某富水斷層對隧道穩(wěn)定性及涌水影響敏感性分析

張付軍，趙元科，段 宇，胡 俊，朱才輝

(1.甘肅長達路業(yè)有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省橋梁隧道健康監(jiān)測與安全評估技術(shù)重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；4.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

隧道發(fā)生涌水涌泥及不穩(wěn)定的形成機制較為復(fù)雜[1]，研究認為非可溶巖隧道突涌的本質(zhì)是，開挖擾動觸發(fā)賦存在破碎帶或軟弱帶中的水和碎屑物在自身壓力作用下涌入隧道，其孕險環(huán)境必須同時具備物質(zhì)條件、空間條件和觸發(fā)條件，三者缺一不可[2]。許多學(xué)者基于以往研究成果，針對隧道突水致災(zāi)構(gòu)造進行了劃分：賀振宇等[3]將隧道突水致災(zāi)構(gòu)造分為五大類，并提出六種突水破壞模式。其中，斷層引起隧道突水的案例逐漸引起重視，吳靜[4]將斷層破碎帶劃分為：富水斷層、導(dǎo)水斷層、儲水斷層、阻水斷層、無水斷層五大類，并基于數(shù)值方法研究了斷層不同因素對隧道涌水量的影響規(guī)律。李曉昭等[5]通過已有隧道突水突泥歸納分析，提出了2類5種隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造：富水夾泥斷裂帶(富水斷裂破碎帶、夾泥斷裂帶)與充水充泥巖溶體(深部充水巖溶、表層裂隙巖溶帶、充填巖溶洞穴)，提出了不同突水突泥致災(zāi)構(gòu)造的判別理論方法。李術(shù)才等[6]對我國200多例隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造精心歸納劃分為3 類11型。

近年來，關(guān)于隧道的突水涌泥多場耦合理論及其評價方法的研究也取得了不少進展，任文峰[7]基于應(yīng)力-應(yīng)變-滲流耦合原理，開展了隧道注漿防突的理論研究；張志成等[8]采用改進層次分析法，建立了深長隧道突涌水災(zāi)害危險性評價模型。蔡俊華[9]提出了基于涌水量預(yù)測、地質(zhì)預(yù)報、封堵加固措施、開挖方法、施工組織管理和綜合評價的風險控制機制，認為當許可評價的風險在可接受的范疇內(nèi)才可以施工，避免災(zāi)害的發(fā)生。成帥等[10]通過隧道突水全過程監(jiān)測認為，突水災(zāi)害可分為：平靜期、發(fā)展期、突變期和災(zāi)后期4個時期，并提出了基于多元監(jiān)測信息融合分析的突水災(zāi)害狀態(tài)判識方法。此外，針對隧道滲漏及治理措施方面，相關(guān)學(xué)者也開展了不少研究[11-13]，從隧道開挖、初期支護及襯砌等不同工況角度研究了地下水滲流對圍巖穩(wěn)定性的影響。上述針對隧道突水涌泥的形成機制、致災(zāi)構(gòu)造類型、理論預(yù)測模型及治理措施方面的研究，為隧道突水、圍巖穩(wěn)定性預(yù)警和治理技術(shù)提供了寶貴的研究基礎(chǔ)。本文以武九高樓山公路隧道為例，針對其以斷層破碎帶為主控因素的隧道圍巖穩(wěn)定性及涌水問題展開數(shù)值分析研究，基于FLAC3D有限差分法，對本工程中隧道發(fā)生突涌水的影響因素進行流固耦合分析，探索各因素對隧道圍巖穩(wěn)定性及涌水量影響的敏感程度，從而為隧道防突措施的制定提供科學(xué)參考。

