岩溶隧道突涌水机制及安全临界条件研究

马国民，张秀丽，杨华清

(1.云南楚大高速公路投资开发有限公司，云南 大理 671000;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071)

我国西南地区岩溶分布广泛，随着基础建设的不断推进，该地区岩溶隧道不断涌现。在岩溶地区修建隧道常常会遭遇突水、涌泥、塌方等地质灾害，其中突涌水具有较难预测、发生突然、破坏性强的特点，易造成大范围的隧道围岩破坏及严重的生命和财产损失，是隧道建设中最严重的地质灾害之一。随着我国西南岩溶地区大量隧道的修建，为防止岩溶隧道突涌水灾害的发生，开展岩溶隧道突涌水致灾机制和发生条件的研究就显得尤为重要。

目前，通常采用数值仿真分析来研究岩溶隧道的突涌水问题，选用的数值计算方法主要有有限元法(ANSYS、MIDAS、RFPA)、有限差分法(FLAC)、离散元法(PFC、UDEC)和耦合方法(NMM、FDEM)，研究内容主要围绕两个方面：一是模拟岩溶隧道突涌水灾变发生过程，分析突涌水产生机制及围岩破坏模式；二是研究岩溶隧道突涌水发生的临界条件，包括最小防突厚度、临界突水压力值等。如王勇[1]、尹尚先等[2]、张杨[3]采用有限元法模拟了岩溶隧道的开挖过程，分析了溶洞对隧道变形的影响，并通过塑性区贯通定义突水通道的形成，确定了溶洞的安全距离;刘招伟等[4]、赵世科[5]、李灿[6]、余庆峰等[7]、周毅[8]、安文生[9]、于杰绪[10]采用流固耦合的有限差分计算程序，研究了溶腔高压水作用下岩溶隧道突涌水的发生机制，分析了各项因素(溶洞尺寸、位置、水压力等)对隧道安全性的影响，并探讨了防突岩层的安全厚度;杨天鸿等[11]和黄明利等[12]采用岩石破裂过程分析程序RFPA对岩溶隧道突水过程进行了数值模拟，揭示了岩溶隧道岩石破裂突水的灾变机理;孙峰[13]、王媛等[14]、单长兵等[15]、王德明[16]利用离散元法在分析非连续大变形问题上的优越性，并采用颗粒流程序PFC模拟了岩溶隧道突水突泥过程，分析了水压、裂隙性状等对隧洞突涌水的影响，提出了突水临界水压力和临界突水距离两个重要概念；曹茜[17]、郭佳奇[18]、高杨[19]、朱文心[20]采用二维离散元程序UDEC模拟了地下水渗流、开挖卸荷等诱发的岩溶隧道突涌水过程，探讨了岩溶隧道突涌水发生机理，分析了岩溶隧道在不同条件下的临界突水压力或顶板安全距离。

近年来，新兴的连续-非连续介质耦合数值方法也被用于研究地下水渗流作用下的岩体破坏问题[21-24]，但在岩溶隧道突涌水方面的工程应用研究成果还较少。连续介质数值方法通常通过分析塑性区发展来研究岩溶隧道的破坏机制，并定义塑性区刚好贯通时的水压力或岩层厚度为岩溶隧道突涌水安全临界条件；而非连续介质数值方法通过将计算区域离散化，用来可模拟岩溶隧道突涌水破坏的全过程。本文采用非连续变形分析(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)方法，对楚大高速公路九顶山岩溶隧道突涌水灾变过程进行了数值模拟，分析了该岩溶隧道突涌水灾变发生的机制、溶腔水头与隧道围岩变形之间的关系，确定了隧道突涌水安全临界水头值，并进行了工程验证分析。

1 工程概况

九顶山深埋特长岩溶隧道为楚大高速公路的控制性节点工程，右幅全长为7 575 m，最大埋深约737.12 m；左幅全长为7 576 m，最大埋深约738.23 m。隧址区地形陡峻，属构造溶蚀剥蚀中山地貌；地层岩性复杂多变，主要以灰岩、白云质灰岩及砂页岩为主，伴有花岗斑岩和辉绿岩侵入蚀变带及风化带。该隧道围岩主要划分为Ⅲ～Ⅴ级，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩约占隧道总长的88.4%，其节理裂隙发育、岩体破碎。

