張軍偉，孟宗衡，曾 藝，陳 拓，申明德，梅志榮

(1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 610031)

巖溶隧道斷層面突水災(zāi)害的力學(xué)機(jī)制

張軍偉1，2，孟宗衡1，曾 藝1，陳 拓2，申明德1，梅志榮3

(1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 610031)

為防止巖溶隧道因頂部巖盤發(fā)生力學(xué)破壞而發(fā)生突水突泥災(zāi)害，以宜萬(wàn)線五爪觀隧道為工程背景，對(duì)隧道-巖溶系統(tǒng)進(jìn)行抽象概化，分析了斷層構(gòu)造突水機(jī)理及隧道穿越斷層段引發(fā)的主要突水模式，進(jìn)而研究巖溶隧道頂部巖盤力學(xué)破壞機(jī)制，得到了如下結(jié)論：(1)建立了溶腔位于隧道頂部條件下壓性斷層與張性斷層突水力學(xué)模型；(2)推導(dǎo)了巖溶隧道斷層段巖盤最小安全厚度計(jì)算公式；(3)應(yīng)根據(jù)溶腔水壓力的變化選擇按抗彎強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度計(jì)算巖盤最小安全厚度；(4)結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了此巖盤最小安全厚度計(jì)算方法的合理性。研究對(duì)斷層段巖溶隧道的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考。

巖溶；隧道；斷層；巖盤；力學(xué)破壞機(jī)制

0 引言

“十三五”期間，我國(guó)將致力于強(qiáng)化綜合樞紐銜接、推進(jìn)城際交通建設(shè)等多個(gè)方面的發(fā)展，同時(shí)也將繼續(xù)增大對(duì)中西部基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的投資力度。特長(zhǎng)深埋隧道不斷增多，施工過(guò)程中所遭遇的不良地質(zhì)問題也越來(lái)越突出，其中，在西南地區(qū)以巖溶地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)最為嚴(yán)重[1-7]。隧道在此不良地質(zhì)段掘進(jìn)，經(jīng)常發(fā)生突水、突泥等工程事故，安全形勢(shì)特別嚴(yán)峻。盡管突水、突泥的機(jī)理研究已經(jīng)很多，但巖溶隧道巖盤水力破壞機(jī)制仍然沒有得到解決[4, 6, 8-15]。如何安全有效地應(yīng)對(duì)巖溶突水突泥問題，成為巖溶地區(qū)地下工程建設(shè)的關(guān)鍵。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖溶突水突泥機(jī)理的研究以及巖盤安全厚度的確定方面有進(jìn)一步的發(fā)展。研究分析了巖溶蓄水構(gòu)造與巖溶突水涌水的模式，巖溶管道-裂隙-孔隙三重介質(zhì)地下水流模型及模擬方法，深埋巖溶隧道突水涌水的力學(xué)機(jī)制，設(shè)計(jì)與施工中隧道巖盤防突安全厚度的確定方法等[2, 3, 6, 8-11, 13, 16-20]。上述研究多數(shù)只針對(duì)隧道-巖溶系統(tǒng)建立一系列如彈性梁板模型、巖墻模型等有代表性的典型力學(xué)模型[6, 8-9, 12-13, 16-17, 20-21]。而這些力學(xué)模型研究的對(duì)象也僅限于完整圍巖或含微裂隙圍巖，并不適用于巖溶隧道斷層段圍巖。大量工程實(shí)踐表明[3-4]，相當(dāng)一部分比例的地下工程突水災(zāi)害與斷層相關(guān)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大型突水事故超過(guò)50%與斷層相關(guān)，在煤礦采動(dòng)突水中超過(guò)75 %的突水與斷層有關(guān)[16, 20, 22-23]。因此，亟需一套合理有效的巖盤安全厚度計(jì)算方法來(lái)指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工，以保證斷層段巖溶隧道建設(shè)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

