充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟*

曹洁 左宇军 李伟 颜林艳 李冰峰

(1.贵州大学矿业学院 贵阳 550025； 2.贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室 贵阳 550025； 3.贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室 贵阳 550025；4.复杂地质矿山开采安全技术工程中心 贵阳 550025)



充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟*

曹洁1，2，3，4左宇军1，2，3，4李伟1，2，3，4颜林艳1，2，3，4李冰峰1，2，3，4

(1.贵州大学矿业学院 贵阳 550025； 2.贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室 贵阳 550025； 3.贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室 贵阳 550025；4.复杂地质矿山开采安全技术工程中心 贵阳 550025)

为探讨充水溶洞中水压对隧道围岩稳定性的影响，利用岩石破坏过程渗流-应力-损伤耦合分析软件F-RFPA2D，对隧道底部含充水溶洞的围岩破坏过程进行数值模拟研究，并与岩体中存在裂隙时隧道围岩的破坏过程作对比。结果表明，水压的增加使溶洞与隧道间的岩体逐渐产生裂纹，并不断延伸，最终使隧道与充水溶洞贯通；岩体中裂隙的存在改变了裂纹的扩展方向，加速了隧道底部围岩的破坏进程；实际工程中应将隧道底部围岩垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆，制定相应的预防措施，避免事故的发生。

充水溶洞 水压变化 裂隙 数值模拟 破裂过程

0 引言

当前，地下工程建设已成为了岩溶区工程建设的发展趋势，而岩溶区普遍存在的节理裂隙、断层等不良的地质条件给隧道建设工程带来了新的挑战[1]。岩溶区建设过程中，隧道周围常存在不同大小的溶洞，隧道的开挖改变了隧道与溶洞间岩体应力的大小，而溶洞中的水压进一步影响着应力场的变化，当隧道揭露充水溶腔时会引发突水突泥等灾害，引发安全事故[2]。因此，研究充水溶洞对隧道围岩稳定性的影响有着较为重要的实际意义。

许多专家学者对岩溶区隧道稳定性影响进行了研究。赵明阶等[3-5]利用ANSYS软件，分析了不同大小、位置、距离的溶洞对隧道围岩稳定性的影响。对于岩溶区隧道稳定性的研究，针对空溶洞的研究较多，而对考虑溶洞中水压变化的研究较少，对于充水溶洞的研究主要集中在超前地质预报、施工中的整治技术和措施的研究[6-9]，缺乏对充水溶洞中水压对隧道围岩稳定性的影响研究，且对于岩体含裂隙时充水溶洞对隧道围岩稳定性影响研究较少，而裂隙的存在对隧道围岩稳定性有显著的影响。

本文利用渗流-应力-损伤耦合分析系统F-RFPA2D[10-11]，将岩石视为非均匀性材料，对隧道底部充水溶洞水压变化时围岩的破裂过程进行数值模拟，并与岩体含裂隙时隧道围岩破裂情况作对比，研究水压裂纹的延伸、扩展及贯通机制。

1 数值试验模型及参数选取

以某隧道建设工程为例，该隧道穿越的地层岩性为厚-中厚层灰岩，岩石强度较低，岩溶强烈发育，岩体节理裂隙极发育。隧道处于岩溶地下水季节变动带，雨季水位较高，水量及其丰富，存在突水突泥灾害问题，尤其雨季突水危害较大。结合该隧道建设中遇到的岩溶灾害问题，采用二维平面应变模型，尺寸为75 m×75 m，网格划分为400×400个单元。具体参数取值见表1。

表1 数值模型参数

(a)岩体不存在裂隙 (b)岩体存在裂隙

图1 数值模型加载示意图

本文分别分析隧道围岩中存在裂隙和不存在裂隙两种情况下水压变化的充水溶洞对隧道围岩稳定性的影响。试样按照图1所示的方式加载。模型中隧道为直墙圆拱形，矩形部分尺寸为8 m×6 m，将溶洞简化成圆形断面，直径为5 m，溶洞距隧道4 m。图1(b)中，裂隙长度为2.24 m，裂隙与水平方向夹角为26.6°。首先在水平和垂直方向上分别对模型施加静载荷P1=P2=6.2 MPa，以模拟初始地应力。充水溶洞中水压会随着降水量的变化而变化，因此溶洞中的水压按0.05 MPa/步进行递增，直到隧道围岩发生破坏。分析隧道围岩的破坏过程，了解其破裂特征，制定相应的预防处理措施，以避免事故的发生。

2 数值模拟结果及分析

2.1 隧道围岩应力场及破坏区域的变化

充水溶洞在隧道底部时，岩体中不存在裂隙和存在裂隙两种情况下模型受载后的剪应力分布如图2所示。所受剪应力集中程度越大对应分布图中颜色越亮。隧道围岩中不存在裂隙时，溶洞与隧道之间的岩体及隧道底脚处的应力集中程度较大。图2(a)中，充水溶洞中水压不断增加的过程中，隧道和溶洞周围的应力逐渐增加。当加载到第80步时，由于隧道底脚处应力高度集中，底脚与溶洞间岩体开始产生破裂。随着水压的增加，溶洞与隧道间的裂纹继续延伸。当加载到第85步时，即溶洞中水压达到4.25 MPa时，溶洞与隧道间的裂纹快速扩展并最终与隧道发生贯通，隧道发生严重破坏。

图2(b)为岩体中存在裂隙时充水溶洞对隧道围岩破坏过程的数值模拟结果。随着水压的不断增加，隧道围岩间的应力逐渐增大，当加载到第15步，即水压为0.75 MPa时，裂纹最先出现在应力集中的裂隙端部，并沿着裂隙近法向延伸，直至与隧道贯通。随着加载的进行，次生裂纹从裂隙端部萌生并沿着裂隙方向扩展、贯通。

