富水高壓隧道掌子面涌突水穩(wěn)定性研究

管連永，尚明源，李化云

（1.四川路航建設工程有限責任公司，四川 成都 610041；2.核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610031；3.西華大學土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039）

在富水地層修建隧道易引起山體內(nèi)貯藏的大量地下水通過掌子面涌入隧道，造成人員傷亡、沖毀施工機具，造成巨大損失。師曉權[1]基于極限平衡原理建立掌子面穩(wěn)定分析水平條分模型，引入了掌子面錨桿加固等效壓力系數(shù)ka，能較為準確模擬掌子面錨桿加固效果。耿萍等[2]利用離散元方法，追蹤統(tǒng)計了隧道周圍巖體的裂隙發(fā)育、隧道內(nèi)的突水量和突泥量，揭示了隧道涌水突泥隨斷層傾角變化的規(guī)律：富水斷層傾角越小，隧道與斷層的豎向距離越小，隧道越容易發(fā)生涌水突泥，掌子面底部為易發(fā)位置。金建偉[3]研究了海底隧道結(jié)構(gòu)防排水原則、排放量標準，并給出了建立廈門翔安海底隧道防排水體系的建議。包德勇[4]通過工程實例研究了富水隧道在斷層破碎帶突涌水的特征及原因，并給出了相應的工程對策。Chambon 等[5]對砂性土體隧道掌子面穩(wěn)定性進行研究，描述了不同埋深情況下掌子面的坍塌形式，強調(diào)了掌子面穩(wěn)定性與未支護段有密切關系。王秀英等[6]基于極限平衡理論，采用水平條分法推導了掌子面極限支護力計算公式，求解了試驗段淺埋情況下所需的掌子面支護力。梅衛(wèi)鋒等[7]推導了突泥突水情況下隧道掌子面巖墻厚度的計算公式，根據(jù)隧道已有的力學參數(shù)，計算了不同溶腔壓力作用下，隧道掌子面前方巖墻的最小安全厚度。王秉勇等[8]推導出淺埋長距離隧道掘進施工中掌子面穩(wěn)定性的計算公式。顧博淵等[9]在基于楔形塊體理論對掌子面穩(wěn)定性進行分析的基礎上，得到一種分析隧道掌子面穩(wěn)定性的簡化方法。鄭明新等[10]采用有限元軟件MIDAS/GTS 模擬上下臺階法開挖，研究掌子面失穩(wěn)機制及需采取的應對措施，并提出8 種掌子面加固方案。楊為民等[11]通過對比隧道前方有、無溶洞條件下開挖工況，從位移、應力、塑性區(qū)3 個方面分析了隧道前方大型溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，雖然有研究取得了諸多成果，但主要是針對掌子面失穩(wěn)破壞的機制、破壞形式做出相應研究，未能探明富水高壓工況下保障掌子面穩(wěn)定的極限條件?；诖?，本文旨在通過研究富水隧道開挖過程，在探明掌子面失穩(wěn)過程的同時，提出確保掌子面穩(wěn)定的極限防突體厚度（掌子面與斷層破碎帶之間的距離），以此來判別掌子面掘進至斷層破碎帶附近的加固時機。

豹貍崗隧道位于峨眉市金口河區(qū)，左線全長3 650 m，右線全長3 603 m，均為特長隧道。設計中隧道穿越多條富水高壓裂隙密集帶，極易發(fā)生突泥涌水，隧道掌子面接近裂隙密集時，可依據(jù)本研究成果指導施工，保障隧道順利通過。

