岩溶区隧道隔水岩盘安全厚度预测

武世燕

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)， 陕西 西安 710043)

0 引言

随着我国西南地区铁路、公路和水利工程建设的发展，岩溶区深长隧道工程越来越多[1]。因在岩溶地区富水地段修建深长隧道的技术尚不成熟，且受岩溶发育的复杂性和隧道工程地质勘察工作的复杂性影响，工程设计期间往往无法准确预测对隧道影响较大的大型岩溶[2-5]。在隧道掘进过程中会破坏含水或潜在含水围岩，其内部的水流将冲进隧道施工场地，甚至会造成人员的伤亡和机械的损坏，从而造成严重的事故。例如： 在野三关隧道修建过程中，曾发生过涌水量为30.2×104m3/h的突水事故，导致4人死亡和1人失踪，经济损失巨大[6]。岩溶区隧道突水灾害危害大，对岩溶区隧道突水灾害的针对性防控措施进行研究非常有必要。

在岩溶区域修建隧道时，当施工揭露或即将揭露岩溶含水构造时，扰动作用下受阻隔水岩盘会发生突发性破坏，积蓄的大量能量会突然释放，致使岩溶水及填充物涌入隧道空间发生大规模突水事故[7]。其中，突水和涌水多发生于风化破碎带、节理裂隙密集带[8-10]。而在隧道岩溶涌水突水段，研究隔水岩盘的临界值是降低突涌水灾害的重要途径，安全岩盘厚度是制定预防隧道突涌水灾害措施的重要技术参数。在岩溶隧道前方遇到富水溶腔时，预测或计算施工安全最短距离[11-13]，以便当开挖至与溶洞距离小于安全距离时及时停止掘进，并进行超前支护或预处理手段[14-15]，对岩溶隧道安全施工具有重要意义。Zhang等[16]根据岩溶发育特点和地质勘察资料提出一种岩溶区隧道突水的风险评估模型； 武鑫等[17]运用层次分析-模糊综合评价法对岩溶塌陷易发程度进行评价，这种评价方法使岩溶塌陷的风险评估从定性化过渡到定量化； 李利平等[18]、毛邦燕等[19]、Li等[20]基于小波分析和模糊数学理论分别提出了不同岩溶隧道突水的风险评估体系； Zhou等[21]根据灰色理论构建了岩溶区隧道突水风险评价模型； Wang等[22]、周宗青等[23]、李术才等[24]、Li等[25]分别通过隧道突水案例归纳了影响岩溶区隧道突水的主要因素，并建立了岩溶隧道突水风险评估体系； Alija等[26]根据西班牙岩溶区的Gavarres隧道施工过程，总结了岩溶区隧道施工遇到的问题和处理方法。

关于隧道与溶洞安全距离问题： 曹茜[27]采用正交设计方案对隧道与溶洞安全距离进行了研究，得到围岩级别、岩体侧压力系数、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深对安全距离的影响程度及规律； 郭佳奇[28]基于岩体抗剪、抗弯强度准则，构建了岩层最小防突厚度计算方法； 舒佳军等[29]研究了前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度，提出含节理隧道掌子面最小防突层厚度计算方法； 干昆蓉等[30]针对具体工程，在分析安全岩盘厚度影响因素的基础上，提出了安全岩盘厚度经验值； 李涛等[2]采用基于连续-非连续数值计算方法的高性能软件GDEM-DAS开展三维数值模拟研究,通过分析掌子面的位移演化规律，获得不同水压下隔水岩体的安全厚度； 雷霆等[31]利用数值软件进行三维隧道开挖模拟,分析了顶部溶洞与隧道掌子面附近围岩塑性区的发展趋势,以及不同溶洞水压下隧道的安全厚度。

