含 斷層及其影響帶?？紤]斷層破碎帶范圍內發育有溶洞，假設溶洞位于隧道開挖方向前方，將溶洞的形狀簡化為隧道開挖面輪廓，建立三維流固耦合數值計算模型。見圖2。

大量研究及實踐表明，隧道開挖僅對距離隧道 3～ 5倍高度或寬度范圍內圍巖產生影響。為避免邊界影響，且考慮到斷層與溶洞的空間關系，模型尺寸選取為 X×Y×Z=80m×84m×100m （Y向為隧道開挖方向）。隧道開挖高度和寬度分別為 10.01，8.56m ，初支厚度0.23m 二襯厚度 0.6m 。斷層破碎帶傾角 ，寬度取12m 。

2.1.2計算參數

該段隧道穿越灰巖地層，圍巖采用摩爾-庫倫本構模型。初期支護采用殼單元模擬，鋼架和噴射混凝土計算參數按照鋼管混凝土統一理論進行等效折減。二襯作為安全儲備不做考慮，溶洞考慮未充填狀態。見表1。

模型采用注漿錨桿，存在錨桿與巖石之間的黏結和摩擦。見表2。

普通圍巖的滲透性表現為各向同性，3個方向滲透系數一致（ ；斷層破碎帶滲透性具有一定的方向性，表現為各向異性，豎向滲透系數相比其他方向較大 。見表3。

2.2邊界條件與模擬方案

位移邊界條件：模型側面限制法向位移，底面固定，上表面無位移約束，施加上覆地層自重產生的等效均布荷載。

滲流邊界條件：

1）模型上表面初始為等水位線，模擬水位在隧道上方 150m ，上表面施加靜水壓力 1MPa

2）模型四周為等水頭邊界，側面及底面設置為不透水邊界；

3）溶洞腔室施加水壓力，設置為 2MPa

4）隧道開挖臨空面為自由滲透面。

隧道采用兩臺階加臨時仰拱法開挖，循環開挖進尺根據現場施工情況選為 1.2m ，上臺階長度 4.8m ，下臺階長度 12m ，開挖后及時施作初支，開挖 30m 后抵達斷層面。見圖3。

將隧道上臺階掌子面距斷面ⅡI水平長度定義為防突巖體厚度 L ，斷面I開挖范圍為 30m ，斷面I、I間距為 1.2m ，斷面ⅡI開挖范圍為 31.2m ，防突巖體厚度

式中： X 為隧道上臺階掌子面開挖范圍。

考慮斷層破碎帶內發育有長度為 的溶洞，溶洞邊界與斷面Ⅱ間距 S 為研究地下水壓變化，在斷面Ⅱ后 1.2m 處設置孔隙水壓監測點

2.3臨界防突巖體失穩判據

隧道掌子面突水突泥是一個多尺度下多場耦合作用的工程災害，目前對其臨界失穩過程尚未形成統一的判斷依據＼～8。寇小勇等將掌子面圍巖與溶洞周圍的塑性區貫通與掌子面位移突變作為臨界判據，管連永等則將掌子面位移、隧道涌水量、最大剪應變增量作為判據。本文將掌子面縱向位移、孔隙水壓突變和圍巖塑性區貫通作為巖體失穩判據，綜合確定富水隧道開挖接近斷層-溶蝕帶時的臨界防突巖體厚度。

3模擬結果

3.1圍巖滲流場演化特征

根據斷層破碎帶內不發育和發育溶洞情況下不同開挖范圍滲流場演化過程，防突巖體失穩破壞過程大致可分為3個階段。見圖4。

1穩定階段：此時隧道掌子面遠離斷層帶，開挖引起應力變化導致掌子面后方圍巖產生超孔隙水壓力。隨著掌子面接近斷層帶，該現象愈發明顯，但斷層帶內水壓變化不明顯，防突體處于穩定狀態。

2）擾動階段：隨著隧道開挖接近但未穿越斷層帶，斷層帶內地下水與掌子面開始形成連通管道，水壓得到釋放，超孔隙水壓現象逐漸減弱。由于水力作用，防突體處于敏感擾動狀態。

3）失穩階段：當防突體厚度無法承受高水壓和高應力時，斷層帶與隧道之間的輸水管道被打通，此時突水現象發生，防突體處于失穩破壞狀態。

穩定階段斷層帶內是否存在溶洞對圍巖滲流場分布影響較小，但隨著掌子面逼近斷層帶，溶洞附近高水壓范圍逐漸擴大；擾動階段斷層內發育溶洞時，溶洞水壓會加速掌子面與斷層帶建立水力聯系，防突體較早進入敏感狀態；失穩階段溶洞的存在阻隔斷層內孔隙水壓消散，斷層與隧道之間的水壓梯度更大，防突體失穩破壞過程更加迅速。

