岩溶隧道断层面突水灾害的力学机制

张军伟，孟宗衡，曾 艺，陈 拓，申明德，梅志荣

(1. 西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3. 中铁西南科学研究院有限公司, 四川 成都 610031)

岩溶隧道断层面突水灾害的力学机制

张军伟1，2，孟宗衡1，曾 艺1，陈 拓2，申明德1，梅志荣3

(1. 西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3. 中铁西南科学研究院有限公司, 四川 成都 610031)

为防止岩溶隧道因顶部岩盘发生力学破坏而发生突水突泥灾害，以宜万线五爪观隧道为工程背景，对隧道-岩溶系统进行抽象概化，分析了断层构造突水机理及隧道穿越断层段引发的主要突水模式，进而研究岩溶隧道顶部岩盘力学破坏机制，得到了如下结论：(1)建立了溶腔位于隧道顶部条件下压性断层与张性断层突水力学模型；(2)推导了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算公式；(3)应根据溶腔水压力的变化选择按抗弯强度或抗剪强度计算岩盘最小安全厚度；(4)结合工程实例验证了此岩盘最小安全厚度计算方法的合理性。研究对断层段岩溶隧道的设计和施工提供一定的参考。

岩溶；隧道；断层；岩盘；力学破坏机制

0 引言

“十三五”期间，我国将致力于强化综合枢纽衔接、推进城际交通建设等多个方面的发展，同时也将继续增大对中西部基础交通设施建设的投资力度。特长深埋隧道不断增多，施工过程中所遭遇的不良地质问题也越来越突出，其中，在西南地区以岩溶地质灾害表现最为严重[1-7]。隧道在此不良地质段掘进，经常发生突水、突泥等工程事故，安全形势特别严峻。尽管突水、突泥的机理研究已经很多，但岩溶隧道岩盘水力破坏机制仍然没有得到解决[4, 6, 8-15]。如何安全有效地应对岩溶突水突泥问题，成为岩溶地区地下工程建设的关键。

近年来，国内外学者在岩溶突水突泥机理的研究以及岩盘安全厚度的确定方面有进一步的发展。研究分析了岩溶蓄水构造与岩溶突水涌水的模式，岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水流模型及模拟方法，深埋岩溶隧道突水涌水的力学机制，设计与施工中隧道岩盘防突安全厚度的确定方法等[2, 3, 6, 8-11, 13, 16-20]。上述研究多数只针对隧道-岩溶系统建立一系列如弹性梁板模型、岩墙模型等有代表性的典型力学模型[6, 8-9, 12-13, 16-17, 20-21]。而这些力学模型研究的对象也仅限于完整围岩或含微裂隙围岩，并不适用于岩溶隧道断层段围岩。大量工程实践表明[3-4]，相当一部分比例的地下工程突水灾害与断层相关。据不完全统计，我国大型突水事故超过50%与断层相关，在煤矿采动突水中超过75 %的突水与断层有关[16, 20, 22-23]。因此，亟需一套合理有效的岩盘安全厚度计算方法来指导隧道设计和施工，以保证断层段岩溶隧道建设的安全性与经济性。

以下研究对隧道-岩溶系统进行抽象概化，建立了溶腔位于隧道顶部条件下突水力学模型，通过分析断层构造突水机理，推导了压性、张性断层存在于隧道与溶腔之间的岩盘时岩盘最小安全厚度计算公式，结合工程实例对本计算方法进行了验证。使岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度的确定具备了一套具有一定借鉴价值的科学理论与工程实践相结合且合理有效的计算方法。