关于隧道与溶洞隔水岩盘安全距离研究已取得显著进展，但前期研究多将溶洞进行了简化处理，有的忽视了不同围岩级别的差异性影响[32-35]。可见，确定合理化的隧道与溶洞安全距离，应综合考虑岩体级别、溶腔水压力、溶腔尺寸对隔水岩盘的影响，并需基于经济性考量其最优隔水岩盘厚度。据此，本文围绕深长岩溶隧道存在的突涌水灾害，开展最优隔水岩盘厚度预测分析。首先，针对含水溶腔溶洞的能量储存、地下水改造作用与含水围岩的能量释放和施工扰动的触发，分析岩溶区隧道突涌水形成机制，获得影响隔水岩盘设计厚度的控制指标； 随后，针对深长岩溶隧道特殊赋存地质环境，开展溶洞溶腔和隧道空间关系系统归纳，并以岩溶溶腔与隧道正交位置关系为例，采用PLAXIS 3D有限元软件分析隧道围岩级别、溶腔水压力、溶腔尺寸对隔水岩盘设计厚度的影响规律； 最后，推导出不考虑溶腔体积和考虑溶腔体积2种情况下的隔水岩盘最优设计厚度表达式。

1 岩溶区隧道突涌水形成机制

1.1 含水溶腔溶洞的能量储存

溶腔溶洞中常可形成水压高、水量大的地下水体，这些水体可能与地表河、湖等相连。岩体中储存的大量地下水除了静水压力较高外，其他应力的综合作用也会使岩体储存较大的能量。在岩溶区隧道开挖过程中必然释放应力，引起地下水向隧道内涌入从而形成突涌水，其中大量的泥、砂或碎块将通过这些通道一起涌入隧道内。在岩溶区隧道隔水岩盘设计时，需要密切监测溶腔溶洞中的能量储存状况。

1.2 地下水改造作用与含水围岩的能量释放

虽然溶腔溶洞中储存了大量能量，但隧道突涌水是否发生，主要取决于水压及相对隔水层的厚度。静水压力与动水压力对隔水岩盘改造作用如图1所示。静水压力与动水压力都能使岩体发生水力劈裂，从而增加渗透能力。动水压力还能使裂隙面上的充填物发生变形和位移，导致裂隙或裂纹的连通性增强，造成更大灾害。

(a) 静水压力(无渗流) (b) 动水压力(渗流)

不同类型围岩被涌水突破所需的最小突水量差别较大。完整并且厚度大的岩体可以承受较大水压；而破碎和薄层岩体可以承受的水压力相对要小很多，抗突水和涌水的能力较低。不同类型围岩对应的隔水岩层厚度存在差异。

1.3 施工扰动的触发

隧道开挖施工不可避免地会扰动地下岩土体，解除了掌子面的侧向压力，使溶腔与隧道围岩失去原有的平衡状态，并向新的平衡状态转化，围岩的应力调整使岩体达到极限承载能力后便发生屈服。

开挖隧道周围所形成的塑性区和岩溶管道周围的塑性区相互贯通是岩溶突水突泥的必要条件。当2个塑性区连通并产生一定的位移量时必然会造成突水灾害，这是岩溶隧道施工诱发突水以及灾难性后果的根本原因。隧道向溶腔方向掘进时围岩塑性区变化如图2所示。

(a) 第1阶段 (b) 第2阶段

(c) 破坏前 (d) 破坏后

总体而言，深长岩溶隧道突涌水灾害与隧道周边围岩级别、溶洞溶腔内水压力大小、溶腔尺寸密切相关，此外还应受到施工扰动的触发。

2 溶洞溶腔与隧道空间关系

岩溶本身的发育是不规则的，但根据岩溶溶腔(溶洞)与隧道在空间分布的主要位置关系，可总体概括为溶腔与洞轴线正交、斜交和平行3类，如图3所示。岩溶隧道最小岩盘厚度与空间关系密切相关。

(a) 溶腔与隧道轴线正交

1)正交模式。隧道掘进方向与岩溶溶腔(溶洞)呈近似垂直，隧道掘进过程产生扰动裂隙，其对应的最小隔水岩盘厚度是指计算获得的隔水岩盘厚度减去施工扰动产生的纵向裂隙区范围(近似取掌子面前方塑性区范围)后的完整岩层厚度值。此外，还需要充分考虑岩溶溶腔(溶洞)内水压力值，以及由此产生的渗透压力。该模式对应的隔水岩盘厚度要求最大，相应安全等级最高。

