翁賢杰， 徐繼光， 劉 軍， 張連震

(1. 江西交通咨詢有限公司， 江西 南昌 330008； 2. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061； 3. 江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330025；4. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，大量隧道工程建設(shè)在我國(guó)西南部地質(zhì)極其復(fù)雜的山區(qū)及巖溶地區(qū)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中時(shí)常發(fā)生突水突泥災(zāi)害[1-3]，并造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。突水突泥災(zāi)害的有效控制已成為地下工程防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要課題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在突水突泥機(jī)制研究方面取得了較多的研究成果。馬士偉[4]基于剪切破壞理論和薄板理論，研究了巖溶隧道突涌水破壞機(jī)制及其行為特征；王軍璽等[5]根據(jù)水力劈裂理論，提出了壓力水力劈裂作用下的巖溶深埋隧道高壓突水機(jī)制；劉招偉等[6]將水壓力視為巖溶隧道的主要安全威脅，根據(jù)水壓作用于隧道的位置情況，將巖溶隧道突水分為巖梁型突水、拱梁型突水和板柱型突水3種類(lèi)型，并進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)機(jī)制分析；王遇國(guó)[7]基于斷裂力學(xué)理論，將巖溶防突巖層視為平面應(yīng)變固支梁，推導(dǎo)了簡(jiǎn)化模型的應(yīng)力狀態(tài)公式；李利平[8]將巖溶隧道突水分為地質(zhì)缺陷式和非地質(zhì)缺陷式2類(lèi)，采用流固耦合理論和突變理論分別研究了2種模式突水通道的形成過(guò)程及其失穩(wěn)的力學(xué)判據(jù)。另外，L. Shi等[9]、黎良杰等[10]、許增榮[11]研究了斷層要素及其所處采空區(qū)位置與突水的關(guān)系，認(rèn)為斷層面傾向采空區(qū)邊界時(shí)易發(fā)生突水，特別當(dāng)斷層傾角與最大膨脹線相吻合時(shí)，最容易發(fā)生突水。然而，上述研究集中于突水突泥機(jī)制的概念理論，缺乏對(duì)具體災(zāi)變過(guò)程中多種前兆信息演化過(guò)程的研究，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行有效的工程指導(dǎo)。

為解決上述問(wèn)題，本文在分析滲流誘發(fā)斷層突水突泥機(jī)制的基礎(chǔ)上，依托江西永蓮隧道斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害工程實(shí)例，建立可模擬隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖穿越斷層帶過(guò)程的有限元計(jì)算模型，分析隧道開(kāi)挖過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、隧道涌水量、塑性區(qū)分布等災(zāi)害前兆信息的演化規(guī)律，以期為斷層帶突水突泥臨災(zāi)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 滲流誘發(fā)斷層突水突泥機(jī)制

斷層帶巖體具有空隙大、滲透性好、結(jié)構(gòu)疏松破碎、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。地下水滲流作用對(duì)斷層帶充填物介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)影響較大，是誘發(fā)斷層破碎帶巖體滲透失穩(wěn)，導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。滲流誘發(fā)斷層突水突泥主要通過(guò)軟化、泥化和力學(xué)破壞等作用形成。

1.1 地下水對(duì)巖體的軟化、泥化

地下水補(bǔ)充到巖體內(nèi)部時(shí)，充填物顆粒通過(guò)表面吸著力將水分子吸附到其周?chē)w粒之間的間距相對(duì)增大，膠結(jié)作用被弱化，巖體結(jié)構(gòu)面間的摩阻力減小，從而對(duì)巖體產(chǎn)生潤(rùn)滑作用。地下水滲入致使斷層充填物含水量增加，物理性狀發(fā)生改變，巖體由固態(tài)向塑態(tài)甚至液態(tài)轉(zhuǎn)化，斷層帶發(fā)生軟化、泥化現(xiàn)象，造成巖體黏聚力和摩擦角值大幅減小，力學(xué)性能發(fā)生蛻變。

