郑万铁路岩溶隧道突水机理与处治研究成果

目前，对于岩溶地区隧道与溶洞之间安全距离的研究，主要研究方法有定性分析、半定量分析和定量计算[58，59]，但针对岩溶突涌水防灾安全距离的研究并不多见。通过定性分析可以得到临界距离与各影响因素之间的规律性结论，从而为半定量计算和定量计算提供理论依据；然而，定性分析本身并不能指导工程实践；半定量计算将复杂围岩应力应变条件简化为简单力学模型，使用方便，可以为实际工程施工提供参考依据。

实际上，岩溶裂隙水突涌是水-岩长期相互作用，并在施工外力干扰下引发岩体发生破裂突水的一种动力现象。岩溶裂隙水高水头压力主作用面与隧道突水临空面岩体包括三部分过渡区，即施工开挖引起的松弛厚度区、安全厚度区和裂隙带区。已有研究结果大多侧重于岩溶水对裂隙岩体的劈裂作用[60]，而忽视了突水前后水岩相互作用机制。基于前述三部分过渡区考虑，李利平等推导了隧道最小岩石保护厚度半解析解表达[60]，并通过实例进行了验证。

岩溶突水有4种常见机理，包括止水岩柱受拉破坏、裂隙面受剪破坏、裂隙水力扩张、关键岩块失稳。曹茜[61]利用UDEC软件考虑了岩溶水在岩体内节理中的渗流和劈裂作用，但没考虑裂隙水力扩张。模拟结果表明：溶腔内水压力对围岩同时起到支撑作用与渗流劈裂作用。当水压相对较小时，支撑作用为主导；而水压相对较大时，则渗流与劈裂作用为主导。当水压力起到不同主导作用时，围岩失稳机理也不同。此外，随着隧道埋深增大，水压力支撑作用逐渐减小；随着结构面强度增加，水压力渗流劈裂引起涌突水灾害不断减小。郭佳奇等[62]针对常见中、小尺度侧部高压富水溶腔，在综合考虑安全厚度影响因素前提下，以隧道周围塑性区和溶洞周围高渗透带贯通与否作为中间岩柱稳定判断标准为基础，建立了中间岩柱安全厚度力学预测模型。(www.xing528.com)

刘招伟等[63]将各类岩溶对隧道工程的安全威胁抽象为岩溶水压力荷载，根据水压力作用在隧道工程不同部位的情况，完成了板柱型突水、拱梁型突水和岩梁型突水三种突水类型力学分析。但是，简单力学分析往往不能反映岩柱渐进破坏变化过程，不能反映出岩溶突水过程中围岩应力场、变形场、破坏场和渗流场相互耦合作用过程，也不能揭示出围岩垮塌或者岩溶突水灾变关键部位。

基于数值模拟定量计算作为半定量计算的补充和完善，可以弥补上述缺陷。针对隧道掌子面发生破断突水突变特征，孙谋和刘维宁[64]采用数值模拟技术方法，建立了掌子面失稳折叠突变模型，通过对系统势能函数进行分析，推导了隧道掌子面发生破断突水条件和最小安全厚度计算公式。然而，现有数值模拟计算存在很多亟待改进的地方，例如数值模拟计算按照连续介质力学方法进行计算与分析，而不考虑岩体结构特征以及节理裂隙等不连续面。实际上，大部分岩溶地层中石灰岩都具有明显的层理构造特征，而且往往还存在一组与层理近乎正交的节理。凡是发生严重突水、突泥地质灾害的隧道，大部分都处于褶皱、断层等构造带附近。因此，针对溶洞隧道安全距离计算不能忽视各种节理岩体特性的影响。