郑万铁路岩溶隧道突水机理及处理措施研究

针对岩溶突水问题，研究初期国内外学者主要采用经验分析和工程类比法对岩溶隧道突水进行分析，受主观因素影响导致分析结果存在较大误差，对于实际指导隧道施工还有待进一步研究。近年来，很多学者采用数值计算的方法，在揭示溶洞对隧道影响规律方面做了大量研究。目前关于岩溶隧道的数值模拟方法主要分为三类：有限元法、离散元法、Modflow渗流法。

（1）有限元法。

张宪堂等[12]运用FLAC3D软件在分析研究区地质条件的基础上，采用半无限空间的水文地质计算模型（图1.1），以典型剖面模拟计算为例阐述了其在海底隧道涌水量预测中的应用，并指出数值模拟方法相较于经验解析法更适合复杂地质条件和边界条件下海底隧道涌水量的计算（表1.1）。

图1.1　FLAC3D计算模型[12]

表1.1　隧道涌水量计算结果

郭伟[13]采用FLAC3D对侧部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩位移、塑性区、应力、锚杆轴力和喷混凝土层力学特性进行了数值模拟研究，通过和实际测量相对比发现FLAC3D数值模拟能比较准确地反映现场情况（图1.2）。

图1.2　隧道计算模型及围岩塑性区[13]

谭代明等[14]结合忠垫高速公路岩溶隧道施工过程，利用有限差分软件FLAC3D对侧部含有溶洞的隧道围岩稳定性进行了数值模拟研究，并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析。研究结果表明：隧道开挖后，围岩分别向溶洞内和隧道内变形，溶洞与隧道之间的围岩向两个相反的方向变形，是较危险区域，且围岩塑性区主要集中在隧道的周围和溶洞的左右侧部，溶洞的顶部和底部处塑性区较少（图1.3）。

图1.3　典型断面围岩塑性区[14]

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莫阳春[15]用FLAC3D建立隧道掌子面前部和拱顶部存在高压充水溶洞的三维隧道模型，采用三维快速Lagrange法，对隧道全断面开挖与支护过程中的力学行为进行研究，获得了高水压充填型岩溶隧道在动态分步开挖、分步支护情况下围岩位移、应力和围岩塑性区的分布规律及支护结构的受力和变形特征。

安文生[16]利用FLAC3D的分析方法，建立了三维数值模型分析不同充填厚度对隧洞的影响，通过对比周围塑性区和内部位移变化，表明随着充填物厚度的增加，隧洞发生突水涌泥的概率会愈来愈小（图1.4）。

刘继国等[17]用FLAC3D软件对厦门海底隧道F4风化深槽的涌水情况进行了流固耦合分析。建模过程采用有限元软件ANSYS，然后导入FLAC3D，最后用FLAC3D模拟计算隧道施工三个阶段的涌水量。研究表明：在隧道开始开挖阶段，涌水量较大，之后逐渐趋于稳定；左右侧导坑开挖时，涌水量逐渐增大；隧道中间部分开挖后，涌水量有所降低（图1.5）。且该文预测的隧道最大涌水量与勘察报告中理论计算涌水量十分接近，可对整个隧道的涌水量进行预测。

图1.4　三维数值模型及主应力随充填厚度的变化[16]

图1.5　隧道左右导坑开挖流体矢量图[17]

张旭东[18]运用FLAC3D有限差分软件对有充水溶洞下填充物不同厚度、不同水压力和不同开挖宽度时的围岩稳定性进行了模拟分析。研究结果表明：隧道开挖宽度及溶腔水压一定时，溶腔沉积层厚度越大，溶腔与隧道之间塑性区的贯穿可能性越小，掌子面的法向位移随着沉积层厚度的增加而减小；溶腔沉积层厚度和溶腔水压一定时，随着隧道开挖宽度的增大，最大主应力中压应力最大值也增大，主要分布在模型的底部和沉积层与隧道交叉部位掌子面前方一定距离处；溶腔沉积层厚度和隧道开挖宽度一定时，溶腔水压力越大围岩最大主应力最大值越大；溶腔水压力越大，隧道掌子面的法向位移越大，溶腔与隧道之间塑性区的贯穿可能性越大，越容易发生溃水（图1.6）。