1.2 滲流誘發(fā)通道擴(kuò)展

地下水總是尋找構(gòu)造帶的軟弱區(qū)域優(yōu)先運(yùn)移，并逐漸突破其關(guān)鍵部位，形成突水突泥。斷層帶破碎巖體基本呈現(xiàn)散體狀結(jié)構(gòu)形式[12]，區(qū)域內(nèi)巖體由巖塊骨架(如斷層角礫巖等)和充填物組成，細(xì)小充填物填充于巖塊空隙中，巖塊之間的空隙構(gòu)成了良好的滲水通道。地下水在斷層破碎帶巖體裂(孔)隙通道中運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)充填物顆粒產(chǎn)生滲透壓力作用，可使顆粒物質(zhì)產(chǎn)生移動(dòng)，甚至被遷移帶出巖土體，導(dǎo)致巖體空隙增加和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。

地下水流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)巖體孔隙或裂隙產(chǎn)生靜水壓力、滲流動(dòng)水壓力和拖拽力的三重力學(xué)作用[13-14]。靜水壓力是一種表面力，對(duì)孔隙或裂隙壁產(chǎn)生法向作用力。滲流動(dòng)水壓力是體積力，力的作用方向與地下水流動(dòng)方向一致，對(duì)巖體空隙細(xì)小充填物產(chǎn)生沿水流方向作用力。拖拽力是一種面力，對(duì)通道壁產(chǎn)生沿水流方向的切向拖拽作用。在靜水壓力作用下，通道壁面發(fā)生法向張拉變形和位移，利于通道法向擴(kuò)展。在滲流動(dòng)水壓力作用下，充填物在滲透方向上發(fā)生剪切變形和位移，破碎帶巖體通道顆粒由初始緊密的結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為松散稀疏的結(jié)構(gòu)，甚至由塑態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化。在拖拽力的作用下，通道壁面發(fā)生切向變形和位移，壁面的土體顆粒在水的浸泡和切向力作用下，極易發(fā)生遷移，隨水流流出。

1.3 滲流失穩(wěn)致災(zāi)

一方面，在地下水滲流作用下，巖體空隙通道中的原有充填物顆粒不斷被運(yùn)移帶走，巖體空隙率增加。另一方面，在靜水壓力和拖拽力的作用下，新增巖土體顆粒剝落遷移至空隙通道內(nèi)，并被水流遷移帶走，從而破碎帶巖體滲透性不斷增強(qiáng)。空隙和滲透性的增大又反過(guò)來(lái)增加滲流速度和滲透壓力，導(dǎo)致更多的巖土體顆粒被地下水遷移帶出巖體。這種滲流-應(yīng)力耦合作用導(dǎo)致斷層帶巖體的滲透性不斷增加，當(dāng)平衡條件被破壞時(shí)，破碎巖體發(fā)生滲流失穩(wěn)，誘發(fā)突水突泥地質(zhì)災(zāi)害。

2 斷層帶突水突泥機(jī)制數(shù)值模擬

采用COMSOL有限元數(shù)值軟件，考慮流固耦合作用，模擬分析隧道斷層帶開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)等變化情況，主要從斷層圍巖穩(wěn)定性角度研究隧道遇斷層發(fā)生突水突泥機(jī)制。

2.1 流固耦合計(jì)算原理

采用COMSOL中的流體流動(dòng)模塊和固體力學(xué)模塊進(jìn)行流固耦合計(jì)算，在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)中設(shè)置耦合交叉項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算?；赥erzaghi有效應(yīng)力原理，主要滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合方程如下。

-·σ=Fv；

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)—(5)中：Fv為體荷載,N/m3；σ為應(yīng)力場(chǎng)，Pa；為哈密頓算子；u為位移場(chǎng)，m；ε為應(yīng)變；Qm為滲流源匯項(xiàng)；ρ為流體密度，kg/m3；S為壓縮系數(shù)；pf為流體壓力，Pa；t為時(shí)間，s；v為滲流速度，m/s；αB為Biot-Willis系數(shù)；evol為孔隙比；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；k為滲透率，m2；D為計(jì)算點(diǎn)位置高度，m；g為重力加速度，m/s2；χf為壓縮率，1/Pa。

