富水岩溶隧道涌、积、排水过程结构稳定性分析

李芒原

摘 要：以华丽高速控制性工程营盘山隧道2#斜井工区主洞涌积水为工程背景，运用数值模拟方法研究隧道涌水前后、不同积水时间及分阶段排水过程中隧道围岩稳定性特征。结果表明：涌、积、排水各阶段中积水阶段围岩稳定性最优;隧道积水时长对围岩和初支稳定性影响较小;斜井与主洞交叉连接处围岩所受压应力以及变形值在涌水发生后至排水完成期间均为隧道各处最大;排水后隧道稳定性明显降低，围岩塑性应变值增加显著，约比排水前增加385%。

关键词：富水隧道;岩溶涌水;隧道积水;围岩强度变化

中图分类号：U459.2       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0169-12

我国西南地区地形以山区、丘陵为主，地质复杂且区内断裂和褶皱构造频现、新构造运动活跃，造成地表及地下岩溶发育强烈，在此区域修建隧道岩溶涌水问题突出，成为困扰隧道建设的主要难题。

西南地区隧道建设过程中由于岩溶涌水问题导致的事故颇多。据统计，成昆铁路415座隧道施工期间有93.5%的隧道发生了不同程度的涌水或突水灾害，其中涌水量超过10 000 m3/d的有8座;宜万铁路发生了多次岩溶突水事故，其中马鹿箐隧道暗河突水造成11人死亡;野三关隧道发生岩溶突水事故，造成52人被淹，10人遇难;广安—重庆高速公路华蓥山隧道（长4.7 km）施工时遇到特大规模的涌突水，其最大涌突水达7.95 m3/s[1-2]。隧道岩溶涌突水灾害轻则延误工期，重则危害施工人员生命安全，并且可能导致环境负效应。因此，对岩溶隧道涌水问题的研究近些年也成为热点之一。在岩溶地区涌突水原因方面，有学者根据地质结构类型不同划分了涌突水灾害赋存的地质体，研究表明：裂隙、断层、地下河、溶洞等发育区段易诱发隧道施工过程中重大的涌突水灾害[3-4];通过对岩溶区隧道涌水进行研究后得出，涌水地质条件（即灾害源）分为断层破碎带、向斜盆地储水构造、岩溶含水体、不整合面和侵入接触面以及其他含水构造、含水体6种[5]。鉴于此，隧道穿越断层地带和溶洞存在是造成隧道岩溶涌水的主要原因。而涌水事故发生后是否会对隧道围岩及结构造成破坏，众多学者从岩溶地带水岩作用机理出发做了相关研究， 结果表明：岩石饱水过程中微观结构的改变是其遇水软化后力学性状劣化的主要原因[6-7]。通过单轴试验研究了饱水度对印度石膏岩峰值强度和弹性模量的影响[8]。对干燥和饱水状态下的红砂岩进行压缩试验的结果表明：孔隙水对红砂岩力学性能有较大影响[9]。此外，对岩石浸水后力学特性研究表明：岩石在浸水后其力学性能会表现出下降趋势[10～14]。

对于岩溶地区隧道涌水问题的研究，涌水成因和地质条件密不可分，涌水后隧道稳定性的研究侧重于单一条件下围岩力学特性的变化，而对隧道涌、積、排水全过程下隧道稳定性的影响和浸水时长对围岩的整体稳定性研究却相对较少。

本文依托华丽高速某隧道项目，对隧道涌排水前后进行建模分析，从围岩、初支应力及围岩位移、塑性区分布变化规律研究斜井及主洞涌水前后、积水时期、围岩长时间浸泡、分阶段降水时隧道围岩的稳定性。