1 武九高樓山隧道工程背景

武九隧道處于甘肅平?jīng)鲋辆d陽國家高速公路武都至九寨溝(甘川界)段，本項目路線起點位于武都區(qū)桔柑鄉(xiāng)，與武都至罐子溝高速公路以樞紐立交相接，隧道路線全長12.48 km。武九高樓山隧道的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，由一系列褶皺和斷裂組成。主干斷裂有石坊-范家壩-尖山-臨江斷裂，高峰壩-凡昌-明鏡寺斷裂帶。斷裂帶一般較寬，斷層面兩側(cè)擠壓破碎強烈，角礫巖化、糜棱巖化明顯，伴生的次級斷裂及構(gòu)造裂隙發(fā)育，斷層和構(gòu)造裂隙的相互交切構(gòu)成了較為復(fù)雜的構(gòu)造格局，造成區(qū)內(nèi)巖體嚴重破碎。隧道通過地層的巖性主要以頁巖、片巖、砂質(zhì)、碳質(zhì)板巖為主，巖體大多破碎，部分洞段圍巖較為完整，圍巖級別主要以Ⅲ(占隧道總長36.4%～37.4%)、Ⅳ(占隧道總長54.4%～55.7%)、Ⅴ級(占隧道總長7.9%～8.2%)為主，部分洞段通過斷層破碎帶及斷裂帶，隧道通過該地段可能會產(chǎn)生大變形及塌方危險，該區(qū)域褶皺十分發(fā)育，地下水類型較多，主要有基巖裂隙水，受地表水及大氣降水的補給，局部地段接受溝流滲漏補給，深層基巖裂隙水同時接受表層風化裂隙水補給?？赡軙植慷炊斡袧B水及涌水現(xiàn)象(ZK49+245處掌子面斷層涌水，見圖1)。

圖1 ZK49+245處掌子面斷層涌水

2 隧道涌水影響因素數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析方案

隧道施工必然會造成圍巖中滲流場的改變，使巖體有效應(yīng)力重新分布，有效應(yīng)力改變又反作用來影響地下水的滲流，這種應(yīng)力場與滲流場相互作用的現(xiàn)象被稱為流固耦合效應(yīng)，因此，有必要采用流固耦合分析方法來研究隧道開挖誘發(fā)的涌水與圍巖穩(wěn)定性耦合問題。FLAC3D中提供了流固耦合分析模型，其理論基于達西定律的運動方程，微元體小變形平衡方程，土體滲流本構(gòu)方程，應(yīng)變速率與速度梯度滿足的相容方程建立基本微分平衡方程，進而得出不同方向位移及孔壓值，來實現(xiàn)應(yīng)力場與滲流場相互作用，隧道涌水本身就是地下水在地下巖體中破壞隧道周圍巖體造成集中性的流動問題，本質(zhì)也是一種開挖造成滲流場與應(yīng)力場的耦合問題。為研究隧道開挖期間，隧道滲流場與變形量對隧道穩(wěn)定性的影響，本文采用FLAC3D流固耦合分析中Config Fluid模塊，來分析隧道在流固耦合作用下圍巖的穩(wěn)定性及涌水量。

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)信息勘察資料發(fā)現(xiàn)，富水斷層破碎帶的存在對隧道的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：隧道埋深H、地下水位高度h、斷層與隧道不同空間距離d(與隧道外邊界垂直距離，按照與隧道等效洞徑D來估算)、斷層破碎帶寬度W、斷層破碎帶與水平方向夾角θ、不同地應(yīng)力條件(側(cè)壓力系數(shù)K0)、圍巖級別(S)等。本文試圖通過上述7個影響因素，開展數(shù)值仿真分析，其中各因素的取值范圍，根據(jù)高樓山隧道的實際情況進行選取，具體試驗方案如表1所示。通過上述數(shù)值試驗方案，針對不同影響因素下對隧道涌水及圍巖穩(wěn)定性進行流固耦合分析，確定各影響因素下隧道洞周的單寬涌水量q，收斂變形量Ux(水平位移)和Uy(豎向位移)，塑性區(qū)面積A等特征，以此來綜合評價隧道發(fā)生突水等級和圍巖穩(wěn)定性。

表1 數(shù)值分析方案

2.2 數(shù)值模型的建立及模擬方法

數(shù)值模擬步驟如下：

(1) 模型左右邊界法向約束，底部雙向約束，頂部為自由面，隧道開挖邊界為零水頭邊界，基于流固耦合理論，模擬初始自重場和滲流場。

(2) 基于應(yīng)力釋放原理，模擬施工期隧道全斷面一次性開挖，考慮圍巖荷載分擔比為60%～80%，計算圍巖在施工期間的收斂變形、塑性區(qū)及洞周所有節(jié)點的滲流量。

