富水断层带隧道突水突泥的临界判据

陈泽龙 崔江余 王军 杜涛 李迁

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.泛华建设集团有限公司，北京 100071）

富水断层带是隧道建设中导致突水突泥的主要灾害源，若能及时预判突水突泥时间，便可及时采取措施。文献［1-2］揭露了富水断层带突水突泥是渗流-侵蚀强耦合过程；文献［3］研究了地震波和电磁场遇到岩溶水体和不良地质体时前兆信号信息；文献［4］采用有限元法分析了隧道围岩应力和变形的变化规律；文献［5］分析了围岩渗流场、应力场和位移场的分布特性，探究了隧道穿越富水断层带的突水突泥机理；文献［6］研究了富水断层带对掌子面岩体位移和前方岩体松动圈的影响规律。文献［7］结合工程实例，研究了水文条件和地质构造因素对隧道仰拱处涌突水影响规律。文献［8］分析得到涌水突泥是由于隧道开挖产生大量新裂隙，围岩条件恶化与地下水发育相互作用的结果。

上述研究主要集中于富水断层带隧道突水突泥机理和超前预报技术，从多指标考虑突水突泥临界判据的研究较少。鉴于此，本文以和顺至邢台铁路天河山隧道为背景，采用数值模拟的方法综合分析隧道掌子面临近富水断层带过程中掌子面最大挤出变形、拱顶沉降、最大渗流速度和掌子面前方塑性区分布发展规律，探究富水断层带隧道突水突泥临界判据。

1 工程概况

天河山隧道起止里程D2K33+710—D2K45+405，隧道长度11 695 m，洞径5.96 m，为单线隧道。一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，水头高度0～300 m。

隧道穿越地层主要为第四系上更新统坡洪积粉质黏土和角砾土、震旦系下统串岭沟组砂岩和常州沟组砂岩。砂岩呈灰黄色、灰白色、灰紫色，不同时段岩质成分差别较大，多为硅质和钙质胶结，部分含泥质。砂岩有泥痕和泥裂，岩质坚硬，细粒～中粗粒结构，薄层～厚层状构造，节理较发育，单轴饱和抗压强度35 MPa，基本承载力1 200 kPa。

隧址区位于太行山区，蕴含丰富的地下水。地下水主要为岩溶裂隙水、构造裂隙水及砂岩层间水。岩溶裂隙水与砂岩层间水呈层状分布，通过构造带联通，形成补给和排泄关系。

2 数值模拟

2.1 基本假定和计算工况

基于FLAC 3D 流固耦合功能，采取弱化法模拟断层带。假定：①将各类岩土体视为各向同性的均质连续渗透介质；②隧道开挖前岩体内孔隙水为静止状，自由水面以下岩体均为饱和态，开挖后地下水流动服从达西定律，地下水渗流为稳定状态下的单相饱和流；③岩土体釆用Mohr-Coulomb 本构模型，满足弹塑性变形规律；④不考虑构造地应力，只考虑自重应力的影响，通过上覆土层自重模拟隧道埋深；⑤开挖方法仅按全断面加初期支护进行模拟。

分为无断层带和有断层带2 种工况，对比分析隧道突水突泥临界判据。

2.2 模型的建立与参数的选取

隧道断面形状根据《和邢施隧04-29：天河山隧道Ⅲa 型一般锚固段衬砌断面图》选取，断面高8.94 m，宽5.96 m。

隧道洞口上下左右各取5 倍洞径，则模型宽为80 m，高为100 m，隧顶距模型上表面45 m。在隧道长度方向，断层带前后围岩取20 m，断层带厚度20 m，隧道长度共60 m。断层带产状取90°，断层带与隧道轴线夹角取90°。数值分析模型见图1。

图1 数值分析模型

边界条件由位移、应力和水力边界条件组成。左右前后施加法向位移约束，下部施加三向位移约束，上部按上覆土自重施加竖向应力。初始孔隙水压力设为静水压力，呈梯度分布，隧顶水压3 MPa。计算模型上表面、掌子面和施作初期支护前的隧道表面为透水边界，其余为非透水边界。

计算参数依据《天河山隧道地质勘察报告》和TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［9］确定，见表1。砂岩按Ⅲ级围岩处理。