1 断层构造突水机理

1.1断层的构造类别

断层是广泛发育于浅层地壳中的断裂构造，其断裂结构面破坏了岩体的连续性和完整性，并且控制和影响着岩体的力学性和渗透性[9]。E.M.Anderson[22]等根据断层两盘相对运动性质和力学背景将断层分为正断层、逆断层、平移断层等类别。根据断层的形成机理， 一般情况下，正断层为张性断层，主要是在水平拉伸应力条件下形成，张裂程度大，断裂面的充填物孔隙多、孔隙度大，增强了地下水的运移循环，在非透水性填充物情况下导水性良好；逆断层为压性断层，所受水平主应力最大，断层两盘受到强烈的水平挤压，因此其结构面连接非常紧密，导水性能差；平移断层为扭性断层，其作用的应力为断层两侧的剪切力，断裂面沿水平方向发展，结构面裂缝发育较窄且闭合性良好，由于裂缝延伸较远，深度较深，层次较多，因此导水性也较好。表1为断层的分类及其对应类型。

表1 断层的分类与其对应类型Table 1 Classification of fault and its corresponding model

1.2断层带水-岩相互作用

分析断层的力学机制可知，压性断裂面所受压应力最大，断裂面岩体与充填物连接紧密，因此导水性差。对于张性断裂面，由拉伸作用力产生，节理裂隙发育充分，利于水的循环以及水对岩体的溶蚀作用，因此岩溶常发育于断层带[16]。岩溶水高水压作用于断裂面两侧岩体，并对其产生劈裂破坏和挤压破坏，使相对完整的岩体产生裂隙并且进一步扩展。水在压力作用下沿裂隙深入，进一步促进裂隙的发展。岩溶水对断裂面的长期渗透、浸泡、溶蚀使岩体软化、膨胀、分解，降低了断裂面的摩擦力及两侧岩体的抗压抗剪强度。由于水流对断层面的冲刷，使岩体不断分解并在岩溶水的循环流动下不断将岩体碎块以及填充物碎块带出断裂面，进一步增强的断裂面的导水性[16]。随着时间推移，断层面发育愈强烈。

1.3断层引发的突水模式

构造变动的复杂性决定了断层的形成和发育的复杂性。因此不同的断层构造特征具有不同的突水致灾模式[20]。通过断层的形成机理以及对断层引发突水的调研，总结以下三种主要的突水模式：

(1) 断层断距过宽或断裂面充填物孔隙度大，导水性好，导致突水。

(2) 当开挖扰动超出安全范围，防突岩层厚度不足，岩层被剪断失稳，导致突水。

(3) 开挖影响下，断层活化，高压水在断裂面内渗透、冲刷、流动形成导水通道，导致突水。

2 力学模型

2.1假设条件

根据郭佳奇[9]所做研究，将断层引发突水简化为相似的力学模型来分析，针对大尺度溶腔与隧道间岩层简化为弹性梁板进行分析，进行以下假设：

(1) 将溶腔与隧道间岩层简化为矩形板，不考虑隧道与溶腔间岩盘的成拱效应，岩盘为连续均匀的各向同性弹性体，符合小变形理论。

(2) 溶腔位于隧道顶部，溶腔垂直于隧道轴线方向的跨度为隧道跨度的两倍以上，其中断层的走向与隧道轴线方向一致。

(3) 溶腔对隧道作用力为溶腔内岩溶水对隧道的作用力。

(4) 压力和岩溶堆积物的重力之和，均布作用于防突岩盘。

(5) 忽略施工开挖对断层原本稳定性的降低作用，忽略岩溶水对岩体强度降低作用。

(6) 研究所针对的破坏皆为断层段防突岩盘强度不足而被剪断破坏，不针对具有良好导水性断层引起的小流量涌水灾害。

2.2断层段岩盘的力学模型

当溶腔分布于隧道的顶部时，隧道顶部作用两种荷载，分别是沿岩盘分布的岩层自重应力以及溶腔水压力(包含充填物自重)。当压性断层存在于岩盘中时，由于岩盘受较大水平压应力，断裂带封闭性好，因此不考虑压性断层对岩体的破坏。可将图1中溶腔与隧道之间的岩盘简化为图2所示的固支梁结构模型，并按此结构计算梁的内力。

图1 溶腔分布于隧道顶部

图2 顶部溶腔压性断层突水力学模型

(1)

(2)