1 流固耦合機制及突泥涌水發(fā)生機制

1.1 流固耦合機制

巖土體中水的滲流場改變會引起應力場相應變化，致使巖土體滲透變形，這一過程具有一定的時效性，該水滲流場對應力場的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：1）水的滲流對裂隙結(jié)構(gòu)面的物理化學作用，減弱結(jié)構(gòu)面填充物的物理力學性質(zhì)，降低了結(jié)構(gòu)面的強度；2）地下水通過水力作用于結(jié)構(gòu)面而產(chǎn)生擴展的作用。水在巖土體中尺寸、形狀十分不規(guī)則的孔隙或巖體裂隙、溶洞中流動[12]。我們難以得到水在巖土體空隙或者裂隙中的運動規(guī)律。介于此，可采用平均的概念進行描述，研究具有等效的平均性質(zhì)的滲透規(guī)律。經(jīng)過對比分析表明，將巖土體假設為連續(xù)介質(zhì)，可以完全滿足實際工程精度的要求。

1.2 隧道突泥涌水發(fā)生機制

隧道巖體破壞的根本原因在于地下水，其對巖石有著物理、化學以及力學作用。它通常會引起：1）巖石軟化從而導致巖體及結(jié)構(gòu)面強度下降，在裂隙面和結(jié)構(gòu)面起潤滑作用導致摩阻力減小，增加巖塊的活動自由度，從而使得巖體加速向破碎–松散介質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進巖體強度和變形特性的根本變化。2）增大巖體裂隙的連通性，并擴大其張開度，使得其賦水導水能力增強，使?jié)B流場變化對巖體穩(wěn)定性和應力場的影響增大。3）由于地下水的存在，在其靜水壓力和動水壓力的作用下，巖土體原來的滲流場和應力場發(fā)生改變，并保持著動態(tài)平衡。隧道開挖通常會導致這種平衡破壞，當其中一方變化幅度過大，這種動態(tài)平衡將被打破，觸發(fā)諸如滑塌、涌水等地質(zhì)災害。水檻動態(tài)劇變通常反映工程體應力環(huán)境的惡化。

2 模型假定及物理力學參數(shù)

本節(jié)采用有限差分數(shù)值模擬軟件Flac3D，模擬豹貍崗隧道穿越裂隙密集帶的過程，研究掌子面失穩(wěn)過程，確定掌子面極限防突體厚度。對于正常圍巖的滲透性，其表現(xiàn)為各向同性，x、y、z三個方向的滲透系數(shù)一致（kx=ky=kz）；裂隙密集帶的圍巖由于有較強的方向性，其滲透性表現(xiàn)為各向異性，其中x、y方向的滲透系數(shù)一致，z方向的滲透系數(shù)較大（kx=ky＜kz）。滲透系數(shù)的設置情況如圖1 所示。具體的物理力學參數(shù)見表1，圍巖及支護的滲透系數(shù)見表2。

圖1 滲透系數(shù)設置

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 滲透系數(shù)

本文通過建立三維有限差分模型，模擬實際開挖，建立掌子面失穩(wěn)模式，研究失穩(wěn)過程，確定掌子面極限防突體厚度。

建立模型如圖2 所示。模型尺寸范圍：?50 m ≤x≤50 m，0 m ≤y≤60 m，?28 m ≤z≤70 m，Z方向的零點位置為隧道中心。

圖2 模型示意圖

隧道凈空等效半徑6.120 m，初支為噴射混凝土，厚0.24 m，二襯鋼筋混凝土厚度50 cm。模型尺寸范圍：?50 m ≤x≤50 m，0 m ≤y≤60 m，?28 m ≤z≤70m。

縱向圍巖分布：正常圍巖范圍為0 m ≤y≤24 m、40 m ≤y≤60 m；裂隙密集帶圍巖范圍為24 m ≤y≤40m。隧道中心的水頭高度：H＝60 m。

為了模擬施工中掌子面逐漸逼近裂隙密集帶而發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，模型沿縱向的開挖步驟與施工保持一致，開挖進尺為2 m 一個循環(huán)。初期緊跟掌子面，二次襯砌滯后于掌子面。