在軟件計(jì)算過(guò)程中，滲流相關(guān)的物理量在流體流動(dòng)模塊中進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)圍巖與斷層介質(zhì)賦參(包括滲透率、流體密度等)并定義滲流邊界條件，基于達(dá)西定律開(kāi)展流體壓力及滲流速度的計(jì)算；應(yīng)力位移相關(guān)的物理量在固體力學(xué)模塊中進(jìn)行計(jì)算，也是通過(guò)對(duì)圍巖與斷層介質(zhì)賦參(包括彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)并定義受力變形邊界條件，基于彈性模型及摩爾-庫(kù)侖塑性屈服準(zhǔn)則開(kāi)展巖體應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的計(jì)算；滲流場(chǎng)計(jì)算與巖體應(yīng)力位移場(chǎng)的計(jì)算基于有效應(yīng)力原理通過(guò)設(shè)置耦合交叉項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在滲流場(chǎng)與巖體應(yīng)力位移場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，巖體有效應(yīng)力與流體壓力之和為總應(yīng)力。通過(guò)以上關(guān)系實(shí)現(xiàn)流體壓力與巖體有效應(yīng)力的定量關(guān)聯(lián)，在軟件計(jì)算過(guò)程中求解滲流場(chǎng)與巖體應(yīng)力位移場(chǎng)時(shí)可相互調(diào)用計(jì)算結(jié)果，迭代計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)與巖體應(yīng)力位移場(chǎng)的耦合求解計(jì)算。

2.2 基本假定

1)巖體為均質(zhì)、各向同性的等效連續(xù)滲透介質(zhì)。

2)開(kāi)挖前孔隙水處于靜止?fàn)顟B(tài)，自由水面以下的巖體處于飽和狀態(tài)；隧道開(kāi)挖后地下水流動(dòng)滿足達(dá)西定律，滲流為單相飽和流動(dòng)，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)巖體的初始應(yīng)力場(chǎng)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮其自重應(yīng)力。

4)將巖體變形視為彈塑性變形，巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。

5)不考慮初期支護(hù)和二次襯砌的影響，僅按毛洞進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果雖然一定程度上夸大了滲流和應(yīng)力耦合作用效應(yīng)，但有利于更直觀地分析和揭示突水突泥災(zāi)害前兆信息演化規(guī)律。

2.3 計(jì)算模型

以江西省永蓮隧道F2斷層破碎帶為研究對(duì)象，該隧道位于江西省吉安至蓮花高速公路西段，設(shè)計(jì)為分離式長(zhǎng)隧道，左線起訖里程ZK90+349～ZK92+835，長(zhǎng)2 486 m，右線起訖里程YK90+335～YK92+829，長(zhǎng)2 494 m。隧道穿越F2大型斷層破碎帶，斷層破碎帶含水異常豐富，水源補(bǔ)給條件復(fù)雜，充填介質(zhì)巖性種類(lèi)多,組分復(fù)雜。隧道左洞在穿越F2斷層帶過(guò)程中于2012年7月2日至8月19日期間發(fā)生8次突水突泥災(zāi)害，涌出淤泥約17 100 m3，右洞在2012年8月12日至10月25日期間發(fā)生7次突水突泥災(zāi)害，涌出淤泥約22 500 m3。突泥涌出物如圖1所示，大規(guī)模突水突泥造成了嚴(yán)重的機(jī)械設(shè)備損失與工期延誤。另外，山體內(nèi)大量介質(zhì)損失造成隧道上方山體發(fā)生地表塌陷，如圖2所示。

圖1 突泥涌出物

圖2 地表塌陷

地下洞室開(kāi)挖在3倍洞徑之外影響一般小于5%[15-16]。因此，水平方向上，計(jì)算模型由隧道軸線向兩側(cè)各取60 m；豎直方向上，下邊界取至隧底48 m，上邊界取至靜止水位線處，將超出模型計(jì)算范圍的巖體按自重應(yīng)力均布在隧道模型上表面。隧洞掌子面施工至距斷層0.75～1.25倍洞徑范圍時(shí)，圍巖應(yīng)力、位移有較大變化[17]，因此縱向范圍由斷層向兩側(cè)各延伸70 m。整個(gè)計(jì)算模型三維尺寸為120 m×190 m×190 m。三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。計(jì)算模型縱斷面圖見(jiàn)圖4。