式中：γ——岩盘岩层重度/(kN·m-3)；

q——溶腔水压力/MPa；

S——梁的厚度，即岩盘厚度/m；

L——隧道水平跨度/m；

B——梁的宽度，取1 m。

q=ρgh

式中ρ——溶腔内充填物密度/(kg/m3)；

g——重力加速度，9.81 kN/kg。

(3)

(4)

式中:[σ]——岩体许用抗弯强度/kPa；

[τ]——岩体许用抗剪强度/kPa。

当张性断层存在于岩盘时，由于张性断裂面封闭性差，导水性好，当开挖至张性断层时易遭遇小流量的出水，此处研究默认施工时对断层出水处进行超前注浆封堵或直接引排。考虑到张性断层的影响，将溶腔随隧道间岩盘简化为如图3所示的悬臂梁结构模型，并按此结构计算梁的内力。

图3 顶部溶腔张性断层突水力学模型

最大剪力：Q=(q+γS)L1

(5)

(6)

式中：L1——岩盘厚度一侧长度/m。

(7)

(8)

通过以上理论分析得出了溶腔分布于隧道顶部时，岩盘存在压性断层与张性断层的最小防突安全厚度的计算公式。取岩体的抗压强度28 MPa，抗弯强度为抗压强度的0.15倍，为4.2 MPa；抗剪强度为抗压强度的0.09倍，为2.52 MPa；岩体重度25 kN/m3，隧道跨度11.24 m。水压力从0 MPa变化到5 MPa时，可得到水压力与相应防突岩盘安全厚度关系曲线。

对于压性断层，将岩盘简化为两端固支的梁，按抗弯以及抗剪公式得出的水压力与安全厚度曲线见图4。

图4 压性断层情况水压力及安全厚度曲线

由曲线可知，按抗弯及抗剪强度计算得出的岩盘安全厚度都随着水压力的增加而不断增加，但是水压力较小时按抗弯强度进行计算的安全厚度较大，即水压力在0～1.8 MPa之间时按抗弯强度计算安全厚度，水压力大于1.8 MPa时应按抗剪强度来计算岩层的安全厚度。

对于张性断层，由于断层作用于防突岩盘，根据结构力学原理推导出岩体的安全厚度计算公式，并进行修正。此时由岩体的抗弯强度为4.2 MPa，抗剪强度为2.52 MPa，当岩盘长度为3.75 m时，代入以上数据可得水压力从0 MPa变化到5 MPa时安全厚度的相应曲线(图5)。

图5 张性断层情况岩盘长度3.75 m时水压力及安全厚度曲线

当隧道当岩盘长度为5.62 m时可以得出水压力变化时防突岩盘安全厚度值相应的曲线(图6)。

图6 张性断层情况岩盘长度5.62 m时水压力及安全厚度曲线

当隧道当岩盘长度为7.49 m时可以得出水压力变化时防突岩盘安全厚度值相应的曲线(图7)。

图7 张性断层情况岩盘长度7.49 m时水压力及安全厚度曲线

由图5～7可知，随着溶腔水压力的增大，任意长度岩盘的最小安全厚度都会随着水压力的增加而增加，但是增加的程度有所不同。按抗弯强度计算时防突岩盘厚度随着水压力的增长呈两个阶段，第一个阶段是当水压力在0～0.5 MPa时，防突岩盘厚度急剧增加，如图所示，当水压力大于0.5 MPa时，防突岩盘厚度随着水压力继续增加基本呈线性增长；按抗剪强度计算时，防突岩盘厚度和水压力按一定斜率增长；随着岩盘长度的增加，防突岩盘厚度随之增加，因此岩盘长度越长越不安全；当溶腔水压力在0～1.8 MPa时，防突岩盘安全厚度按抗弯强度计算，当溶腔水压力大于1.8 MPa时，防突岩盘安全厚度按抗剪强度计算。