九顶山隧道隧址区地质条件复杂多样、地下水丰富、岩溶发育，隧道开挖施工将改变地下水的补径排关系，地下水可沿结构面、破碎带向隧道内渗流，而蚀变带、风化带岩体遇水易软化，可能会出现较大规模的突涌水并导致隧道坍塌。2017年7月27日，九顶山隧道左洞进口ZK281+940～ZK281+947段拱顶围岩出现了较大变形，进而发生拱顶塌方事故(见图1)，塌方体环向长度约6 m，随后发生突涌水、突泥事故(见图2)；之后又相继发生6次突涌水、突泥事故，每次突水约10 min，两次间隔约12 h，估计突水量约6 000 m3，突泥量约1 000 m3。

图1 九顶山隧道进口(左洞)塌方事故Fig.1 Collapse at the entrance (left hole) of Jiudingshan Tunnel

图2 九顶山隧道进口(左洞)突涌水突泥事故Fig.2 Water inrush at the entrance (left hole) of Jiudingshan Tunnel

九顶山隧道突涌水灾害表现出瞬时性、多次性的特征，初步分析认为：隧道上方存在溶洞，隧道开挖后溶腔水向隧道内渗流，隧道顶板围岩遇水软化，继而使其承载力降低，发生突涌水事故，溶腔水释放；灾害发生后，突水口被溶腔填充物堵塞，溶腔水再次聚集，达到一定溶腔水头后，再次发生突涌水事故。为了避免类似事故的发生，有必要研究九顶山隧道此次突涌水发生的地质原因、灾变过程以及安全临界条件。

2 非连续变形分析(DDA)方法简介

非连续变形分析(DDA)方法是石根华教授提出的一种离散介质分析方法，主要用于分析由节理网络切割而成的离散块体系统的非连续介质大变形过程[25]。DDA方法针对块体运动采用牛顿第二运动定律来描述，而相邻块体之间通过设置接触罚弹簧来避免相互嵌入，这一点类似于离散元。但两者的区别在于：离散元显式求解块体之间力的传递需要设置人工阻尼和较小的时间步，才能得到较为合理的计算结果；而DDA方法采用最小势能原理建立联立控制方程组，通过隐式求解每个块体的位移和应变，这一点又类似于有限元。DDA方法基于严谨的运动学理论，且计算精度高、速度快，自提出以来，已受到岩土工作者的广泛关注，成为该领域数值计算的热点和前沿。

DDA方法的总体控制方程组具有以下形式：

KD=F

(1)

式中：D为块体位移矢量，包含3个刚体运动项和3个应变项；F为块体荷载矢量；K为刚度矩阵，其中Kii与块体i的材料特性有关，而Kij与块体i和j之间的接触、连接等相互作用有关。

为了满足块体无嵌入的运动学条件，需要对公式(1)进行反复求解，即开闭迭代，并根据块体接触状态不断调整接触弹簧，直到达到合理的状态。块体接触有张开、闭合和滑移3种状态，相邻块体处于张开状态则不需要设置接触弹簧，闭合则需设置法向和切向弹簧，滑移则只需设置法向弹簧。如果接触弹簧设置得不合理，则块体之间将会产生拉力或嵌入，这时需要相应地删除或增加接触弹簧，并依此改变刚度矩阵K，并重新求解公式(1)。

3 计算模型、参数及工况

九顶山隧道左幅ZK281+940断面隧道埋深为130.7 m，掌子面围岩以强风化花岗斑岩为主，拱顶以上以强中风化灰岩为主，围岩级别为V1级。相应的衬砌类型为SF5a，其主要设计参数为：初期支护为I22b工字钢，间距为60 cm，C25喷射混凝土，厚29 cm；二衬为C30防水钢筋混凝土，厚60 cm。

为进一步了解该段地质情况，采用小型地质钻孔机进行地表地质钻孔勘察，同时在右洞掌子面水平钻孔内采用孔内地质雷达、激发极化法探水、电磁法探水、数字钻孔摄像和地质雷达三维超前预报5种方法，探查钻孔周围30 m范围内的不良地质体(空腔、软弱带)和含水体分布情况，探测结果(见图3)如下：推测高程为2 331～2 339 m(洞顶为42～50 m)范围内为灰岩，其强度较高；高程为2 319～2 331 m(洞顶为30～42 m)范围内为中风化混合岩；高程为2 304～2 319 m(洞顶为15～30 m)范围内存在充水腔体，该腔体向左延伸至约13 m处，右侧延伸范围本次探测未触及；在含水腔体以下，高程为2 299～2 304 m(洞顶为10～15 m)范围内为全风化花岗岩，可能夹杂有上方垮落下来的中风化混合岩块；洞顶10 m范围内岩体本次探测未触及(因钻孔被砂土充填)。