以圍巖孔隙水壓力發生突變為防突體失穩判據，斷層帶內未發育溶洞時拐點處開挖范圍 X=26.4m ，發育溶洞時拐點處 X=24m ，巖柱防突厚度 L 分別為4.8、7.2m ，溶洞的存在使得隧道防突體厚度增加。見圖5。

3.2掌子面位移變化規律

掌子面位移變化大致可分為4個階段。見圖6。

1）初始階段： O A 段，開挖范圍 3.6m 前，由于邊界條件的改變，掌子面位移存在初始釋放并緩慢上升的過程，該過程受模型計算邊界影響，不作為分析區域。

2）穩定階段： A B 段，開挖范圍在 24m 前，此時遠離模型邊界影響區域，隧道掌子面位移穩定在 25mm 附近，此時防突厚度較大，不良地質對隧道開挖影響較小。

3）擾動階段： B C 段，開挖范圍超過 24m 后進入擾動階段，掌子面位移呈現上升趨勢，其中斷層帶內發育溶洞時該階段更加明顯，防突體處于擾動狀態。

4）失穩階段： C D 段，隧道掌子面位移經過拐點后發生突變，防突體在水力作用下迅速失穩破壞。

以掌子面縱向位移突變作為失穩判據，斷層帶內未發育溶洞時位移拐點處 X=28.8m ，發育溶洞時位移拐點處 X=26.4m ，對應防突厚度 L 分別為 2.4，4.8m 溶洞的存在使隧道防突厚度增加，體現了多重不良地質的疊加作用影響。

3.3圍巖塑性區演化特征

隧道開挖過程中圍巖塑性區變化情況見圖7。

隧道開挖 2.4m 時，掌子面前方塑性區延伸大約為 3.6m ；當開挖 18m 時，塑性區延伸長度穩定在4.8m左右，塑性區主要為剪切破壞。溶洞是否發育對掌子面塑性區影響較小。

斷層內未發育溶洞時，開挖到 26.4m 后，斷層帶內首次產生剪切塑性區并與掌子面塑性區接觸，防突體穩定性降低。隨著防突厚度逐漸減小，開挖范圍為27.6，31.2m 時，斷層內圍巖塑性區沿斷層面迅速發展，由于上下臺階開挖，掌子面后方塑性區呈漏斗狀分布，防突巖體發生塑性破壞，突水突泥災害發生。

斷層內發育溶洞時，開挖到 22.8m 后，掌子面塑性區與溶洞圍巖塑性區貫通。隨著防突厚度減小，掌子面與溶洞之間巖體塑性區體積驟增，并沿斷層面發展，其中開挖到 31.2m 時，防突巖體內部分區域發生拉伸塑性變形，表明地下水已從斷層涌入掌子面，防突體處于失穩破壞狀態。

以塑性區貫通作為判斷準則，可得到斷層帶內未發育溶洞情況下塑性區貫通處 X=26.4m ，發育溶洞情況下塑性區貫通處 X=22.8m ，巖柱防突厚度 L 分別為4.8，8.4m 。

3.4隧道臨界防突巖體厚度確定

統計以圍巖滲流場、掌子面位移、掌子面圍巖塑性區等判據確定的臨界防突巖體厚度，得到防突巖體安全厚度。見表4。

不同判據得到斷層內發育溶洞時防突巖體厚度均大于未發育溶洞情況，表明多重不良地質疊加作用加劇了隧道突水突泥風險，需要更厚的巖體預防突水。

對比不同判據結果，掌子面位移突變時確定防突厚度最小，塑性區貫通時確定防突厚度最大。可認為圍巖塑性區貫通時，防突體局部產生塑性變形，但整體并未全部發生塑性變形，圍巖具有失穩風險卻未發生破壞，因此判斷結果趨保守；而掌子面位移突變時更具有代表性，防突體已經瀕臨失穩破壞。隧道安全巖體厚度應處于上述兩種判據結果之間。深埋隧道施工通常會產生圍巖擾動損傷區，相關研究表明此損傷區范圍一般 ，為方便隧道施工突水預防并保證安全性，在上述結果中取最大值基礎上加 1.5m 作為臨界防突安全厚度。根據相應地質情況，加強掌子面前方圍巖建議范圍內的超前地質預報與處理措施。

4結論

1）研究隧道開挖接近不良地質過程中圍巖滲流場、位移場和塑性區等特征，發現掌子面后方圍巖具有初始一穩定一擾動一失穩階段特征，反映了隧道掌子面突水災害的漸近破壞過程。

2）基于不同失穩判據得到掌子面臨界防突安全厚度，斷層內發育溶洞情況下的防突厚度均大于未發育溶洞情況。

3）多重不良地質疊加作用會加劇隧道突水突泥災害，需要提前預防。根據不良地質分布情況預留不同厚度的防突巖體，加強超前地質預報探明掌子面前方地質情況，及時采取超前支護及預注漿加固后進行施工穿越。

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