圖3 三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分(單位： m)

圖4 計(jì)算模型縱斷面圖(單位： m)

滲流場(chǎng)邊界條件： 模型上表面、隧道開(kāi)挖周邊及掌子面設(shè)置孔隙水壓力為零邊界；隧道左右、前后以及底部設(shè)為無(wú)流動(dòng)邊界。

應(yīng)力、位移場(chǎng)邊界條件： 模型上表面受上覆50 m巖土體重力作用；隧道開(kāi)挖周邊及掌子面為自由邊界；隧道左右、前后限制水平位移，設(shè)為輥支承約束；隧道底部設(shè)為固定約束。

巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范選取，各參數(shù)具體取值見(jiàn)表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

在具體計(jì)算過(guò)程中，隧道由數(shù)值計(jì)算模型的左側(cè)邊界開(kāi)始開(kāi)挖，開(kāi)挖方向?yàn)橛勺笾劣?，直至隧道開(kāi)挖完全通過(guò)斷層區(qū)域，隧道掌子面開(kāi)挖推進(jìn)距離的計(jì)算起點(diǎn)以計(jì)算模型的左側(cè)邊界為起算點(diǎn)。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 孔隙水壓力場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖穿越斷層帶過(guò)程中，掌子面開(kāi)挖推進(jìn)0、30、92 m時(shí)圍巖孔隙水壓力分布見(jiàn)圖5—7。

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

Fig. 6 Distribution of pore water pressure after excavation of 30 m (unit: Pa)

(a) 三維分布

(b) 剖面分布

Fig. 7 Distribution of pore water pressure after excavation of 92 m (unit: Pa)

分析圖5—7可知： 開(kāi)挖前，隧道圍巖初始孔隙水壓力整體呈層狀分布，在普通圍巖與斷層帶兩者間的分布場(chǎng)一樣，均隨著深度的增加而增加；開(kāi)挖后，圍巖孔隙水壓力場(chǎng)發(fā)生明顯變化，隧道周?chē)紫端畨毫Φ葎?shì)面密集，水壓力較低，形成類(lèi)似于漏斗狀的低孔隙水壓力區(qū)域，特別當(dāng)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層破碎帶后，漏斗狀低孔隙水壓力區(qū)域相比于普通圍巖進(jìn)一步擴(kuò)大。隧道開(kāi)挖30 m后，最大孔隙水壓力1.534 MPa；開(kāi)挖92 m進(jìn)入斷層破碎帶后，最大孔隙水壓力降低為1.027 MPa，孔隙水壓力大幅消散。隧道穿越斷層帶時(shí)，地下水更容易向洞內(nèi)滲透，造成圍巖軟化，力學(xué)性能降低，從而加劇斷層破碎帶巖體的失穩(wěn)破壞。由于隧道開(kāi)挖掌子面的形成，掌子面處水壓力為零，導(dǎo)致隧道圍巖中的地下水向隧道掌子面匯集，進(jìn)而形成降水漏斗。當(dāng)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層破碎帶之后，由于斷層圍巖的滲透性強(qiáng)于周?chē)胀▏鷰r，導(dǎo)致孔隙水滲流速度增加，掌子面附近圍巖更容易被弱化，大大增加了突水突泥災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖穿越斷層過(guò)程中，取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監(jiān)測(cè)面。圖8為掌子面開(kāi)挖推進(jìn)30、68、76 m時(shí)圍巖第一主應(yīng)力分布云圖。

(a) 開(kāi)挖30 m后第一主應(yīng)力分布

(b) 開(kāi)挖68 m后第一主應(yīng)力分布

(c) 開(kāi)挖76 m后第一主應(yīng)力分布

Fig. 8 Nephograms of first principal stress of surrounding rock at different excavation distances (unit: N/m2)