(3) 為了單獨考察工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件對隧道開挖期間圍巖穩(wěn)定性及涌水量的影響，不考慮初期支護和二次支護產(chǎn)生的支護反力作用，僅進行施工期開挖作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)及滲流量的分析。

(4) 巖層按理想彈塑性材料處理，且遵循M-C(摩爾-庫侖)屈服準則。

隧道斷面形式為三圓心馬蹄形，開挖輪廓寬度為11.3 m，高度為8.8 m，其數(shù)值分析模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值分析模型的建立

2.3 分析參數(shù)的取值

本文關(guān)于不同圍巖級別的建議參數(shù)(見表2)，參考《武九公路高樓山隧道地質(zhì)勘察報告》和《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》[14](JTG 3370.1—2018)(以下簡稱《規(guī)范》)，關(guān)于圍巖變形和修正涌水等級(見表3、表4)，本文根據(jù)隧道單寬涌水量為指標，將《規(guī)范》中涌水等級及定性描述細化為4級，即A、B、C、D四級)。

表2 數(shù)值分析模型參數(shù)取值

表3 洞周相對收斂值允許值U/D 單位:%

表4 隧道涌水等級

2.4 數(shù)值分析結(jié)果

2.4.1 隧道埋深H對圍巖穩(wěn)定性及涌水量影響分析

圖3為隧道埋深不同情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D(%)、Ux/D(%)、單位涌水量q(m3/(d·m))及等效塑性區(qū)厚度Tp(m)隨埋深H的變化規(guī)律。其中，Uy為隧道開挖斷面最大豎向位移(拱肩斷層部位)，Ux為隧道凈空水平方向最大收斂位移(側(cè)墻斷層部位與另一側(cè)側(cè)墻部位水平位移之和)，D為隧道等效洞徑，則D和Tp的關(guān)系可表示如下：

(1)

(2)

式中:A為隧道開挖輪廓外側(cè)塑性區(qū)面積,m2;A0為隧道開挖斷面面積,m2。

通過上述計算可得：隨著埋深H的增大，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D呈線性增大，且均低于最大許可值(U/D)max=[2.0%]；圍巖塑性圈的等效厚度Tp隨隧道埋深H呈非線性減小趨勢，當100 m≤H<200 m時，8.9 m

圖3 Uy/D、Ux/D、q、Tp與H關(guān)系

2.4.2 地下水位高度h對圍巖穩(wěn)定性及涌水量影響

圖4為地下水位高度h不同情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp的變化規(guī)律。

圖4 Uy/D、Ux/D、q、Tp與h關(guān)系

通過上述計算可知：隨著地下水位高度h的增大，Uy/D、Ux/D基本呈線性增大，且Uy/D>Ux/D。且低于規(guī)范最大許可值(U/D)max=[2.0%]；圍巖塑性圈的等效厚度Tp隨地下水位h增大呈緩慢增大趨勢；隧道涌水量q呈直線增長趨勢，且q<3.6 m3/(d·m)，涌水級別為D級。表明：地下水位增加，水頭壓力增大，造成隧道涌水量增加和圍巖變形增大，其主要原因是：隨著地下水位高度的增大，導(dǎo)致隧道圍巖承擔的外水壓力和總滲流量的增大，必然導(dǎo)致圍巖單寬上的滲流量、變形及塑性區(qū)的增大，因此降低斷層內(nèi)部的地下水位是保證隧洞不發(fā)生涌水和圍巖穩(wěn)定性重要手段。

2.4.3 隧道圍巖級別S對突涌水及圍巖穩(wěn)定性影響

圖5為不同圍巖級別下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp隨圍巖級別S的變化規(guī)律，本算例中考慮了有斷層和無斷層影響情況下的計算結(jié)果對比。通過上述計算可知：

(1) 當不考慮斷層破碎帶影響時，隨著圍巖級別S的降低，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D呈快速增大趨勢，當圍巖級別較好時(S=Ⅲ級)，Uy/D=0.2%<[1.2%]；當圍巖較差時(S=Ⅳ級)，平均值Uy/D=5.37%>(U/D)max=[2.0%]，圍巖變形超過許可值；當考慮斷層破碎帶影響時，S=Ⅲ級時，Uy/D=0.20%<[1.2%]，S=Ⅳ級時，Uy/D=10.38%>(U/D)max=[2.0%]，表明：隧道周圍斷層破碎帶對圍巖較差的隧道穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大的影響。

