隧道突水突泥灾变特性数值模拟研究

【摘 要】突水突泥是对隧道施工及运营安全威胁最大的灾害之一。基于PFC颗粒流程序，建立隧道模型，有效模拟各类地质环境中的突水突泥灾害实效性与岩土体物理场变化，对隧道开挖过程、岩土体位移、速度场、颗粒接触力变化进行分析，揭示出现突水突泥灾害前与发生后，断层围岩的具体变化。通过对数据分析与研究发现，突水突泥前后围岩各物理场信息发生明显变化，可将变化信息作为灾害预警的评判手段，其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

【关键词】隧道;突水突泥;数值模拟;围岩变化

【中图分类号】U456.3 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）06-0054-03

0 引言

近年来，我国隧道建设规模逐步变大，数量也不断增加，所以隧道施工常常面对断层破碎带、岩溶及特大富水隐伏溶腔等复杂地质。通过大量分析国际上众多隧道突水突泥案例发现，导致突泥、突水等高发地质源的重要因素就是含有丰富地下水，松散破碎的岩土，埋深大、水压高的断层带[1-2]。当前，国际上的学者可以采用各类模拟软件，并运用热力学、时效损伤、断裂损伤及粘弹性等理论模式构建破碎岩体渗流-损伤演化方程，对出现地质灾害时岩土体的实时变化规律进行模拟。C.Wolkersdorfer、R.Bowell、K.Noghabail[3]等人利用断裂力学对地下工程，如在进行矿山作业、隧道施工等情况下，会产生对岩土体产生一定干扰，此时对其水利情况展开分析，同时进一步研究在水压影响下，裂纹出现及扩大等一系列力学情况;Valko和M.J.Economides[4]采取损伤模型分析由水压导致裂缝出现的情况下岩石的受损现象。

下文将模拟各类地质条件下岩土体物理场变化与突水突泥灾害实效性，并深入探究发生灾害时围岩的位移场、应力场与渗流场，同时得到在各类工况情况下产生灾害的条件与岩体扰动形态的规律。

1 构建隧道模型

在开挖隧道时，断层破碎带开始卸荷，将应力释放出来，地层孔隙率与岩体结构出现改变，地下水渗流路径与压力也在变化，在此过程中岩土慢慢发生弱化，在进行开挖作业时会干扰周边土体，从而引发位移情况，因此实际隧道作业会穿越断层破碎带，那么就要求作业人员科学计算出岩体稳定系数，进而得到在既定条件下，灾害发生的概率与危害情况，最终确定判定要不要采用超前加固方法将整体岩体物理力学性能改善，从而保证整体施工的高效开展。

下文将选择断层带和周围范围进行研究，并有效模拟岩土体变化情况。对计算效率与精度进行综合考量，明确需要模拟隧道的范围。在开挖地下洞室过程中，会干扰到3～5倍洞径的岩体，超过洞径3倍以上其影响程度将不会超过5%[6-7]，所以要分别选择开挖轮廓线两侧的60 m作为计算模型，由于实际灾害已经对山顶产生影响，所以选择其纵向高度为225 m，其中隧道高度为9 m，隧道拱顶上部到山顶高为180 m，底部到下边界为36 m。通过研究大量文献资料发现[8]，开挖面与断层距离为断层宽度的0.75～1.25倍的情况下，断层会在很大程度上干扰岩体的每项物理场参数，模型边界选择顺着隧道轴向方向，与断层距离50 m的部位，数值计算模型尺寸为120 m×225 m×135 m。

将水压作用于模型顶部，下部为0，从而其上下部会出现一个流体压力差额，由岩土体的应力场、位移场与颗粒间的互相作用变化情况研究断层破碎带隧道突水突泥的机理。

2 隧道开挖计算结果及分析

在开挖隧道时，断层破碎带开始卸荷，将应力释放出来，地层孔隙率与岩体结构出现改变，地下水渗流路径与压力也在变化，同时岩土体也在不斷发生弱化，在进行开挖作业时会干扰到周边土体，从而引发位移情况，因此实际隧道作业会穿越断层破碎带，那么要求作业人员可以科学计算出岩体稳定性，进而得到在既定条件下，灾害发生的概率与危害情况，最终确定判定要不要采用超前加固方法将整体岩体物理力学性能改善，从而保证整体施工的高效开展。