分析圖8可知： 隧道開(kāi)挖后，高應(yīng)力主要集中在隧道側(cè)壁、拱腳附近區(qū)域；低應(yīng)力主要集中在拱頂和底板區(qū)域。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳附近，拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂和拱底附近。進(jìn)入斷層前，隨著隧道開(kāi)挖推進(jìn)，圍巖的第一主應(yīng)力最大值逐漸增大，開(kāi)挖30 m時(shí)，第一主應(yīng)力最大值為2.56 MPa；隧道開(kāi)挖68 m時(shí)，由于掌子面非常接近斷層面，應(yīng)力集中現(xiàn)象達(dá)到最大，主應(yīng)力最大值高達(dá)4.94 MPa，增幅接近1倍；開(kāi)挖76 m進(jìn)入斷層帶后，第一主應(yīng)力分布形式有較大改變，由進(jìn)入斷層前的“蝴蝶”型分布轉(zhuǎn)變?yōu)閲@洞周的類(lèi)似“拱形”分布，應(yīng)力的急劇變化，導(dǎo)致隧道洞周?chē)鷰r出現(xiàn)大范圍卸荷、應(yīng)力松弛、拉應(yīng)力區(qū)增大現(xiàn)象。

2.4.3 位移場(chǎng)分析

隧道開(kāi)挖穿越斷層破碎帶過(guò)程中，圍巖位移變化情況如圖9所示，其中向上位移為正值，向下位移為負(fù)值。取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監(jiān)測(cè)斷面，研究分析隧道圍巖豎向位移變化情況。

圖9 圍巖位移變化情況

隧道開(kāi)挖推進(jìn)至斷層破碎帶前，隧道圍巖豎向位移受斷層影響不大，位移值基本穩(wěn)定在某個(gè)較小值附近，變化不大。隧道由30 m向60 m推進(jìn)時(shí)，拱頂沉降由6.409 mm變?yōu)?.538 mm，增幅僅為17.6%；拱底隆起變化幅度較拱頂更小，由10.1 mm變成10.2 mm，增幅約為1%。隨著隧道開(kāi)挖向斷層推進(jìn)，位移量出現(xiàn)急劇性、突變性增大的現(xiàn)象。隧道開(kāi)挖推進(jìn)92 m時(shí)，已深入斷層帶，拱頂沉降值達(dá)到23.8 mm，較推進(jìn)30 m時(shí)增加271.4%；拱底隆起值達(dá)到25.7 mm，增幅高達(dá)154.5%?？梢?jiàn)，隧道施工穿越斷層帶過(guò)程中，由于斷層抵抗變形的能力顯著低于斷層兩側(cè)正常圍巖，在相同地應(yīng)力條件下，斷層帶內(nèi)隧道圍巖位移顯著大于兩側(cè)正常圍巖，圍巖位移急劇性、突變性增加；由于斷層段隧道圍巖位移與兩側(cè)正常圍巖段隧道圍巖位移存在明顯差別，隧道極有可能在斷層邊界處發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致大變形甚至突水突泥災(zāi)害發(fā)生。

2.4.4 塑性區(qū)分析

取隧道掌子面后方10 m處的斷面為監(jiān)測(cè)斷面，研究洞周?chē)鷰r塑性區(qū)變化情況。圖10為掌子面開(kāi)挖推進(jìn)30、60、92 m時(shí)監(jiān)測(cè)斷面洞周?chē)鷰r塑性區(qū)分布云圖。

分析圖10可知: 隨著隧道開(kāi)挖向斷層推進(jìn)，洞周?chē)鷰r的塑性區(qū)變化顯著，塑性區(qū)范圍不斷急劇性、突變性擴(kuò)大。隧道開(kāi)挖進(jìn)入距斷層帶較遠(yuǎn)時(shí)，圍巖塑性區(qū)變化不大，基本呈“月牙型”分布，主要集中在拱肩至拱腳區(qū)域，尚未波及拱頂和拱底，隧道圍巖屈服深度為2.5 m左右;隨著隧道開(kāi)挖向斷層接近，塑性區(qū)逐步向拱頂和拱底擴(kuò)大，開(kāi)挖至60 m時(shí)，受斷層影響，隧道拱頂出現(xiàn)塑性區(qū);當(dāng)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層帶后，隧道拱頂和拱底出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，開(kāi)挖至84 m時(shí)，隧道整個(gè)斷面四周均出現(xiàn)了塑性區(qū)，屈服深度為2～2.5 m；開(kāi)挖至92 m深入斷層時(shí)，隧道洞周塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，屈服深度擴(kuò)展至3 m左右，斷層的破壞范圍急劇增大。