(2) 圍巖塑性圈的等效厚度Tp隨圍巖級別S呈增長趨勢，無斷層影響時1.18 m

(3) 圍巖變差時，隧道單寬涌水量q呈指數(shù)增加趨勢，且斷層破碎帶的存在使得相對收斂變形Uy/D、塑性區(qū)等效厚度Tp、涌水量q分別平均增加了約1.7、0.3、0.41倍。表明：圍巖較差情況下，隧道 單寬涌水量q=16.1 m3/(d·m)～23.0 m3/(d·m)，容易發(fā)生較為嚴重的B級及以上的涌水風險。

由此可見，圍巖級別對隧洞涌水及圍巖穩(wěn)定性起著控制作用，圍巖性質(zhì)越差，隧洞的整體滲透性增強、成洞條件減弱，且在斷層的影響下，隧洞發(fā)生涌水及失穩(wěn)的可能性更為顯著，對于富水斷層隧洞而言，對圍巖進行超前預(yù)支護和斷層導(dǎo)水措施是保證施工安全的前提。

圖5 Uy/D、Ux/D、q、Tp與S關(guān)系

2.4.4 斷層寬度W對圍巖穩(wěn)定性及突水影響

圖6為不同斷層寬度W情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp的變化規(guī)律。

圖6 Uy/D、Ux/D、q、Tp與W關(guān)系

通過上述計算可知：隨著斷層寬度W的增大，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D呈緩慢增大趨勢后區(qū)域平緩；圍巖塑性圈的等效厚度Tp呈線性增大趨勢；隧道單寬涌水量q先增加后趨于平穩(wěn)?？梢姡R近隧洞的斷層在一定寬度范圍內(nèi)(W≤3D)會對隧洞的涌水及穩(wěn)定性會產(chǎn)生顯著的影響，超過此范圍將對隧洞施工期安全影響不大。

2.4.5 相對間距d/D對圍巖穩(wěn)定性及突水影響

圖7為斷層不同相對間距d/D情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp的變化規(guī)律。

通過上述計算可知：當斷層相對間距0.5

圖7 Uy/D、Ux/D、q、Tp與d/D關(guān)系

2.4.6 夾角θ對圍巖穩(wěn)定性及突水影響

圖8為斷層夾角θ不同情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp的變化規(guī)律。

圖8 Uy/D、Ux/D、q、Tp與θ關(guān)系

通過上述計算可知：隨著斷層與水平方向夾角θ的增大，Uy/D呈緩慢減小趨勢、Ux/D呈緩慢增大趨勢，當θ<45°時，Uy/D=2.07%>(U/D)max=[2.0%]，圍巖變形大于許可值；當θ>45°時，Uy/D=1.34%<(U/D)max=[2.0%]；Tp隨θ的增大也呈上凸的拋物線型，當0°≤θ≤60°時，6.0 m≤Tp≤7.7 m，當60°<θ≤90°時，6.7 m≤Tp≤7.7 m，表明隨著θ的增大，塑性區(qū)擴展深度會存在一個峰值，當θ接近45°時，洞周圍巖最容易發(fā)生破壞，塑性區(qū)達到最大，且單位涌水量q也達到峰值q=3.7 m3/(d·m)。表明：在θ接近45°時，隧道與斷層破碎帶之間最容易形成裂隙貫通渠道，隧道發(fā)生失穩(wěn)和涌水概率最大，其主要原因是，斷層的走向與隧道的軸線夾角越接近45°～60°，隧洞圍巖沿著斷層發(fā)生剪切滑移破壞的可能性越大，隧洞發(fā)生涌水和失穩(wěn)的趨勢越明顯。

2.4.7 側(cè)壓力系數(shù)K0對圍巖穩(wěn)定性及突水影響

圖9為不同側(cè)壓力系數(shù)K0情況下，圍巖的相對收斂變形Uy/D、Ux/D，單位涌水量q及等效塑性區(qū)厚度Tp的變化規(guī)律。

圖9 Uy/D、Ux/D、q、Tp與 K0關(guān)系

通過上述計算可知：

隨著側(cè)壓力系數(shù)K0的增大，Uy/D、Ux/D均呈線性增大，當K0=1.0～1.6時，Ux/D=0.95%～1.84%<(U/D)max=[2.0%]，圍巖變形低于許可值。