2)斜交模式。隧道掘进方向与岩溶溶腔(溶洞)的整体形态呈斜交分布，且隧道后期掘进距离岩溶溶腔(溶洞)越来越近；同样，隧道掘进产生扰动裂隙，但因与岩溶溶腔(溶洞)未垂直，确定该最小隔水岩盘厚度需以距离掌子面最薄岩盘为标准，并减去该断面上扰动裂隙区厚度。岩溶溶腔(溶洞)内水压力及对应的渗透压力也是确定隔水岩盘厚度必须要考虑的因素。

3)平行模式。隧道掘进方向与岩溶溶腔(溶洞)的走向大体呈平行分布，隧道后期掘进不会与岩溶溶腔(溶洞)贯通。在确定该最小隔水岩盘厚度时，需减去施工扰动产生的环向裂隙发育范围，可近似取隧道洞周塑性区范围。岩溶溶腔(溶洞)内水压力及对应渗透压力也必须要考虑，但该模式对应的隔水岩盘厚度相对固定，处理手段相对常规。

3 隔水岩盘设计厚度控制指标分析

针对岩溶溶腔(溶洞)与隧道在空间分布的3种位置关系，以危险等级最高的正交模式为例，开展影响隔水岩盘设计厚度的控制指标数值分析。

3.1 岩体级别对隔水岩盘厚度影响

基于现场地应力测试得到岩体初始地应力如下： 水平向2.5 MPa，竖直向5 MPa，各级围岩岩体力学参数参考GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》。本文提出的模型属于反映其不同围岩级别的概化模型，主要用于获得不同围岩级别下的最小隔水岩盘厚度。隧道尺寸依据现场实测获得，溶腔最大尺寸为隧道3倍跨度，并将溶腔形态简化为立方体，水压力均匀施加于溶腔内表面。关于激活及钝化问题，依据常规的隧道开挖数值模拟处理方法，即开挖后采用Null单元体替代。针对不同岩性，设计正交3种工况。不同围岩级别下隔水岩盘安全厚度计算工况如表1所示。溶腔水压1.0 MPa条件下不同围岩级别对应的最小隔水岩盘厚度如图4所示。溶腔水压3.0 MPa条件下不同围岩级别对应的最小隔水岩盘厚度如图5所示。

表1 不同围岩级别下隔水岩盘安全厚度计算工况

不同围岩级别下的隔水岩盘安全厚度如表2所示。

由图4、图5及表2可知：

1)随着岩体质量的降低，临界隔水岩盘厚度逐步增大，其破坏形式逐渐由张拉破坏变为剪切、张拉破坏，且隔水岩盘的屈服比例逐渐增大。同时，临界隔水岩盘的最大位移点位于断面中心处，沿水平方向，且与掘进方向相反；岩盘临界失稳时，最大位移量为2～5 mm，位移方向为开挖区域方向。

2)溶腔水压不同时(1.0 MPa和3.0 MPa)，临界失稳隔水岩盘屈服形态类似，且最大位移量差别不大； 但在水压较高情况下，隔水岩盘临界失稳时塑性区范围略大。

3)在其他参数相同的条件下，随着岩体级别的降低，隔水岩盘的安全厚度大致呈指数函数形态增长，且溶腔水压力较大时，增长速率较高； 但当岩体强度增大时，安全岩盘厚度呈幂函数形态减小。

(a) Ⅱ级围岩(Dmin=2 m)

(b) Ⅲ级围岩(Dmin=2 m)

(c) Ⅳ级围岩(Dmin=3 m)

3.2 溶腔水压力对隔水岩盘厚度影响

溶腔水压力的大小也是影响隔水岩盘厚度的重要参数，分别取不同工况对溶腔水压下的安全岩盘厚度进行分析。不同溶腔水压下隔水岩盘安全厚度计算工况如表3所示，详细计算结果如图6和图7所示。其中，在溶腔水压为5 MPa时，Ⅳ级围岩最小隔水岩盘厚度过大，因而未进行对比考虑。

(a) Ⅱ级围岩(Dmin=3 m)

(b) Ⅲ级围岩(Dmin=3 m)