以下研究對(duì)隧道-巖溶系統(tǒng)進(jìn)行抽象概化，建立了溶腔位于隧道頂部條件下突水力學(xué)模型，通過(guò)分析斷層構(gòu)造突水機(jī)理，推導(dǎo)了壓性、張性斷層存在于隧道與溶腔之間的巖盤時(shí)巖盤最小安全厚度計(jì)算公式，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)本計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。使巖溶隧道斷層段巖盤最小安全厚度的確定具備了一套具有一定借鑒價(jià)值的科學(xué)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合且合理有效的計(jì)算方法。

1 斷層構(gòu)造突水機(jī)理

1.1斷層的構(gòu)造類別

斷層是廣泛發(fā)育于淺層地殼中的斷裂構(gòu)造，其斷裂結(jié)構(gòu)面破壞了巖體的連續(xù)性和完整性，并且控制和影響著巖體的力學(xué)性和滲透性[9]。E.M.Anderson[22]等根據(jù)斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和力學(xué)背景將斷層分為正斷層、逆斷層、平移斷層等類別。根據(jù)斷層的形成機(jī)理， 一般情況下，正斷層為張性斷層，主要是在水平拉伸應(yīng)力條件下形成，張裂程度大，斷裂面的充填物孔隙多、孔隙度大，增強(qiáng)了地下水的運(yùn)移循環(huán)，在非透水性填充物情況下導(dǎo)水性良好；逆斷層為壓性斷層，所受水平主應(yīng)力最大，斷層兩盤受到強(qiáng)烈的水平擠壓，因此其結(jié)構(gòu)面連接非常緊密，導(dǎo)水性能差；平移斷層為扭性斷層，其作用的應(yīng)力為斷層兩側(cè)的剪切力，斷裂面沿水平方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)面裂縫發(fā)育較窄且閉合性良好，由于裂縫延伸較遠(yuǎn)，深度較深，層次較多，因此導(dǎo)水性也較好。表1為斷層的分類及其對(duì)應(yīng)類型。

表1 斷層的分類與其對(duì)應(yīng)類型Table 1 Classification of fault and its corresponding model

1.2斷層帶水-巖相互作用

分析斷層的力學(xué)機(jī)制可知，壓性斷裂面所受壓應(yīng)力最大，斷裂面巖體與充填物連接緊密，因此導(dǎo)水性差。對(duì)于張性斷裂面，由拉伸作用力產(chǎn)生，節(jié)理裂隙發(fā)育充分，利于水的循環(huán)以及水對(duì)巖體的溶蝕作用，因此巖溶常發(fā)育于斷層帶[16]。巖溶水高水壓作用于斷裂面兩側(cè)巖體，并對(duì)其產(chǎn)生劈裂破壞和擠壓破壞，使相對(duì)完整的巖體產(chǎn)生裂隙并且進(jìn)一步擴(kuò)展。水在壓力作用下沿裂隙深入，進(jìn)一步促進(jìn)裂隙的發(fā)展。巖溶水對(duì)斷裂面的長(zhǎng)期滲透、浸泡、溶蝕使巖體軟化、膨脹、分解，降低了斷裂面的摩擦力及兩側(cè)巖體的抗壓抗剪強(qiáng)度。由于水流對(duì)斷層面的沖刷，使巖體不斷分解并在巖溶水的循環(huán)流動(dòng)下不斷將巖體碎塊以及填充物碎塊帶出斷裂面，進(jìn)一步增強(qiáng)的斷裂面的導(dǎo)水性[16]。隨著時(shí)間推移，斷層面發(fā)育愈強(qiáng)烈。

1.3斷層引發(fā)的突水模式

構(gòu)造變動(dòng)的復(fù)雜性決定了斷層的形成和發(fā)育的復(fù)雜性。因此不同的斷層構(gòu)造特征具有不同的突水致災(zāi)模式[20]。通過(guò)斷層的形成機(jī)理以及對(duì)斷層引發(fā)突水的調(diào)研，總結(jié)以下三種主要的突水模式：