1 研究背景

某隧道位于云南省丽江市华坪县境内，隧道所处地质区域为岩溶发育地区，区域内围岩类型主要为微风化白云岩，围岩节理裂隙发育，岩质较硬，岩体较破碎，围岩自稳能力较差。经过三维地质探测得出隧道线路上方存在多个富水溶腔和破碎松散区。隧道全长11.28 km，起讫里程K18+580至K29+890，最大埋深883 m。隧道为左右两线施工，分进口、出口、1#斜井、2#斜井4个工区，2#斜井分为排风井与送风井，其中排风井已施作完成。2#斜井排风井进主洞后在ZK26+188处发生岩溶涌突水事故，主洞及2#斜井排风井被淹，涌水发生后，排风井洞口流水量维持在1 500 m3/h左右。斜井及转主洞洞内存水约26万m3，隧道内存水量巨大。隧道ZK26+188掌子面涌水、突泥情况如图1所示。本文研究范围为左线主洞进口端和2#斜井排风井部分。

截止到左线主洞掌子面涌水突泥灾害发生时，营盘山隧道2#斜井转主洞进口端左线已开挖施工505 m，剩余1 951 m，右线已开挖施工400 m，剩余2 011 m。出口端主洞施工开挖掌子面距斜井存水区域长度为左线624 m，右线665 m。2#斜井工区具体施工现状如图2所示。

2 数值分析模型

采用有限元软件MIDAS GTS NX程序建立营盘山隧道左线主洞ZK26+188涌水位置及排风井（送风井未与主洞贯通）涌水后积水段三维地层结构模型。由图2可知，隧道发生涌水时斜井及主洞大部分已开挖段未及时施作二衬，因此建模时只考虑初支，不考虑二衬。

模型尺寸为300 m×300 m×100 m，隧道埋深200 m，模型中主洞长50 m;斜井长332 m，宽8 m，高6.40 m，斜井高差40 m，斜井与正洞交叉处采用20 m长平坡。隧道围岩用实体单元模拟，采用莫尔-库伦本构模型。初支用弹性板单元模拟。斜井进洞方向与左线主洞ZK26+188开挖方向在X、Y平面投影角度为50°，斜井为直墙式隧道断面，斜井与主洞连接处为正交连接。主洞与斜井均采用全断面法开挖，三维计算模型及网格划分如图3所示。

2.1 边界条件

2.1.1 位移边界

模型顶部距主洞拱顶48.2 m，其余埋深以围岩自重均布压力形式施加在模型顶面。在模型前、后、左、右、下边界施加法向位移约束，模型上边界为自由边界。

2.1.2 渗流边界

模型顶面不考虑因斜井及主洞开挖导致地下水位下降等问题，模型四周及底面设置不透水边界。主洞仰拱处压力水头为150 m，主洞及斜井泡水后，主洞仰拱处水压力为1.5 MPa;洞内水压由主洞仰拱处向斜井洞口处沿竖直方向线性递减。gzslib202204012322

2.2 物理力学参数

根据某隧道工程地质勘察资料，2#斜井工区围岩级别为Ⅳ级，初支采用C25素混凝土。具体计算参数如表1所示。

某隧道2#斜井工区主洞涌水突泥后，整个主洞及斜井均处于积水状态，洞内积水在高水压作用下沿初支裂缝向初支背后围岩渗透，围岩进入浸泡状态。隧道从洞内积水至排水作业完成时间较长。围岩力学参数随浸水时间长短而变化，夏冬以大水矿山为工程背景，根据广义Hoek-Brown准则对工程现场所取灰岩岩样进行不同浸水时间力学损伤试验并对岩体损伤参数进行估算，得到不同浸水时间岩石各项力学参数值，见表2[15]。

对表2中围岩各项力学参数进行拟合，并根据拟合曲线计算出泡水120 d及泡水150 d围岩各项力学参数，结果如图4所示。本研究通过与大水矿山灰岩进行类比分析，得出某隧址区不同浸水时间下的围岩力学参数，具体结果见表3。

4.1 围岩主应力分析

隧道涌水前、后及排水后围岩最大主应力分布如图5所示。

由图5可知，在隧道涌水前、后和排水后，隧道围岩所受最大压应力均在斜井与主洞交叉连接部位拱腰处，最大压应力分别为14.05、12.71和14.19 MPa。隧道内发生涌水后，洞内积水产生的内水压力抵消部分围岩所受压应力，使围岩所受压应力降低。隧道排水之后，洞内积水減少，洞内水压力减小，围岩所受压应力增加，其最大压应力值相比隧道涌水前增加了约1%。