图1.6　不同沉积层厚度围岩塑性区分布[18]

石少帅[19]以三峡翻坝高速公路季家坡隧道为背景，通过有限差分软件FLAC3D程序模拟分析在地应力和高水头岩溶水压力的应力环境中，隧道开挖扰动、丰水期诱发的突水失稳过程，探讨了充填型裂隙突水突泥失稳机理（图1.7）。研究结果表明：裂隙失稳突水涌泥是开挖扰动和高地下水位作用下渗流诱发充填体渗透失稳的结果，开挖初期，裂隙内部的充填物和周围岩体的应力、位移以及渗流等多元信息均平稳增长；当开挖面越过裂隙时，充填物局部产生微小通道，水压作用下微小通道扩展、慢慢贯通，形成微渗流通道，并逐渐具备涌水特征，裂隙充填物的多场信息进入快速增长阶段，此时表现为小型的点滴状涌水；随着开挖面的持续推进，裂隙充填物的微渗流通道逐渐扩径，形成大通道，充填物中的泥沙伴随涌水慢慢涌出，此时表现为连续涌水，且涌水量和速度随时间慢慢增大；当达到临界值时，充填物内突水管道形成，裂隙充填物的多场信息集体发生突跳，大量泥沙和水突涌而出，充填物瞬间失稳，发生突水涌泥。

图1.7　开挖过程中横剖面竖向位移应力云图[19]

庄旭峰等[20]借助大地电磁解译和MIDAS-GTS程序计算模拟岩溶水压下隧道二衬的内力与位移，分析了隧道建成后岩溶水对隧道的影响。研究结果表明：减压泄水是岩溶隧道工程的关键，修筑集水廊道、疏通岩溶管道是根治此类病害的较好选择（图1.8）。

图1.8　水压后竖向衬砌变形图[20]

高浩钧[21]根据实际工程，采用有限元软件ANSYS建模，然后导入FLAC3D，隧道计算模型如图1.9所示，利用FLAC3D研究了水压充填型溶腔对隧道稳定性的影响。研究结果表明：随着隧道围岩等级的降低，发生突水灾害时，掌子面附近围岩所能承受的水压也就越低，同等水压条件下，所需要预留的安全厚度越大。

图1.9　隧道计算模型[21]

聂志凌[22]通过建立FLAC3D有限元模型模拟初始地应力，计算了不同形态岩溶对隧道结构的影响。研究结果表明：溶洞直径越大，距离隧道越近，溶洞内水压越大，对隧道围岩及衬砌越不利；溶洞对隧道靠近溶洞的一侧影响相对较大；顶部溶洞与底部溶洞对隧道围岩及隧道衬砌的影响规律有相似性，如图1.10所示。

图1.10　测点弯矩随溶洞距离的变化趋势[22]

周毅[23]应用FLAC3D建立三维数值模型，模拟工程突水的主要致灾构造。他通过开挖和水压加载，系统研究了施工扰动和渗透作用下，岩溶管道充填介质渗透灾变演化过程和突水前兆规律。研究结果表明：施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果；充填物对开挖及水压作用的响应比围岩更加强烈；突水的灾变演化过程经历四个阶段——形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径，其中前两个阶段主要受开挖扰动影响，后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。

张尔品[24]运用MIDAS-GTS软件对隧道隔水隔泥岩土盘破坏规律进行了分析。研究结果表明：双裂隙岩盘的变形破坏是由中间岩石块体向外整体滑移造成的剪裂破坏；裂隙黏土充填的节理裂隙化岩盘在渗流作用下的变形破坏方式，即裂隙间黏土在渗流作用下强度降低后，岩盘中部岩石块体沿裂隙向临空面整体滑动导致的剪裂破坏。其计算模型及裂隙土层位移如图1.11所示。(www.xing528.com)