(a) 開(kāi)挖30 m后洞周塑性區(qū)分布

(b) 開(kāi)挖60 m后洞周塑性區(qū)分布

(c) 開(kāi)挖92 m后洞周塑性區(qū)分布

塑性區(qū)范圍是圍巖穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)之一，塑性區(qū)圍巖可認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生破壞。由于斷層圍巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角普遍低于普通圍巖，所以當(dāng)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層帶后，塑性區(qū)范圍覆蓋了整個(gè)洞周范圍并且屈服深度有所增加。斷層帶施工過(guò)程中，圍巖發(fā)生大面積塑性破壞，破壞區(qū)形成的裂隙使得含水層和隧道開(kāi)挖面形成水力聯(lián)系。在地下水的沖刷作用下，裂隙逐漸擴(kuò)展成為導(dǎo)水通道，最終造成隧道圍巖失穩(wěn)，形成突水突泥。

2.4.5 滲流場(chǎng)及滲流量分析

圖11為隧道開(kāi)挖推進(jìn)50 m和84 m時(shí)，掌子面后方5 m監(jiān)測(cè)斷面洞周的滲流速度分布云圖。掌子面后方5 m處斷面最大滲流速度變化曲線如圖12所示。

(a) 開(kāi)挖50 m后掌子面后方5 m滲流速度場(chǎng)

(b) 開(kāi)挖84 m后掌子面后方5 m滲流速度場(chǎng)

Fig. 11 Nephograms of distribution of seepage velocity around tunnel (unit: m/s)

圖12 隧道涌水量與最大滲流速度變化曲線

Fig. 12 Curves of water inflow and maximum seepage velocity in tunnel

分析可知，隧道開(kāi)挖后，拱腳附近區(qū)域滲流速度最大，高滲流速度區(qū)呈現(xiàn)類(lèi)似于蝴蝶翼形式分布。隨著開(kāi)挖向斷層推進(jìn)，掌子面附近圍巖的滲流速度發(fā)生急劇性、突變性增大。隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層帶區(qū)域前，地下水流動(dòng)較為穩(wěn)定，流速變化不大;隧道開(kāi)挖至10 m時(shí)，最大滲流速度為7.7×10-6m/s；開(kāi)挖至50 m時(shí)，最大滲流速度為9.2×10-6m/s，增幅僅為19.4%；開(kāi)挖至60 m時(shí)，受斷層帶影響，最大滲流速度變?yōu)?.7×10-6m/s，增幅達(dá)到25.9%。隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層帶后，流速發(fā)生突變現(xiàn)象，呈現(xiàn)突然急劇性增大，掌子面推進(jìn)至92 m時(shí)，最大滲流速度達(dá)到2.2×10-5m/s，增幅高達(dá)185.7%。因此，隧道施工至斷層帶后，滲流速度急劇增大，地下水對(duì)斷層巖體的泥化軟化作用及滲流通道擴(kuò)展作用也顯著提升，斷層巖體內(nèi)的細(xì)小顆粒不斷被帶出斷層帶，斷層力學(xué)性能及抗?jié)B性能迅速降低。當(dāng)斷層性能降低到一定程度時(shí)，極易造成突水突泥災(zāi)害。

為形成同情況對(duì)比，在圖12中列出隧道掌子面涌水量隨開(kāi)挖推進(jìn)距離變化情況?？芍?，掌子面涌水量與最大滲流速度隨開(kāi)挖推進(jìn)距離的變化趨勢(shì)保持一致。開(kāi)挖推進(jìn)至斷層帶前，掌子面涌水量變化較??；開(kāi)挖至40 m時(shí)，掌子面涌水量為128.2 m3/d，較開(kāi)挖10 m時(shí)僅增大2.23%；開(kāi)挖至60 m時(shí)，受斷層帶影響，掌子面涌水量為145.8 m3/d，增幅達(dá)到16.3%；進(jìn)入斷層帶后，掌子面涌水量急劇增加，發(fā)生突變現(xiàn)象；開(kāi)挖至92 m時(shí)，掌子面涌水量增加為243.8 m3/d，增幅達(dá)到94.53%，涌水量的急劇性增加，極易引發(fā)突水突泥。

