深埋隧道突水影响因素分析

于 斌 谢 帆

(天津市海河管理处，天津 300141)

深埋隧道突水影响因素分析

于 斌 谢 帆

(天津市海河管理处，天津 300141)

采用理想概化模型对深埋隧道突水影响因素进行了数值模拟，综合考虑了工程埋深、断层、溶洞中内水压力、侧压力系数及隔水层厚度四个因素对围岩及隔水岩层变形破坏的影响，得出了一些结论。

断层，数值模拟，变形破坏

0 引言

按致灾构造的几何形式不同，分别建立两种模型：溶洞突水模型和断层(岩溶管道)突水模型。圆形隧道的直径为10.0 m，四个影响因素分别设有五个水平。侧应力系数的选择参考了地应力实测的结果。各地平均水平应力与铅垂应力之比随深度的变化规律见图1。

两个水平应力一般不相等。将两个水平应力的平均值记作σh,av，则σh，av/σv为平均侧应力系数。

布朗和霍克的统计回归得出，平均侧应力系数随深度变化有如下规律：

其中，H为深度，m。

可见，σh,max/σv一般介于0.5～5.5之间，且多数大于2；在浅层地壳中，大部分平均水平应力要大于铅垂应力。随深度增加，侧应力系数σh，av/σv逐渐减小。这主要是由于构造应力场以水平应力为主；随深度的增加，自重应力增加，而构造应力对于自重应力的比值就小。

隧道埋深考虑600 m～1 400 m，内水压力1 MPa～5 MPa。围岩的物理力学参数见表1。

表1 围岩的物理力学参数

1 溶洞突水模型

溶洞理想化为与隧道相当的圆洞，四个因素及水平具体见表2。

采用岩土工程通用软件FLAC3D进行数值分析，准三维模型水平方向为80 m，高度方向50 m，厚1 m。为达到平面应变状态，前后面为法向约束，其余四个侧面采用应力边界条件以模拟深部地应力环境。采用六因素五水平正交表进行数值试验设计，围岩中的最大位移和塑性区体积为试验结果，具体见表3。因素指标分析见图2。

表2 溶洞突水模型因素水平表

表3 溶洞突水数值计算结果

由图2可知，围岩中的最大位移及塑性区扩展随隔水层厚度增加而减小，随埋深的增加而变大。侧应力系数为1即静水压力环境对隧道围岩稳定最为有利[1]。值得一提的是，内水压力的存在相当于在溶洞中增加了支护，对于抑制塑性破坏区的扩展是有利的。但是隧道开挖扰动产生的开挖损伤区内(隔水岩层)围岩渗透性能增加，将导致内水压力的降低，对隧道稳定非常不利。

隔水层厚度仅为2.5 m(隧道半径的1/2)时的5个计算结果都显示，隔水岩层中的塑性区都贯通，变形非常大，甚至会在围岩中形成第二贯通通道(见图3)，说明此时是非常危险，极有可能发生突水。

结果表明，隔水岩层中的塑性区有可能贯通，变形较大，在条件较好时，存在塑性区不贯通的可能。

2 断层突水模型

断层理想化为厚度5 m，长25 m，产状水平的矩形硐室。断层突水数值模型见图4。

采用六因素五水平正交表进行数值试验设计，围岩中的最大位移和塑性区体积为试验结果，具体如表4所示。因素指标分析如图5所示。

表4 断层突水数值计算结果

由图5可知，围岩中的最大位移及塑性区扩展随隔水层厚度增加而减小，随埋深的增加而变大[2]。侧应力系数为1即静水压力环境对隧道围岩稳定最为有利。值得一提的是，内水压力的存在相当于在断层中增加了支护，对于抑制塑性破坏区的扩展是有利的。但是隧道开挖扰动产生的开挖损伤区内(隔水岩层)围岩渗透性能增加，将导致内水压力的降低，对隧道稳定非常不利。

隔水层厚度为2.0 m，4.0 m和6.0 m时的15个计算结果都显示，隔水岩层中的塑性区都贯通，变形非常大，说明此时是非常危险，极有可能发生突水，见图6。

隔水层厚度为8.0 m时的5个计算结果都显示，隔水岩层中的塑性区在条件恶劣的时候会贯通[3]，变形较大；在条件较好时未贯通(见图1)，说明此时仍有突水的可能性。

隔水层厚度为10 m(隧道直径)时的5个计算结果表明，隔水岩层中的塑性区都未贯通，说明此时突水的可能较小。

在断层突水且断层厚度(岩溶管道直径)与隧道半径相当的条件下，若隔水岩层的厚度与隧道直径接近，则突水的可能性较小[4]。

3 结语

岩溶水和水压在岩石突水破坏过程中对岩石的微观破坏作用主要体现在水对岩石的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的有效应力作用、水压在断层水中的推力导升的水楔作用和水流的冲刷扩径作用。

隧道开挖直接、间接都能诱发突水突泥事故，甚至在开挖面后方也存在发生事故的可能。根据已有的隧道工程岩溶突水现象，可将其发育模式概化为渗(漏)水型、施工揭露充水岩溶管道网络型、施工穿越阻水断层型、水力劈裂型和底板膨胀型五大类。

岩溶隧道突水突泥简化为弹性梁板模型、双孔洞力学模型，裂隙导通模型和岩墙模型等力学模型，然后采用材料力学和弹性力学的相关知识进行分析。数值计算表表明，在溶洞突水且溶洞规模与隧道相当的条件下及在断层突水且断层厚度(岩溶管道直径)与隧道半径相当的条件下，若隔水岩层的厚度与隧道直径接近，则突水的可能性较小。

[1] 刘招伟,何满潮,王树仁.圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究[J].岩土力学,2006,27(2):228-232.

[2] 顾义磊,李晓红,兆 瑜,等.通渝隧道涌突泥成因分析[J].岩土力学,2005,26(6):920-923.

[3] 杨天鸿,唐春安,谭志宏,等.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):268-277.

[4] Geier J.,W.Dershowitz,P.Wallmann,et al.Discrite fracture modeling of in-site hydrologic and tracer experiments[C].Proceding International Conference on Fractured and Jointed Rock Masses,Lake Tahoe,CA,1992.

Analysis of influencing factors of deep buried tunnel water inrush

Yu Bin Xie Fan

(TianjinHaiheRiverManagementOffice,Tianjin300141,China)

The paper adopts the ideal model validation to undertake the numeric simulation, has the comprehensive consideration of the four factors, including engineering buried depth, faults, inner water pressure of karst caves, lateral pressure coefficients and thickness of water-resisting layer, indicates their influence on surrounding rocks and damages of water-resisting layer deformation, and achieves some conclusion.

fault, numeric simulation, deformation damages

1009-6825(2015)28-0167-03

2015-07-27

于 斌(1982- )，男，工程师； 谢 帆(1982- )，女，工程师

U453.6

A