因为断层破碎带岩体松散破碎，所以一旦遇到水分就会导致其结构出现弱化，进而大大降低整体结构的承载能力，并且随着开挖不断深入，岩体内地下水的渗流压力也在相应加大，久而久之就会导致突水突泥的情况。为了提高计算效率，节约资源，可以将断层划分为几个部分，并且利用数值模拟的方式观察开挖隧道时岩体中不同物理场和灾害发生前的信息变化。

2.1 开挖过程

如图1所示，出现灾害情况下，响应速度最快且最明显的就是隧道拱顶位置周边。涌出突出物数量逐步增加，那么实际影响断层岩体的范围也在不断加大。

2.2 位移分析

2.2.1 正常岩体位移

正常岩体段竖向位移随进尺的变化如图2所示。

通过分析图2可以发现，隧道围岩变形与简支梁非常相似，最大位移集中于已开挖岩体中部，同时围岩位移会随着与隧道开挖轮廓线的距离缩短而变大。

例如，断面与掌子面最贴近的情况下，将监测点设置于最大位移的断面处，对政策开挖围岩段的沉降情况进行观察发现，开挖正常围岩时，对下部岩体的影响要小于上部，通常其下部岩体影响高度在38 m左右，而上部则在48 m左右。如果与隧道还有较大一段距离时，那么位移增长速度就会相对较慢，而与隧道距离越近，其速度就会随之加快，尤其是和隧道距离约15 m时，上下围岩位移速度会大幅提升。

对正常岩体进行开挖过程中，各种高度围岩的沉降具体表现如图3所示。

2.2.2 断层岩体位移

断层破碎带内不同高度岩体的沉降变化如图4所示。

通过对图4研究发现，将断层揭露后，地下水作用效果逐步下降，掌子面与周边围岩沉降范围越来越大，30 h后出现灾害情况下，与岩体距离15 m内的区域会出现突跳，但是距离超过45 m的岩体就会呈现出较为平稳的状态。在出现突水突泥时围岩出现较大变形，同时没有发生跳跃式增长，灾害停止后，围岩位移慢慢变得稳定，同时增长也在逐步停止。突水突泥的灾害对断层破碎带的影响范围在60 m左右，几乎是隧道的5倍洞径。

2.2.3 岩体总位移场分析

对图5进行分析发现，揭露断层后，通过一定时间，断层岩体位移还在一直增加，同时增加幅度较大。在出现突水突泥情况下，断层破碎带变形范围往上大幅增加，与突泥口距离越近，其岩体位移就会越大，和普通岩体影响比较来说，灾害影响断层岩体的范围要大得多。

2.3 速度场分析

通过对图6观察发现，岩体与突泥口间距变小，那么实际涌出最原始的速度就会逐步加大，相应的时间延长，对应速度会马上减小直到灾害结束。速度最大的是临空面的泥化岩体，且涌出物堆积越多，一旦其能够对断层破碎带岩体上部荷载进行支撑时，淤泥堆积体形成临时“止突岩盘”。

3 结论

综上所述，采取压力和流动方程耦合的方式模拟地下水和土体间的互相作用，并且能够演示隧道出现突水突泥的过程。通过对进一步分析与研究发现，正常岩体段位移会对其洞径4倍的范围产生干扰，而对于断层带岩体其干扰范围将会扩大至5倍;对于岩体颗粒接触力来说，涌出速度产生影响更大，而断层破碎带岩体则要相对小一些。

参 考 文 献

[1]张民庆，刘招伟.圆梁山隧道岩溶突水特征分析[J].岩土工程学报，2005，27（4）：422-426.

[2]孙晋玉，张强，许模.通海隧道施工涌突水灾害与环境影响研究[J].水土保持研究，2011，18（4）：69-73.

[3]Wolkersdoorfer C，Bowell R.Contemporary reviews of mine water studies in Europe[J].Mine Water and

the Environment，2004，23：161.

[4]VALKO P，ECONOMIDES M J.Propagation of hydraulically induced fractures-a continuum damage mechanics approach[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomecha-nics Abstracts，1994，31（3）：221-229.

[5]吴家龙.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6]郑泽源.水工隧道断层破碎带段掌子面稳定性分析方法研究[D].长沙：中南大学，2012.

[7]翁贤杰.富水断层破碎带隧道突水突泥机理及注浆治理技术研究[D].济南：山东大学，2014.

【作者简介】李伟，男，山東德州人，大学本科，中铁十六局集团第三工程有限公司党委书记，从事工程施工企业管理及技术研究工作。