圍巖塑性圈的等效厚度Tp呈非線性增大趨勢，表明洞周圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象增強，塑性區(qū)擴展深度增大。

洞周單位寬度涌水量q呈線性增大趨勢，表明隧道圍巖側(cè)壓力系數(shù)的增大一定程度上不利于隧道的穩(wěn)定性，且有涌水隱患。其主要原因是：側(cè)壓力系數(shù)直接反映了初始應(yīng)力場的大小，側(cè)壓力系數(shù)越大反映了圍巖處于高地應(yīng)力的不利狀態(tài)越顯著，對圍巖的穩(wěn)定性影響越劇烈，隨著高地應(yīng)力場的出現(xiàn)，隧道圍巖可能會發(fā)生巖爆現(xiàn)象，此時地下水將難以在高地應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生滲流現(xiàn)象，涌水與巖爆往往不可能在同一種地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境中發(fā)生，因而側(cè)壓力系數(shù)的增大對隧道涌水量幾乎無影響。在實際工程中，選線期間盡量避開這類不良地質(zhì)條件。

2.5 敏感性分析

為了對比分析不同影響因素對圍巖穩(wěn)定性及涌水量的影響程度，采用敏感度系數(shù)Q定量描述各影響因素對隧道相對收斂位移U、塑性圈等效厚度Tp、單寬涌水量q的影響[15]。其中：

(3)

(4)

(5)

式中:ΔU/U為隧道相對收斂位移變化率;ΔTp/Tp為隧道塑性圈等效厚度變化率;Δq/q為隧道單寬涌水量變化率；Δx/x為影響因素的變化率；Q>0表示隧道變化量與影響因素變化趨勢相同，Q<0表示隧道變化量與影響因素變化趨勢相反。根據(jù)式(3)—式(5)計算得到各敏感度系數(shù)見表5。

為了分析各影響因素對圍巖穩(wěn)定性及突水的影響程度，將隧道位移、塑性圈厚度、涌水量對應(yīng)的敏感度指標Q來綜合分析各因素的敏感程度:

(6)

根據(jù)式(6)計算得到上述不同影響因素下，圍巖穩(wěn)定性及涌水量對其綜合敏感程度，并對其進行排序見圖10。

由表5和圖10可見：富水斷層條件下隧道開挖施工期間，圍巖級別S對隧道變形、塑性區(qū)、涌水量影響最大，其次為側(cè)壓力系數(shù)K0，再次為斷層與隧道相對間距d/D和斷層寬度W；不敏感的影響因素為：隧道埋深H、地下水位高度h及斷層與水平面夾角θ。由此可見：對于受近距離、大傾角斷層和受高地應(yīng)力影響的圍巖條件較差的隧道，其整體穩(wěn)定性與涌水災(zāi)害較為明顯，應(yīng)采取合適的排水和圍巖加固措施，適當降低水頭壓力的同時，改善圍巖條件，提高圍巖的自穩(wěn)能力，才能降低涌水災(zāi)害和圍巖大變形效應(yīng)。

表5 敏感度系數(shù)

圖10 綜合性敏感性指標排序

3 結(jié) 論

(1) 隧道相對收斂位移隨著隧道的埋深H、地下水位高度h、圍巖級別S、斷層破碎帶寬度W、側(cè)壓力系數(shù)K0的增大而增大，隨斷層相對間距d/D的增大而減小，隨斷層傾角θ的增大拱頂位移Uy逐漸減小，邊墻處水平位移Ux逐漸增大。隧道整體穩(wěn)定性及涌水等級受圍巖級別影響最大，其次為側(cè)壓力系數(shù)，再次為斷層相對間距和寬度，而隧道埋深、地下水位高度和斷層夾角對隧道整體穩(wěn)定性及涌水量等級敏感程度相對較低。

(2) 對于受近距離、大傾角斷層和高地應(yīng)力影響的圍巖條件較差的隧道，其整體穩(wěn)定性與涌水災(zāi)害較為明顯，應(yīng)采取相應(yīng)的排水和注漿措施，適當降低水頭壓力的同時，改善圍巖條件，提高圍巖的自穩(wěn)能力，才能降低涌水災(zāi)害和圍巖大變形效應(yīng)。