(1) 斷層斷距過(guò)寬或斷裂面充填物孔隙度大，導(dǎo)水性好，導(dǎo)致突水。

(2) 當(dāng)開挖擾動(dòng)超出安全范圍，防突巖層厚度不足，巖層被剪斷失穩(wěn)，導(dǎo)致突水。

(3) 開挖影響下，斷層活化，高壓水在斷裂面內(nèi)滲透、沖刷、流動(dòng)形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致突水。

2 力學(xué)模型

2.1假設(shè)條件

根據(jù)郭佳奇[9]所做研究，將斷層引發(fā)突水簡(jiǎn)化為相似的力學(xué)模型來(lái)分析，針對(duì)大尺度溶腔與隧道間巖層簡(jiǎn)化為彈性梁板進(jìn)行分析，進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 將溶腔與隧道間巖層簡(jiǎn)化為矩形板，不考慮隧道與溶腔間巖盤的成拱效應(yīng)，巖盤為連續(xù)均勻的各向同性彈性體，符合小變形理論。

(2) 溶腔位于隧道頂部，溶腔垂直于隧道軸線方向的跨度為隧道跨度的兩倍以上，其中斷層的走向與隧道軸線方向一致。

(3) 溶腔對(duì)隧道作用力為溶腔內(nèi)巖溶水對(duì)隧道的作用力。

(4) 壓力和巖溶堆積物的重力之和，均布作用于防突巖盤。

(5) 忽略施工開挖對(duì)斷層原本穩(wěn)定性的降低作用，忽略巖溶水對(duì)巖體強(qiáng)度降低作用。

(6) 研究所針對(duì)的破壞皆為斷層段防突巖盤強(qiáng)度不足而被剪斷破壞，不針對(duì)具有良好導(dǎo)水性斷層引起的小流量涌水災(zāi)害。

2.2斷層段巖盤的力學(xué)模型

當(dāng)溶腔分布于隧道的頂部時(shí)，隧道頂部作用兩種荷載，分別是沿巖盤分布的巖層自重應(yīng)力以及溶腔水壓力(包含充填物自重)。當(dāng)壓性斷層存在于巖盤中時(shí)，由于巖盤受較大水平壓應(yīng)力，斷裂帶封閉性好，因此不考慮壓性斷層對(duì)巖體的破壞?？蓪D1中溶腔與隧道之間的巖盤簡(jiǎn)化為圖2所示的固支梁結(jié)構(gòu)模型，并按此結(jié)構(gòu)計(jì)算梁的內(nèi)力。

圖1 溶腔分布于隧道頂部

圖2 頂部溶腔壓性斷層突水力學(xué)模型

(1)

(2)

式中：γ——巖盤巖層重度/(kN·m-3)；

q——溶腔水壓力/MPa；

S——梁的厚度，即巖盤厚度/m；

L——隧道水平跨度/m；

B——梁的寬度，取1 m。

q=ρgh

式中ρ——溶腔內(nèi)充填物密度/(kg/m3)；

g——重力加速度，9.81 kN/kg。

(3)

(4)

式中:[σ]——巖體許用抗彎強(qiáng)度/kPa；

[τ]——巖體許用抗剪強(qiáng)度/kPa。

當(dāng)張性斷層存在于巖盤時(shí)，由于張性斷裂面封閉性差，導(dǎo)水性好，當(dāng)開挖至張性斷層時(shí)易遭遇小流量的出水，此處研究默認(rèn)施工時(shí)對(duì)斷層出水處進(jìn)行超前注漿封堵或直接引排。考慮到張性斷層的影響，將溶腔隨隧道間巖盤簡(jiǎn)化為如圖3所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，并按此結(jié)構(gòu)計(jì)算梁的內(nèi)力。