4.2 初支主应力分析

隧道涌水前、后及排水后主洞、斜井、斜井与主洞交叉连接处初支最大主应力分布情况，如图6所示。

由图6可看知，隧道内涌水前后初支所受最大压应力部位由拱腰处变为仰拱处;涌水前斜井与主洞交叉连接处最大压应力值约为32.7 MPa，已超过C25混凝土标准抗压强度。涌水后初支各处所受压应力均大幅下降，以主洞拱腰处为例，由涌水前19 MPa降低到4.5 MPa左右。隧道内排水后，初支各处所受压应力猛然增加，为未涌水前2～3倍。

4.3 隧道洞周位移分析

隧道涌、积、排水前后围岩竖向位移变化如图7所示。

由图7可看出，隧道涌水前、后和排水后隧道内拱顶围岩沉降最大值均位于斜井与主洞交叉连接处，涌水前、后和排水后最大沉降值分别为4.85 cm、4.47 cm、5.24 cm。其中排水后隧道拱顶沉降值较涌水前、后增加明显，最大沉降值较涌水前增长7.4%。隧道涌水前后最大隆起均位于斜井与主洞交叉连接处仰拱，最大隆起值分别为3.75 cm、3.45 cm，排水后最大隆起位于斜井处底板，最大隆起值为8.65 cm，较涌水之前显著增加，增加值约为131%。

因主洞与斜井开挖方向不一致，故选取主洞拱腰、斜井与主洞交叉连接处拱腰、斜井边墙提取涌水前、后和排水后各自水平位移。隧道各断面拱腰水平位移监测点布置如图8所示，各监测点水平位移如图9所示。

由图9可以看出，涌水前、后和排水后各监测点水平位移最大处均为斜井与主洞交叉连接处拱腰，水平位移最小处均为正洞拱腰。涌水后各监测点水平位移较涌水前均降低0.2 cm左右，排水后各点水平位移值均高于涌水前，其中斜井边墙监测点增幅最大，约为10%。

4.4 掌子面纵向位移分析

主洞掌子面在涌、积、排水过程中纵向位移如图10所示。

由图10可看出，主洞掌子面在隧道涌水、积水、排水过程中掌子面中心为纵向位移最大处。涌水前掌子面中心纵向位移为13.61 cm，涌水后为13.05 cm，比涌水前位移降低4.11%，排水后掌子面中心纵向位移急剧增加，增至64.74 cm，比隧道内涌水灾害发生前增加375.74%。

4.5 围岩塑性区分析

隧道涌水前、涌水后、排水后3个阶段围岩塑性区分布如图11所示。

由图11可看出，隧道涌水前、后和排水后围岩塑性区主要分布于主洞及掌子面、斜井与主洞交叉连接及斜井各处。围岩产生塑性形变在开挖支护过程中已完成，隧道内发生涌水灾害，洞内水压虽能降低围岩形变量，但塑性变形是一种不可恢复变形，故涌水前后围岩塑性应变区域及最大塑性应变值相差不大。排水前、后最大塑性应变均位于主洞掌子面中心处，最大塑性应变值分别为0.029 9和0.145，排水后塑性应变变化明显，应变值较排水前增加约385%。

5 浸泡时间对隧道围岩稳定性影响分析

隧道内积水时间不同，隧道稳定性亦有所不同。选取隧道内积水1、7、14、30、60、90、120、150 d共8种工况隧道浸水后物理力学参数值进行模拟，研究隧道内涌水灾害发生后浸水不同时间对隧道稳定性的影响。

5.1 围岩主应力分析

选取积水30 d及积水150 d围岩主应力进行分析，积水30 d和积水150 d围岩主应力分布如图12所示。

由图12可看出，围岩所受最大压应力位于斜井与主洞交叉连接拱腰处。围岩所受压应力随浸泡时间的增加而增加，但由于洞内水压力作用，积水期间围岩压应力值增幅较小，积水150 d时围岩最大压应力为12.88 MPa，涌水发生时围岩最大压应力为12.71 MPa，浸水期间围岩压应力增幅仅为1.34%。