3 掌子面失穩(wěn)破壞演化過程分析

本節(jié)對地層滲流場隨隧道施工的變化規(guī)律進行分析。由于開挖后，掌子面及周邊臨空面的滲流邊界改變，初始的滲流場所處的平衡狀態(tài)被打破，滲流場需要重新分布。地層的孔隙水壓力隨隧道開挖的變化過程如圖3—圖5 所示。

圖5 開挖30 m 時的水壓值（單位：Pa）

對圍巖空隙水壓演化過程進行分析，將掌子面失穩(wěn)破過程分為3 個階段：

1）孕育階段。如圖3 所示，沿隧道縱向，由掌子面開挖引起的圍巖荷載變化導致掌子面后方的防突體出現(xiàn)超空隙水壓力現(xiàn)象。該現(xiàn)象隨開挖面逼近裂隙密集帶越發(fā)明顯，裂隙密集帶區(qū)域的孔隙水壓力值受隧道開挖影響較小。掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 開挖6 m 時的水壓值（單位：Pa）

2）釋能階段。如圖4 所示，隨著進一步開挖，掌子面與裂隙帶間距不斷減小，雖然未穿過裂隙帶，但是由于隧道掌子面臨空及排水，而使裂隙帶積壓的高水壓和掌子面之間形成了一定的聯(lián)通作用，超孔隙水壓力現(xiàn)象減弱直至消失，裂隙帶的水壓得到一定程度釋放。由于水力作用，掌子面仍處于敏感狀態(tài)。當防突體厚度無法承受高水壓和高地壓的聯(lián)合作用時，涌水現(xiàn)象就會發(fā)生。

圖4 開挖24 m 時的水壓值（單位：Pa）

3）發(fā)生階段。如圖5 所示，由于防突體過于薄弱，無法承受水壓，裂隙帶和隧道之間的流水“管道”被打通，裂隙帶積水通過掌子面涌入隧道，可以初步判定此時掌子面前方的防突體失效。從此過程中可以看出，在裂隙帶水侵入隧道后，裂隙帶水頭在空間上形成一個漏斗的形式。在這個漏斗之內(nèi)地層孔隙水壓力值為一個極低值，可以稱這個空隙水壓低值區(qū)為“泄水漏斗”。而掌子面產(chǎn)生失效的斷面和裂隙帶之間的距離，稱之為“臨界失效距離”，在這個距離之外為安全開挖距離。

超靜孔隙水壓力是由于外部作用或者邊界條件變化在巖體中引起的不同于靜孔隙水壓力的那部分孔隙水壓力。在有排水條件下，它將逐漸消散，并在消散過程中伴隨巖體的體積變化。

4 防突體極限厚度的分析確定

本節(jié)分別用掌子面擠出位移、涌水量、塑性區(qū)體積及最大剪切應變增量4 個指標采用切線法對極限防突體厚度進行了確定（見圖6—圖9）。以圖6 為例，以掌子面掘進位置為橫坐標，掌子面涌水量為縱坐標繪制曲線。由曲線走勢可知，20＜x＜24 之間存在一拐點，掌子面在該點處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。通過做切線確定兩條切線的交點x坐標，該點到裂隙密集帶的距離為極限防突體厚度。防突體極限厚度如表3 所示。

圖6 涌水量判定極限防突體厚度

圖7 掌子面位移判定極限防突體厚度

圖8 塑性區(qū)判定極限防突體厚度

圖9 剪切應變判定極限防突體厚度

由表3 可知，4 個指標得到的極限厚度分別為2.4、3.8、2.7、3.3 m，4 個指標得到的結(jié)果存在一定的誤差。為確保掌子面的穩(wěn)定性，我們保守的取其中的最大值作為該種工況的防突體極限厚度，即3.8 m。

表3 防突體極限厚度表

5 結(jié)束語

本文建立模型研究了富水隧道掌子面失穩(wěn)模式；基于突水突泥地層掌子面穩(wěn)定性分析力學模型，探明了掌子面滲透破壞以及失穩(wěn)過程；提出掌子面穩(wěn)定性評價方法，明確了防突體極限厚度。