图1.11　计算模型及裂隙土层位移[24]

刘记[25]应用FLAC3D建立三维数值模型，将隧道溶洞均简化为圆形，通过改变溶洞直径、溶洞水压、溶洞隧道间距来研究溶洞直径、水压、间距对隧道的影响。研究结果表明：溶洞直径的变化对隧道结构力学行为产生重要影响，尤其是洞径较小或较大时，使得支护结构上不同部位间的内力值相差较大；溶洞内存在水压时对隧道的安全性影响更为不利，随着溶洞内水压力增加，隧道拱顶部位的内力增幅最大，而拱肩和拱腰部位内力值不增反降；溶洞与隧道间距越小，对隧道的影响越明显，隧道各部位对距离的变化响应也越显著。其三维模型及测点竖向位移随水压的变化如图1.12所示。

图1.12　三维计算模型及测点竖向位移随水压的变化[25]

刘招伟[2]采用FLAC2D软件构建岩溶突水的计算模型（图1.13），对岩溶突水规律进行了模拟分析。研究结果表明：岩溶管道周围的塑性区和隧道开挖周围所形成的塑性区直接沟通是发生岩溶突水突泥的充要条件；不同突水模式具有相似的突水机理，受不同空间位置的影响，各种突水模式产生的最大涌水量和位移是不同的，产生突水的临界距离也不同，因此突水防治的难度和侧重点也应有不同。

图1.13　岩溶隧道FLAC2D模型[2]

（2）离散元法。

郭佳奇[26]采用UDEC离散元分析软件，建立了岩溶隧道计算模型，如图1.14所示，分析了岩溶区非完整岩体中新建山岭隧道与侧部隐伏高压富水充填溶腔间防突岩层破裂突水过程，通过分析将岩溶突水划分为高压裂隙突水、富水溶腔突水、地下暗河或岩溶管道突水及断层突水，并探讨了岩溶隧道突水的影响因素，将其分为地质因素和非地质因素两种情况。

高杨[27]采用UDEC软件建立计算模型，对德江隧道开挖裂隙扩张高度进行了离散元数值模拟。研究结果指出德江隧道开挖形成的导水裂隙高度大于弱透水顶板厚度，导水裂隙将波及高压含水体，所以顶板小于45 m的情况下隧道开挖形成的导水裂隙都将波及上覆含水体，对实际工程的施工具有重要参考价值。

图1.14　岩溶隧道突水模型及突水位移场分布[26]

孙玉杰等[28]采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型，分析了裂隙岩体洞室开挖后围岩应力与水力耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。结果表明：洞室开挖完成后，在围岩渗流与应力耦合作用下，围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量的变化是一个动态过程，且相互作用并相互依赖；裂隙的闭合使得结构面水力梯度变大，作用在裂缝上的渗透压力增大，促进导水裂缝扩展，裂隙连通性增加；裂缝张开度增大，渗透能力增强，渗流量增大，其渗流压力相应降低；由于围岩中裂隙隙宽、压力和渗流量的动态依赖性，在一定条件下，裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成，高压水头从局部涌出，从而促进突水灾害的形成，如图1.15所示。

图1.15　岩溶隧道渗流裂隙隙宽变化（UDEC）[28]

王艳丽[29]采用UDEC离散单元法建立了裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数值模型，并对其进行了算例分析。研究结果表明：渗流场和应力场在一定条件下相互影响很大，不考虑耦合的结果是偏于不安全的（图1.16、图1.17）。

图1.16　非耦合应力场和耦合应力场（UDEC）[29]

图1.17　岩非耦合渗流场和耦合渗流场（UDEC）[29]