主洞掌子面后4 m及斜井距主洞4 m两处隧道断面的拱顶、拱脚、边墙、墙脚及仰拱5处压应力与积水时间关系如图13所示。

由图13可看出，隧道积水过程中，主洞拱腰处与斜井边墙处压应力为各自断面压应力最大值，均在10 MPa左右。隧道围岩长时间处于积水环境下围岩各位置压应力虽缓慢增加但总体增量较小，以正洞拱腰处围岩为例，隧道内积水1 d时，其压应力值为9.86 MPa;积水达到150 d后，压应力值为9.87 MPa，增长不足1%。隧道围岩在积水时间达到60 d后其物理力学参数变化趋于稳定，围岩所受压应力在积水60 d后也基本保持不变。gzslib202204012322

5.2 初支主应力分析

选取积水30 d及积水150 d初支主应力进行分析，积水30 d和积水150 d初支主应力分布如图14所示。

由图14可看出，积水时期初支所受压应力最大处位于斜井仰拱处，积水30 d和150 d时初支所受最大压应力分别为15.55、16.17 MPa，初支所受压应力增加约4%。  主洞掌子面后4 m及斜井距主洞4 m两处隧道断面的拱顶、拱脚、边墙、墙脚及仰拱5处初支主应力与积水时间关系如图15所示。

由图15可看出，积水过程中斜井断面各处初支所受压应力均高于主洞对应位置，主洞和斜井各断面初支所受最大压应力分别在拱腰和仰拱处。随着积水时间的增加，初支所受压应力增加，且增长速率大于围岩压应力增长速率。涌水时间由60 d增加到150 d，初支所受压应力增加缓慢，初支逐渐稳定。

5.3 隧道洞周位移分析

选取积水30 d及积水150 d围岩竖向位移进行分析，积水30 d和积水150 d围岩竖向位移如图16所示。

由图16可看出，积水过程中，隧道内各段拱顶最大沉降量及仰拱最大隆起量增加不大，从积水灾害发生1 d至积水时间达到150 d，最大沉降增量及最大隆起增量皆不足1 mm。可见初支及隧道内水压起到支撑作用，使围岩强度降低对竖向位移量影响较小。

选取隧道积水期间正洞、斜井与正洞交叉连接处、斜井3个断面的拱顶及仰拱6处位置进行竖向位移分析，如图17所示。

由图17可看出，积水过程隧道围岩各处竖向位移逐渐增大。隧道积水期间，隧道各断面拱顶沉降值大于仰拱隆起值，且正洞与斜井交叉连接处竖向位移大于斜井及正洞竖向位移。

对正洞拱腰，斜井与正洞交叉连接处拱腰及斜井边墙围岩进行水平位移分析，如图18所示。

由图18可看出，隧道围岩水平位移值在隧道积水时间段内逐渐增加，但增量较小，隧道内积水达150 d时，围岩水平位移较隧道积水1 d时增加1 mm左右，可见初支及隧道内水压对围岩水平位移起到了控制作用。

5.4 掌子面纵向位移分析

选取左洞ZK26+188涌水段掌子面不同积水时段纵向位移进行分析，如图19所示。

由图19可看出，掌子面纵向位移随积水时间增加而增加，但总体位移变化不足0.4 mm。隧道内积水达到60 d以后，围岩基本处于稳定状态。

5.5 围岩塑性区分析

积水30 d、积水150 d围岩塑性区分布如图20所示。

由图20可看出，围岩塑性区分布及最大塑性应变值基本不随积水天数改变，最大塑性应变部位位于主洞掌子面处，最大塑性应变值为0.029 6;其次为斜井与主洞交叉连接拱腰处。围岩处于长时间浸泡环境下强度虽有所降低，但在初支及洞内水压作用下塑性变形仍维持在隧道涌水后状态。