(a)岩体不存在裂隙 (b)岩体存在裂隙

岩体中裂隙的存在改变了隧道与溶洞间岩体的应力分布。在相同加载条件下，岩体中存在裂隙时隧道围岩更容易发生破坏，裂纹最先沿着裂隙的近法向延展，可见裂隙的存在加速了隧道围岩的破坏进程，且改变了裂纹扩展方向。

隧道底部存在充水溶洞模型在受载后隧道破坏时的声发射图(见图3)中，圆的颜色表示岩石的破坏模式，灰色表示拉伸破坏，白色表示剪切破坏。圆的半径越大表示声发射能量越大。由图可知，当隧道底部围岩发生破坏时，声发射的数量较大，且围岩的破坏主要为拉伸破坏，隧道产生拉伸破坏的位置与宏观的裂纹位置一致。

(a)岩体不存在裂隙 (b)岩体存在裂隙

图3 充水溶洞在隧道底部围岩破坏时的声发射图

2.2 充水溶洞对隧道底部围岩位移的影响分析

隧道底部围岩X，Y方向位移随单元号变化曲

线如图4所示。图中曲线拐点越明显，说明隧道底部围岩在该单元处的破坏越严重。由于充水溶洞中水压的不断增加使隧道与溶洞间围岩的应力逐步增加，当达到围岩所能承受的最大应力时，围岩开始产生破裂。图4(a)，(b)中，第1、第15加载步时，X和Y方向的位移曲线均较为平滑，无明显拐点，隧道围岩处于稳定状态。当加载到第80步时，41单元处X和Y方向上位移增加，有明显的拐点，而各单元Y方向位移均有显著变化，说明隧道底部围岩在第41单元处产生裂纹，破坏了隧道的稳定性。第85加载步时，41单元处X和Y方向位移变化量显著增加,有明显拐点，说明在该单元处产生严重破坏，即围岩中产生的裂纹发生延展。

如图4(c)，(d)所示，第1加载步时，隧道底部围岩X和Y方向的位移曲线无明显拐点，说明隧道围岩处于稳定状态。当加载到第15步时，各单元X和Y方向的位移发生了明显的变化，均在第7单元处有明显拐点，说明水压的增加导致隧道围岩在第15步时发生破裂，裂纹出现在第7单元处。随着加载步增加，各单元的Y方向位移变化量显著增加，说明此时隧道底部围岩发生了严重破坏。

(a)岩体不存在裂隙时，X方向位移 (b)岩体不存在裂隙时，Y方向位移

(c)岩体存在裂隙时，X方向位移 (d)岩体存在裂隙时，Y方向位移

溶洞中水压不断增加的过程中，围岩垂直方向上的位移变化较大。实际工程中应将隧道底部围岩在垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆，制定相应的预防处理措施，以避免事故的发生。

3 结论

(1)溶洞中水压力的作用改变了隧道与溶洞间岩体的应力分布，溶洞与隧道间的岩体逐渐产生裂纹，裂纹不断延展，最终致使隧道与充水溶洞发生贯通，造成底板突水。

(2)岩体中存在裂隙时，裂纹最先出现在应力集中的裂隙端部，并沿着裂隙近法向延伸，最终与隧道发生贯通。随着水压的增加，沿着裂隙方向萌生次生裂纹，次生裂纹继续延伸最终与隧道底板发生贯通。岩体中裂隙的存在加快了隧道围岩的破坏进程，并改变了裂纹的扩展路径。

(3)实际工程中应将隧道底部围岩垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆，制定相应的预防处理措施，以避免事故的发生。

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[10]唐春安，王述红，傅宇方.岩石破裂过程数值试验[M].北京：科学出版社，2002.

[11]杨天鸿，唐春安，许涛，等.岩石破裂过程的渗透特性[M].北京：科学出版社，2004.

Numerical Simulation on the Influences of Water Filling Cave on the Stability of Tunnel Surrounding Rock

CAO Jie1,2,3,4ZUO Yujun1,2,3,4LI Wei1,2,3,4YAN Linyan1,2,3,4LI Bingfeng1,2,3,4

(1.MiningCollege,GuizhouUniversityGuiyang550025)

To explore the water pressure effects on the stability of surrounding rocks in water filling cave, software RFPA2D-Flow (Two-dimensional Real Failure Process Analysis) is applied to conduct numerical studies on the surrounding rock failure of water filling caves under the bottom of the tunnel and also it is compared with that on surrounding rocks from tunnel of only fracture existed in rock mass. The results show that, with the increase of hydraulic pressure, cracks are gradually produced in the rock mass between cave and tunnel, extended and expanded, which finally leads a transfixion from tunnel to water filling cave, and directions of crack growth can be changed by original fracture exist in rock mass, which accelerates the failure process of the surrounding rock under the bottom of tunnel. In actual engineering, if there will be a significant increase of amount on displacement change in the vertical direction appear in the surrounding rock under the bottom of tunnel, it should be thought of as a sign of disaster, and protective measures also should be taken in case of major accidents.

water filling cave change of water pressure fracture numerical simulation failure process

国家“十二五”科技支撑项目课题(2012BAB08B06)，贵州省应用基础研究计划重大项目(JZ字[2014]2005)，贵州省自然科学研究重点项目(黔教科2010003)，贵州大学研究生创新基金(研理工2015068)。

曹洁，女，1990年生，贵州遵义人，硕士研究生，从事岩石力学及矿山灾害防治方面的研究。

2015-10-01)