图3 九顶山隧道左幅ZK281+940断面地质情况Fig.3 Geological conditions of ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

根据九顶山隧道左幅ZK281+940断面地质情况和支护参数建立了概化计算模型，见图4。该模型宽170 m、高100 m，在模型顶部施加一个非线性分布荷载，用于模拟上覆岩土自重；将溶腔中的水压力简化为线性分布荷载作用于溶腔底部及溶腔壁上；将支护简化为厚度为29 cm的薄层块体。探测还发现，该段隧道围岩中节理裂隙较为发育，岩体较破碎，呈碎裂松散、碎石夹碎块结构，故在计算模型中考虑2组节理切割，节理倾角分别为0°和75°，间距分别为2 m和3 m，迹长均为10 m，其中水平节理组考虑岩桥长度为1 m。建立的九顶山隧道左幅ZK281+940断面的DDA计算模型见图5，图中块体颜色仅用于区分块体单元，不代表材料属性。将模型底部竖向位移及两侧水平位移固定，在隧道与溶腔之间设置6个监测点，监测点1～6分别位于隧道上方0.5 m、3 m、6 m、9 m、12 m、14.5 m处。

图4 九顶山隧道左幅ZK281+940断面的概化计算 模型(图中水位仅为示意)Fig.4 Generalized calculation model for ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel(the water level is only for illustration)

图5 九顶山隧道左幅ZK281+940断面的DDA计算模型Fig.5 DDA calculation model for ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

采用的计算参数见表1，其中围岩材料参数参照地质勘察报告取值；溶腔填充物材料参数参照软土取值[26]；支护弹性模量根据混凝土和钢拱架的弹性模量及截面积进行等效，而考虑到支护破坏主要发生在钢拱架和混凝土的界面处，故其抗剪强度取钢拱架-混凝土界面的抗剪强度，可由混凝土抗压强度估算得出[27-28]。具体计算工况设置如下：模拟37 m水头条件下隧道突涌水过程；采用二分法策略搜索隧道突涌水安全临界水头，分析0 m、10 m、11 m、12 m、15 m、18 m 6种溶腔水头下隧道围岩的变形演化情况。

表1 DDA计算参数Table 1 DDA calculation parameters

4 计算结果及分析

4.1 隧道突涌水过程模拟

在九顶山隧道左幅ZK281+940断面的DDA计算模型中将地下水水位标高设置在2 341 m处，此时溶腔内水头为37m，模拟得到的九顶山隧道左幅ZK281+940断面突涌水过程，见图6。

图6 九顶山隧道左幅ZK281+940断面突涌水过程模拟Fig.6 Simulation of water inrush process in ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

由图6可以看出：该隧道断面突涌水模式为防突岩层破坏，其具体过程为：隧道开挖在围岩中形成了新的临空面，隧道顶板岩层在溶腔中高压岩溶水的作用下向隧道内变形；由于隧道支护结构强度不够，难以阻止围岩的持续变形，支护发生破坏；隧道顶板岩层继而失去支撑，继续变形、破坏，最终发展至溶腔底部，在隧道开挖面与溶腔间形成贯通破坏；岩溶水势能快速转化为动能，涌入隧道施工区，发生突涌水事故。

具体结合九顶山隧道左幅ZK281+940断面的地质条件，分析了突涌水事故发生的有利因素：

(1) 岩溶发育、渗透压力大。九顶山隧道左幅ZK281+940断面广泛分布有灰岩，灰岩在地下水作用下易发生溶蚀，形成溶腔并储存地下水；当岩溶水经过较长时间的集聚其势能达到一定值时，受隧道开挖扰动的影响可能穿透隧道顶板快速释放，发生突涌水事故。

(2) 围岩性质软弱。九顶山隧道左幅ZK281+940断面上方为全强风化花岗岩层，其强度较低、遇水易软化；隧洞开挖后，全强风化花岗岩层受到开挖扰动的影响，产生松动破裂，岩层破裂面与上方灰岩溶腔连通，岩溶水产生渗流，在岩溶水的软化作用下，全强风化花岗层被软化发生崩解破坏，直至隧道顶板产生坍塌坡坏，发生突涌水事故。