6 采用分阶段排水对隧道稳定性影响分析

隧道选择分阶段排水方案。隧道未排水时斜井水位达150 m，参照营盘山隧道实际降水方案，模拟斜井水位降至104、80、30 m及排水作业完成4种工况，如表4所示。

6.1 围岩主应力分析

不同降水阶段围岩最大主应力分布如图21所示。

由图21可看出，采用分阶段排水方式后，各阶段围岩所受最大压应力均在斜井与主洞交叉连接处拱腰部位。隧道降水至104、80、30和0 m水位围岩所受最大压应力分别为13.12、13.32、13.74和14.19 MPa。斜井水位从150 m降到104、80 m，围岩压应力增幅均为1.6%左右，水位从80 m降至30、0 m，围岩压应力增幅均为3.2%左右。随着隧道内水位降低，围岩所受压应力逐渐增大且压应力增幅也增大。

6.2 初支主应力分析

各降水阶段初支最大应力分布如图22所示。

由图22可看出，在各排水阶段，初支压应力在斜井与正洞交叉连接拱腰处及斜井平底板处表现突出。隧道水位降至104、80、30、0 m时，初支所受最大压应力分别为21.44 、30.55、49.35、68.65 MPa，随隧道内水位降低，初支所受压应力逐渐增大。

6.3 隧道洞周位移分析

不同排水阶段围岩竖向位移如图23所示。

由图23可看出，随着隧道内水位降低，拱顶沉降量随之增大，最大沉降位置位于正洞与斜井交叉连接部位拱顶处。水位降至104、80、30 m时，最大拱顶沉降量分别为4.68、4.75、4.89 cm，排水作业完成后，最大拱顶沉降量为5.24 cm。隧道内仰拱隆起量同样随水位降低而增大，水位降低至104、80、30 m时，最大仰拱隆起量分别为3.51、3.56、3.65 cm，最大隆起位置位于主洞与斜井交叉连接部位仰拱处;排水作业完成后斜井仰拱最大隆起量增至8.65 cm。在各降水阶段，拱顶沉降量呈均勻增加趋势;而仰拱隆起量在从30 m水位降至0 m时大幅增加，约为从104 m水位降至30 m水位仰拱隆起增量的35倍。因此，排水后应注意仰拱隆起风险。

不同排水阶段围岩水平位移与水位关系曲线如图24所示。

由图24可看出，隧道围岩水平位移值随隧道内水位降低而增大。在各个排水阶段，主洞与斜井交叉处拱腰围岩水平位移均为水平位移最大值。

6.4 掌子面纵向位移分析

不同水位时，掌子面纵向位移如图25所示。

由图25可看出，降水阶段掌子面最大纵向位移在掌子面中心处，水位降低至104、80、30、0 m时，掌子面纵向位移量分别为13.33、13.51、28.27、64.65 cm，掌子面纵向位移随隧道内水位降低不断增大，且增幅也随水位降低而增大。

6.5 围岩塑性区分析gzslib202204012323

各降水阶段围岩塑性区如图26所示。

由图26可看出，围岩最大塑性应变值在掌子面处，随隧道内水位不断下降，最大塑性应变值及塑性区范围不断增大，其中以掌子面围岩塑性应变值增量最大。

7 结语

（1）积水阶段隧道围岩、初支所受压应力和隧道洞周位移及掌子面变形相对涌水前均有所降低，仅从数值分析方面隧道整体稳定性相对涌水前有所提升;

（2）隧道积水时间的增加对隧道内各结构稳定性有影响但影响较小，积水60 d后围岩稳定性基本不变;

（3）排水后初支所受压应力相对涌水前增加显著，围岩压应力相对涌水前增加较小，隧道涌排水过程中初支对维持隧道围岩稳定性起到良好作用;

（4）排水阶段隧道围岩稳定性明显降低，主洞及斜井仰拱处和主洞掌子面变形明显，隧道积水后的排水过程围岩稳定性风险较大，应重视。排水后应对初支或围岩进行补强。

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