圖3 頂部溶腔張性斷層突水力學(xué)模型

最大剪力：Q=(q+γS)L1

(5)

(6)

式中：L1——巖盤厚度一側(cè)長(zhǎng)度/m。

(7)

(8)

通過(guò)以上理論分析得出了溶腔分布于隧道頂部時(shí)，巖盤存在壓性斷層與張性斷層的最小防突安全厚度的計(jì)算公式。取巖體的抗壓強(qiáng)度28 MPa，抗彎強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的0.15倍，為4.2 MPa；抗剪強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的0.09倍，為2.52 MPa；巖體重度25 kN/m3，隧道跨度11.24 m。水壓力從0 MPa變化到5 MPa時(shí)，可得到水壓力與相應(yīng)防突巖盤安全厚度關(guān)系曲線。

對(duì)于壓性斷層，將巖盤簡(jiǎn)化為兩端固支的梁，按抗彎以及抗剪公式得出的水壓力與安全厚度曲線見圖4。

圖4 壓性斷層情況水壓力及安全厚度曲線

由曲線可知，按抗彎及抗剪強(qiáng)度計(jì)算得出的巖盤安全厚度都隨著水壓力的增加而不斷增加，但是水壓力較小時(shí)按抗彎強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的安全厚度較大，即水壓力在0～1.8 MPa之間時(shí)按抗彎強(qiáng)度計(jì)算安全厚度，水壓力大于1.8 MPa時(shí)應(yīng)按抗剪強(qiáng)度來(lái)計(jì)算巖層的安全厚度。

對(duì)于張性斷層，由于斷層作用于防突巖盤，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理推導(dǎo)出巖體的安全厚度計(jì)算公式，并進(jìn)行修正。此時(shí)由巖體的抗彎強(qiáng)度為4.2 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.52 MPa，當(dāng)巖盤長(zhǎng)度為3.75 m時(shí)，代入以上數(shù)據(jù)可得水壓力從0 MPa變化到5 MPa時(shí)安全厚度的相應(yīng)曲線(圖5)。

圖5 張性斷層情況巖盤長(zhǎng)度3.75 m時(shí)水壓力及安全厚度曲線

當(dāng)隧道當(dāng)巖盤長(zhǎng)度為5.62 m時(shí)可以得出水壓力變化時(shí)防突巖盤安全厚度值相應(yīng)的曲線(圖6)。

圖6 張性斷層情況巖盤長(zhǎng)度5.62 m時(shí)水壓力及安全厚度曲線

當(dāng)隧道當(dāng)巖盤長(zhǎng)度為7.49 m時(shí)可以得出水壓力變化時(shí)防突巖盤安全厚度值相應(yīng)的曲線(圖7)。

圖7 張性斷層情況巖盤長(zhǎng)度7.49 m時(shí)水壓力及安全厚度曲線

由圖5～7可知，隨著溶腔水壓力的增大，任意長(zhǎng)度巖盤的最小安全厚度都會(huì)隨著水壓力的增加而增加，但是增加的程度有所不同。按抗彎強(qiáng)度計(jì)算時(shí)防突巖盤厚度隨著水壓力的增長(zhǎng)呈兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是當(dāng)水壓力在0～0.5 MPa時(shí)，防突巖盤厚度急劇增加，如圖所示，當(dāng)水壓力大于0.5 MPa時(shí)，防突巖盤厚度隨著水壓力繼續(xù)增加基本呈線性增長(zhǎng)；按抗剪強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，防突巖盤厚度和水壓力按一定斜率增長(zhǎng)；隨著巖盤長(zhǎng)度的增加，防突巖盤厚度隨之增加，因此巖盤長(zhǎng)度越長(zhǎng)越不安全；當(dāng)溶腔水壓力在0～1.8 MPa時(shí)，防突巖盤安全厚度按抗彎強(qiáng)度計(jì)算，當(dāng)溶腔水壓力大于1.8 MPa時(shí)，防突巖盤安全厚度按抗剪強(qiáng)度計(jì)算。