(c) Ⅳ级围岩(Dmin=8 m)

取岩体初始地应力如下： 水平向2.5 MPa，竖直向5 MPa； 仅考虑Ⅱ级、Ⅳ级围岩，且溶腔最大尺寸取隧道3倍跨度左右。其中，溶腔水压1.0 MPa对应的最小隔水岩盘厚度如图4(a)Ⅱ级围岩及图4(c)Ⅳ级围岩所示，在此不赘述。

表2 不同围岩级别下隔水岩盘安全厚度

表3 不同溶腔水压下隔水岩盘安全厚度计算工况

(a) Ⅱ级围岩3 MPa(Dmin=3 m)

(b) Ⅱ级围岩5 MPa(Dmin=5 m)

Ⅳ级围岩3 MPa(Dmin=8 m)

不同溶腔水压条件下的隔水岩盘安全厚度如表4所示。

表4 不同溶腔水压条件下隔水岩盘安全厚度

由图6、图7及表4可知：

1)与掌子面前方无大型富水溶腔情况相比，存在溶腔时隔水岩盘的屈服状态都以拉、剪破坏为主，有溶腔时隔水岩盘最大位移略小，主要原因是由于有溶腔时岩体水平向地应力小于无溶腔时的岩体水平地应力。

2)在其他参数相同的条件下，随着溶腔水压的增大，隔水岩盘安全厚度大致呈指数函数形态增长，且岩体质量较差时，安全岩盘厚度增长速率较高。

3.3 溶腔尺寸对隔水岩盘厚度影响

溶腔大小对隧道围岩的应力场状态存在一定的影响，可能进一步影响隔水岩盘安全厚度。分别取不同工况对溶腔体积下的安全岩盘厚度进行分析。溶腔尺寸对临界安全岩盘厚度计算工况如表5所示，详细计算结果如图8所示。

取岩体初始地应力如下： 水平向2.5 MPa，竖直向5 MPa； Ⅱ级围岩岩体力学参数同上； 溶腔水压力为1 MPa，单线铁路隧道的高度为11 m、跨度为7.6 m。

不同溶腔尺寸下的隔水岩盘安全厚度如表6所示。

由图8及表6可知：

1)当溶腔体积增大至溶腔断面高跨为隧道5倍以前，隔水岩盘安全厚度一致，且其屈服状态由拉剪破坏变为单纯的张拉破坏，而随着溶腔体积的继续增大，隔水岩盘安全厚度也随之增大，其屈服状态变为剪切破坏。

表5 溶腔尺寸对临界安全岩盘厚度计算工况

2)在其他参数相同的条件下，随着富水溶腔体积的增大，隔水岩盘的安全厚度有所增长，但规律性不强，说明溶腔体积对岩盘安全厚度的影响相对较小。

3)溶腔体积变化时，主要通过其空间效应引起隧道围岩应力和变形情况的变化，但当其变化范围有限时，对隧道围岩的影响能力变化不大，因此与岩体级别和溶腔水压相比，溶腔体积对隔水岩盘安全厚度的影响较小。

4 隔水岩盘最优设计厚度确定

4.1 隔水岩盘最优设计厚度理论

通过对不同工况下岩溶隧道最小隔水岩盘进行对比分析，研究了隔水岩盘厚度控制因素。为更方便地对隔水岩盘安全厚度进行预测，对以上模拟工况计算结果进行回归分析。现分别选取岩体单轴抗压强度、溶腔水压力、溶腔与每延米隧道体积比为主要参量，对隔水岩盘安全厚度回归进行分析，回归数据如表7所示。回归分析过程中对回归变量进行量纲一化，令：

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：s为比值；σmc为岩体的抗压强度，MPa；p为溶腔水压，MPa；c为岩体黏聚力，MPa;φ为内摩擦角，(°)；V溶腔、V隧道分别为溶腔体积及每延米隧道体积，m3；v为溶腔体积比。

考虑溶腔体积相对较小时，对隔水岩盘安全厚度影响较小，故分为不考虑溶腔体积影响和考虑溶腔体积影响2种情况进行分析。

4.1.1 不考虑溶腔体积影响

当溶腔体积相对较小时，不考虑溶腔的影响，对统计数据进行对数回归。ln (σmc/p)与lnh统计如图9所示。可得到隔水岩盘安全厚度

(4)