张志强[30]通过UDEC离散元程序，研究了节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标，探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明：结构面极大地削弱了岩体力学性质及其稳定性，结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用；节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区，其中脱落区表征围岩失稳模式，张开区围岩处于脱落临界状态，即塌方潜在区域；剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏的主因，提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据，可以定量化评价围岩稳定程度。

熊子正[31]应用3DEC离散单元法模拟柱状节理岩体应力渗流耦合，分析了柱状节理岩体模型耦合算法与非耦合算法计算结果的差异及耦合算法下柱状节理孔应力与流量的变化。研究发现采用耦合算法所得最大应力与位移均大于非耦合算法，在耦合算法下，裂隙渗流产生的渗流力改变了应力场的分布，而应力场的变化使得裂隙岩体的渗透系数发生变化，从而导致岩体渗流场的重新分布。

高峰等[32]以子尹隧道塌方事故为工程背景，采用UDEC法对该隧道塌方过程进行了模拟，通过与实际塌方情况对比，验证了UDEC离散元法模拟隧道塌方的正确性，并通过UDEC离散元法分别模拟了不同埋深、不同岩体结构和不同围岩级别的隧道塌方过程，分析了隧道塌方特征。研究表明：埋深主要影响拱顶塌方的范围；岩体结构（如节理裂隙）较大程度地影响塌方的形式；围岩参数同时影响塌方范围和塌方形式。

（3）Modflow渗流法。

贾金生等[33]应用Visual Modflow软件，进行了地下水污染数值模拟，通过将计算观测孔所在单元的水头和实测的水头进行对比，从而反求有关的水文地质参数，进而模拟了河北省栾城县的地下水流情况，并指出Visual Modflow数值模拟方法在实际地下水环境影响评价中具有较高的科学性和可操作性。

廖晓超[34]应用Visual Modflow软件建立了研究区岩溶水系统的地下水三维渗流场模型，从隧道开挖未揭露暗河、揭露暗河、地下水恢复三个阶段进行了分析。研究结果表明：在未揭露暗河下施工一年，隧道附近地下水位最大降深约25 m，影响范围约1.1 km；揭露暗河时，地下水位最大降深约70 m，影响范围约4.6km；封堵两年后，地下水位恢复至与天然状态基本相同，如图1.18所示。

图1.18　未揭露暗河和揭露暗河半年渗流场分布[34]

陈英姿[35]釆用Visual Modflow软件建立以灰岩、砂岩为主的隧址区地下水渗流三维数值计算模型模拟了天然状态、隧道开挖后完全排水条件下地下水渗流、隧道开挖后完全排水条件下涌水量模拟预测以及隧道完全封堵条件下的地下水渗流场恢复情况。

毛邦燕[36]通过对区内复杂岩溶介质的空间结构、模型的时间离散以及模型边界条件的研究，最后建立了符合实际情况的三维地下水流模型并利用有限差分数值模拟方法，利用Modflow程序成功地实现了煤田区未来在开采状况下各矿井下涌水量的模拟，得到了煤田区各矿井不同时间段、不同开采水平的井下涌水量值（图1.19）。

图1.19　开采状态下渗流场预测[36]

唐起[37]利用Modflow软件对龙门山隧道进行涌水量计算，计算结果表明岩溶地区涌突水灾害的发生具有随机性，大多数岩溶隧道的涌突水主要发生在隧道揭穿的溶隙、溶孔、溶洞位置。

王国斌[38]采用Visual Modflow三维渗流模拟和常规经验公式对乌池坝隧道涌水量进行预测，并对其结果进行对比分析，确保了预测结果的可靠性。又通过FLAC3D数值模拟结合正交试验方案，对上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道与溶洞间的安全距离进行分析，得到了围岩级别、岩体侧压力系数、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深5个影响因素对安全距离的影响程度和影响规律（图1.20）。

图1.20　天然流态下地下渗流纵剖面图[38]