3 算例分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]所提供的資料，宜萬(wàn)線五爪觀隧道DK48+871～DK49+960里程段位于一寬緩向斜的核部，地表巖溶洼地、漏斗及消水洞發(fā)育，地下集中發(fā)育一溶洞，隧道穿越處溶腔跨度30 m左右，溶腔底部標(biāo)高552.10 m，隧道拱頂標(biāo)高540.53 m，相差11.57 m。該段圍巖等級(jí)為Ⅱ級(jí)，根據(jù)現(xiàn)有資料，該隧道處圍巖側(cè)壓力系數(shù)為1.1～1.6，該段隧道平均埋深為120 m，溶洞跨度為30 m，隧道斷面寬7.5 m，溶洞為干溶腔，內(nèi)部無(wú)充填物。令水壓力p=0，巖體抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及重度分別為0.6 MPa、12 MPa、26 kN/m3。

圖8 五爪觀隧道與頂部溶洞位置關(guān)系

當(dāng)溶腔分布于隧道頂部時(shí)，水壓力在小于1.8 MPa時(shí)應(yīng)該按抗彎強(qiáng)度公式驗(yàn)算，巖體許用抗彎強(qiáng)度取0.15倍的巖體抗壓強(qiáng)度，為1.8 MPa。

當(dāng)壓性斷層存在于巖盤時(shí)(或巖盤為無(wú)斷層完整巖盤)取公式(3)進(jìn)行驗(yàn)算：

當(dāng)張性斷層存在與巖盤時(shí)：取L1=L，此時(shí)計(jì)算出的最小安全厚度值最有利，取公式(7)進(jìn)行驗(yàn)算：

實(shí)際施工時(shí)在里程DK48+87l～DK49+960段中采用的安全距離為11.57 m，由上述計(jì)算得出的防突安全厚度可知，設(shè)計(jì)所采用的安全厚度值是可靠的。為確保巖溶隧道斷層段建設(shè)施工安全，施工時(shí)應(yīng)注意開挖到支護(hù)的時(shí)間把握，做好隧道拱頂?shù)淖冃瘟繙y(cè)，勤于監(jiān)測(cè)隧道斷層裂隙的擴(kuò)展與出水情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施予以處理。

4 結(jié)論

(1)不同的斷層構(gòu)造類別影響著巖溶的發(fā)育情況以及斷裂面的導(dǎo)水性。一般情況下，壓性斷層導(dǎo)水性差，張性斷層導(dǎo)水性好。通過(guò)分析斷層的形成機(jī)理以及水-巖相互作用，總結(jié)出三種主要的斷層引發(fā)突水模式。

(2)對(duì)斷層段隧道-巖溶系統(tǒng)進(jìn)行抽象概化，建立了溶腔位于隧道頂部時(shí)突水力學(xué)模型，結(jié)合斷層突水機(jī)理，推導(dǎo)了壓性、張性斷層存在于隧道與溶腔間巖盤時(shí)巖盤最小安全厚度。

(3)當(dāng)巖盤中存在張性或者壓性斷層時(shí)，隨著水壓力的增加，巖盤最小安全厚度也隨之增加，但是按抗彎和抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式所計(jì)算得出的最小厚度增加程度有所不同。因此，在選擇計(jì)算公式時(shí)應(yīng)根據(jù)水壓力的大小來(lái)選擇對(duì)應(yīng)公式計(jì)算。

(4)結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)一步探討了巖溶隧道斷層段巖盤最小安全厚度計(jì)算方法，研究結(jié)果可對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工作一定的參考。

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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

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKLGDUEK1308)

張軍偉(1980-)，男，博士，橋梁與隧道工程專業(yè)，副教授，主要從事隧道及地下工程方面的研究與工作。

E-mail：zhanggjunwei@gmail.com