綜合上述數(shù)值分析結(jié)果，隧道由普通圍巖開(kāi)挖進(jìn)入斷層圍巖后，應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)、隧道涌水量等前兆信息均發(fā)生了突變，主要表現(xiàn)為： 1)應(yīng)力分布急劇變化，由進(jìn)入斷層前的“蝴蝶”型分布轉(zhuǎn)變?yōu)閲@洞周的類(lèi)似“拱形”分布； 2)隧道圍巖位移包括拱頂沉降與拱底隆起急劇性、突變性增大； 3)塑性區(qū)范圍覆蓋了整個(gè)洞周范圍并且屈服深度有所增加； 4)地下水滲流速度發(fā)生突變，呈現(xiàn)突然急劇性增大。以上災(zāi)害前兆信息變化趨勢(shì)表明當(dāng)隧道開(kāi)挖進(jìn)入斷層破碎帶后極易發(fā)生突水突泥事故。

在吉蓮隧道開(kāi)挖進(jìn)入F2斷層破碎帶后，隧道左洞先后發(fā)生8次突水突泥災(zāi)害，涌出淤泥約17 100 m3，隧道右洞先后發(fā)生7次突水突泥災(zāi)害，涌出淤泥約22 500 m3。左洞與右洞突水突泥災(zāi)害發(fā)生位置與斷層帶的位置關(guān)系如圖13所示，突水突泥災(zāi)害發(fā)生位置均在斷層帶區(qū)域內(nèi)，一定程度上驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖13 突水突泥災(zāi)害發(fā)生位置與斷層帶的關(guān)系

Fig. 13 Relationship between fault zone and location of water and mud inrush

3 結(jié)論與展望

1)建立了可模擬隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖穿越斷層帶過(guò)程的有限元計(jì)算模型，該模型可實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、隧道涌水量等變化過(guò)程的全過(guò)程模擬。

2)當(dāng)掌子面接近斷層時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象達(dá)到最大，主應(yīng)力最大值高達(dá)4.94 MPa，增幅接近1倍，高應(yīng)力集中極易導(dǎo)致隧道施工至斷層附近區(qū)域圍巖失穩(wěn)。

3)由于斷層抵抗變形的能力顯著低于斷層兩側(cè)正常圍巖，導(dǎo)致斷層帶內(nèi)隧道圍巖位移顯著大于兩側(cè)正常圍巖，圍巖位移急劇性、突變性增加。由于斷層段隧道圍巖位移與兩側(cè)正常圍巖段隧道圍巖位移存在明顯差別，隧道極有可能在斷層邊界處發(fā)生失穩(wěn)。

4)隧道開(kāi)挖至斷層帶后，地下水滲流速度及涌水量急劇增大，地下水對(duì)斷層巖體的泥化軟化作用及滲流通道擴(kuò)展作用顯著提升，斷層巖體內(nèi)的細(xì)小顆粒不斷被帶出斷層帶，斷層力學(xué)性能及抗?jié)B性能迅速降低，當(dāng)斷層性能降低到一定程度時(shí)，極易造成突水突泥災(zāi)害。

本文主要是針對(duì)突水突泥災(zāi)害發(fā)生前的各個(gè)物理場(chǎng)、圍巖塑性區(qū)、涌水量等前兆信息進(jìn)行研究，而突水突泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中其流體流動(dòng)狀態(tài)、圍巖受力狀態(tài)與穩(wěn)定巖土體具有顯著的差別，因此本文研究成果尚不能有效描述災(zāi)害發(fā)生過(guò)程，下一步將主要開(kāi)展突水突泥發(fā)生過(guò)程中流體流動(dòng)跟蹤分析與巖土體塌方過(guò)程的研究。