表1 计算参数

3 模拟结果分析

3.1 掌子面最大挤出变形

图2 掌子面最大挤出变形与开挖距离关系曲线

掌子面最大挤出变形与开挖距离的关系曲线见图2。可知：①无断层带工况，隧道在砂岩中开挖5～45 m 时掌子面最大挤出变形基本稳定在10.3 mm。开挖45～60 m时掌子面最大挤出变形呈减小-增大-减小趋势变化。②有断层带工况，开挖0～16 m 时掌子面最大挤出变形基本稳定在10 mm，随着开挖的进行，距断层带距离小于4 m 时掌子面最大挤出变形快速增大，最大达到600 mm。

3.2 掌子面处拱顶沉降

掌子面处拱顶沉降与开挖距离关系曲线见图3。

图3 掌子面处拱顶沉降与开挖距离关系曲线

由图3 可知：①无断层带工况，当隧道开挖0～5 m时掌子面处拱顶沉降速率快速减小；开挖5～55 m时掌子面处拱顶沉降速率稳定；开挖到55～60 m 时掌子面处拱顶沉降速率快速增大。②有断层带工况，隧道开挖小于16 m 时与无断层带工况一样，掌子面处拱顶沉降速率在隧道开挖一定距离后稳定在一定值。当掌子面距断层带小于4 m 时，随着开挖的进行掌子面拱顶沉降速率快速增大。

3.3 掌子面最大渗流速度

掌子面最大渗流速度与开挖距离关系曲线见图4。

图4 掌子面最大渗流速度与开挖距离关系曲线

由图4 可知：①无断层带工况随着隧道开挖距离增加，掌子面最大渗流速度先减小而后趋于稳定。开挖到45 m时掌子面最大渗流速度开始减小，50 m时快速减小。②有断层带工况隧道开挖距离小于16 m 时与无断层带时一样，掌子面最大渗流速度先减小而后趋于稳定。距断层带距离小于4 m 时，随着开挖的进行，掌子面最大渗流速度快速增大。

3.4 塑性区分布和发展

隧道开挖后围岩会发生应力重分布，部分区域围岩会进入塑性屈服阶段，形成塑性区。FLAC 3D 中塑性区有2 种破坏类型：①剪切破坏（shear failure），云图中显示为红色；②拉伸破坏（tension failure），云图中显示为紫色。无断层带工况不同开挖距离下围岩塑性区分布见图5。

由图5 可知：开挖1 m 时，掌子面前方塑性区延伸长度为2.5 m，掌子面前方塑性区由近到远依次为拉伸破坏和剪切破坏；开挖10，30 和50 m 时，掌子面前方塑性区延伸长度均为3.5 m，掌子面前方塑性区由近到远依次为拉伸破坏和剪切破坏。无断层带工况随着开挖距离增大，掌子面前方塑性区延伸长度稳定在一定值。

有断层带工况不同开挖距离下围岩塑性区分布见图6。可知：开挖1 m时掌子面前方塑性区延伸长度为4 m，塑性区主要为剪切破坏；开挖15.5 m（即掌子面距断层带4.5 m）时，断层带中开始出现塑性区，但掌子面前方塑性区未延伸到断层带；继续向前开挖0.5 m，此时掌子面距断层带4 m，掌子面前方塑性区和断层带塑性区临界贯通；继续向断层带开挖，断层带塑性区快速扩展。

综上所述，当隧道掌子面距断层带4 m 时，掌子面前方塑性区与断层带塑性区临界贯通，掌子面与断层带间围岩中的裂隙填充物加快流失，从而形成过水通道导致掌子面最大渗流速度突增，掌子面前方围岩加速劣化，最大挤出变形和拱顶沉降也突增，此时意味着突水突泥灾害即将发生。

图6 有断层带工况不同开挖距离下围岩塑性区分布

4 结语

1）有断层带工况，掌子面前方塑性区与断层带塑性区临界贯通时机与掌子面最大挤出变形、最大渗流速度、拱顶沉降速率由稳定到快速增大时机一致，皆在掌子面距断层带4 m（约0.5倍洞径）时。

2）工程设计时可通过数值计算，将掌子面前方塑性区与断层带塑性区临界贯通时机作为隧道突水突泥临界判据；现场施工时可辅以掌子面处拱顶沉降速率，综合确定隧道突水突泥时机。