式中4为经验系数，m。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

(e) 工况5

表6 溶腔尺寸对临界安全岩盘厚度计算结果

当溶腔与隧道轴线大角度斜交时，可根据实际情况对式(4)进行修正，得到

(5)

式中k为修正系数，建议取0.5～1。

4.1.2 考虑溶腔体积影响

当溶腔体积较大时，宜考虑溶腔对隔水岩盘厚度的影响，回归得到

(6)

式中2.8为经验系数，m。

当溶腔与隧道轴线大角度斜交时，可根据实际情况对式(6)进行修正，得到

(7)

根据式(5)和式(7)可以得出：v小于86.35时，不考虑溶腔体积影响;v大于86.35时，考虑溶腔体积影响。

该公式回归数据难以涵盖所有的工况，其适用范围如下： 岩体级别为Ⅱ—Ⅳ级，水压为0.5～5 MPa，溶腔与隧道轴线近似正交，且溶腔断面大于等于隧道断面。

4.2 圆梁山隧道隔水岩盘最优设计厚度验证

采用不同的安全岩盘厚度计算方法，与圆梁山隧道DK354+460溶腔情况进行对比，圆梁山隧道在下导坑DK354+460采用风钻钻孔时，由钻孔内射出高压水，射程约30 m，水呈铁锈色，含大量泥砂，于是立即停止施工，施作C20混凝土止浆墙。随后，采用地质钻机进行超前探孔，当探孔钻至4 m时，又发生突发性涌水喷砂，涌水喷砂将钻杆冲出8 m，瞬时涌水量达到860 m3/h，该现象持续6 h后基本稳定，涌水量减少到40 m3/h，该次涌砂量约1 300 m3。据此，判定前方存在大型高压溶洞，下导坑施工中采取了注浆加固方案。经测量，该溶腔水压达2.73 MPa。

表7 不同工况下隔水岩盘安全厚度数据

对安全岩盘厚度进行计算及进行工程验证。由于缺乏圆梁山隧道DK354+460围岩级别及其力学参数，在不同的围岩级别下取不同的物理力学参数，估算确定隧道围岩的安全岩盘厚度，具体计算结果如表8所示。可以看出： 由式(4)得到的岩盘厚度为1.2 m(Ⅲ级围岩)、5.9 m(Ⅳ级围岩)； 由式(6)得到的岩盘厚度为6.2 m(Ⅲ级围岩)、14.1 m(Ⅳ级围岩)； 由式(7)得到的岩盘厚度为3.3 m(Ⅲ级围岩)、5.1 m(Ⅳ级围岩)。在圆梁山隧道的施工中，预留隔水岩盘厚度为4 m。在未扰动岩体时，未出现涌水。可见，4 m的预留隔水岩盘厚度为其临界值，由上述公式计算得到的安全厚度值相对合理。

5 结论与讨论

1)针对含水溶腔溶洞的能量储存、地下水改造作用与含水围岩的能量释放和施工扰动的触发，分析了岩溶区隧道突涌水形成机制。

2)最小岩盘厚度与溶洞溶腔及隧道空间关系密切相关，将溶洞溶腔与隧道空间关系概括为溶腔与隧道轴线正交、斜交和平行3类，其中正交模式对应的隔水岩盘厚度要求最大，相应安全等级最高。

3)以溶腔与隧道轴线正交模式为例，采用数值模拟方法，分析了隧道围岩级别、溶腔水压力、溶腔尺寸对隔水岩盘设计厚度的影响规律。

表8 圆梁山隧道DK354+460断面安全岩盘厚度计算结果

4)基于控制指标影响作用规律，推导出不考虑溶腔体积和考虑溶腔体积2种情况下的隔水岩盘最优设计厚度表达式，利用本文公式对圆梁山隧道DK354+460溶腔情况进行计算对比，结果表明安全厚度值相对合理，预测的岩溶区隧道隔水岩盘安全厚度可以作为参考。