3 算例分析

根据文献[9]所提供的资料，宜万线五爪观隧道DK48+871～DK49+960里程段位于一宽缓向斜的核部，地表岩溶洼地、漏斗及消水洞发育，地下集中发育一溶洞，隧道穿越处溶腔跨度30 m左右，溶腔底部标高552.10 m，隧道拱顶标高540.53 m，相差11.57 m。该段围岩等级为Ⅱ级，根据现有资料，该隧道处围岩侧压力系数为1.1～1.6，该段隧道平均埋深为120 m，溶洞跨度为30 m，隧道断面宽7.5 m，溶洞为干溶腔，内部无充填物。令水压力p=0，岩体抗拉强度、抗压强度及重度分别为0.6 MPa、12 MPa、26 kN/m3。

图8 五爪观隧道与顶部溶洞位置关系

当溶腔分布于隧道顶部时，水压力在小于1.8 MPa时应该按抗弯强度公式验算，岩体许用抗弯强度取0.15倍的岩体抗压强度，为1.8 MPa。

当压性断层存在于岩盘时(或岩盘为无断层完整岩盘)取公式(3)进行验算：

当张性断层存在与岩盘时：取L1=L，此时计算出的最小安全厚度值最有利，取公式(7)进行验算：

实际施工时在里程DK48+87l～DK49+960段中采用的安全距离为11.57 m，由上述计算得出的防突安全厚度可知，设计所采用的安全厚度值是可靠的。为确保岩溶隧道断层段建设施工安全，施工时应注意开挖到支护的时间把握，做好隧道拱顶的变形量测，勤于监测隧道断层裂隙的扩展与出水情况，发现异常及时采取措施予以处理。

4 结论

(1)不同的断层构造类别影响着岩溶的发育情况以及断裂面的导水性。一般情况下，压性断层导水性差，张性断层导水性好。通过分析断层的形成机理以及水-岩相互作用，总结出三种主要的断层引发突水模式。

(2)对断层段隧道-岩溶系统进行抽象概化，建立了溶腔位于隧道顶部时突水力学模型，结合断层突水机理，推导了压性、张性断层存在于隧道与溶腔间岩盘时岩盘最小安全厚度。

(3)当岩盘中存在张性或者压性断层时，随着水压力的增加，岩盘最小安全厚度也随之增加，但是按抗弯和抗剪强度计算公式所计算得出的最小厚度增加程度有所不同。因此，在选择计算公式时应根据水压力的大小来选择对应公式计算。

(4)结合工程实例，进一步探讨了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算方法，研究结果可对隧道工程的设计与施工作一定的参考。

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Mechanismofwaterburstinthetunnelnearfaultsinkarstarea

ZHANG Junwei1，2，MENG Zongheng1，ZENG Yi1，CHEN Tuo2，SHEN Mingde1，MEI Zhirong3

(1.SchoolofGeoscienceandTechology,SouthwestPetroleumUniversity，Sichuan,Chengdu610500,China； 2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou,Jiangshu221116,China；3.ChinaRailwaySouthwestResearchInstitute，Chengdu,Sichuan610031，China)

To prevent karst tunnel from water and mud outburst, it was studied this paper in that the tunnel-karst system had been generalized against Wuzhaoguan Tunnel of Yichang-Wanzhou Railway. The water inrush mechanism of fault structure and three kinds of water inrush modes were analysed. And it was studied for mechanics failure mechanism of karst tunnel batholite. It is the following concluded: (1) It was established the mechanical model of water inrush caused by tensional fault and compressive fault when caves are located in the top of tunnel; (2) The mechanical model by the theoretical analysis was studied and it was deduced that calculation formulas of the minimum safety thickness of karst tunnel in fault phase of rock mass; (3) It should be selected according to bending strength of or shear strength to calculate the minimum safety thickness when the water pressure changes; the minimum safe thickness of this rock mass the reasonableness of the calculation method combined with the actual project was demonstrated. This study provides some reference for the design and construction of the karst tunnel in fault section.

karst； tunnel； fault； rock mass； mechanical failure mechanism

P642.25

A

1003-8035(2017)03-0073-07

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.11

2016-08-09;

2016-08-27

中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目(SKLGDUEK1308)

张军伟(1980-)，男，博士，桥梁与隧道工程专业，副教授，主要从事隧道及地下工程方面的研究与工作。

E-mail：zhanggjunwei@gmail.com