4.2 隧道突涌水安全临界水头值

九顶山隧道左幅ZK281+940断面发生首次突涌水事故后，又相继发生了多次突涌水事故，分析其原因为：涌水体为灰岩区发育的漏斗状岩溶水腔体，周围岩体裂隙发育，岩溶水首次涌出后，溶腔填充物堵塞涌出口，之后溶腔受地表降雨和周围岩体裂隙水的补给，当水头达到某一临界值时，再一次涌出，呈现间歇性、反复性的特点。九顶山隧道该断面反复突涌水过程可利用图7来描述。本次模拟通过改变溶腔中的水头值，得到造成隧道顶板破坏、发生突涌水的安全临界水头值。模拟结果表明：当溶腔水头超过10 m时，隧道顶板处支护结构发生破坏，围岩向隧道临空面持续变形，最终顶板产生坍塌破坏，发生突涌水事故，因此该隧道断面发生突涌水的安全临界水头为10 m。需要指出的是，这里研究得出的安全临界水头为隧道发生首次突涌水事故后，再次发生突涌水事故的安全临界水头。

图7 九顶山隧道左幅ZK281+940断面反复突涌水 过程示意图Fig.7 Schematic diagram of repeated water inrush process in ZK281+940 section on the left of Jiudingshan Tunnel

图8给出了不同溶腔水头下九顶山隧道顶板上方0.5 m处监测点围岩的位移时程曲线。

图8 不同溶腔水头下九顶山隧道顶板上方0.5 m处 监测点围岩的位移时程曲线Fig.8 Displacement-time curves of surrounding rock at the monitoring point 0.5 m above Jiudingshan Tunnel roof under different water heads of the cavity

由图8可以看出：①当溶腔水头≤10 m时，隧道顶板上方0.5 m处监测点的围岩位移呈现出先增大、后减小至逐渐稳定的演化规律，该监测点围岩累计位移减小与本次计算采用的动力计算格式有关，主要是由于未通过人工阻尼耗散能量，导致围岩开挖形成临空面后，拱顶岩块在重力作用下向下运动，势能转化为动能，围岩重新平衡、稳定后，岩块动能未耗尽，运动受限后产生一定的回弹变形，使该监测点围岩位移有所减小；②当溶腔水头>10 m时，该监测点围岩位移持续增大，直至隧道顶板产生坍塌破坏。

图9给出了九顶山隧道拱顶围岩最大位移量随溶腔水头的变化规律。

图9 九顶山隧道拱顶围岩最大位移量随溶腔 水头的变化曲线Fig.9 Variation curve of max displacement of Jiudingshan Tunnel roof surrounding rock with the water head of the cavity

由图9可以看出：①当溶腔水头≤10 m时，隧道拱顶围岩最大位移量较小，且随溶腔水头的变化不明显；②当溶腔水头超过10 m时，隧道拱顶围岩最大位移量发生突变，因此隧道发生突涌水的安全临界水头为10 m；③当溶腔水头>10 m时，隧道拱顶围岩最大位移量随溶腔水头的变化呈正向增长，增长曲线为上凸型，说明隧道拱顶围岩最大位移量开始增长较快，之后当溶腔水头达到某一值后，隧道拱顶围岩最大位移量增长有所减缓。

另外，通过分析不同溶腔水头下九顶山隧道顶板围岩变形的演化规律发现：当溶腔水头较小时，隧道顶板围岩变形能够在支护作用下保持稳定；当溶腔水头较大时，隧道顶板部分围岩变形不能保持稳定；当溶腔水头进一步增大时，不能保持稳定的隧道顶板围岩范围变大；当溶腔水头达到37 m时，整个隧道顶板范围内的围岩均不能保持稳定。

4.3 现场监测数据

2017年7月27日九顶山隧道左幅ZK281+940～ZK281+947段第一次发生突涌水、突泥事故后，对该段地下水水位进行了现场监测，得到隧道上方溶腔内水头的现场监测结果，见图10。

图10 九顶山上方溶腔水头的现场监测结果Fig.10 On-site monitoring results of the water head of the cavity on Jiuding Tunnel

由图10可见：九顶山隧道发生首次突涌水事故之后几天，溶腔内持续保持高水头，之后迅速回落，2017年8月8日和8月12日受降雨的影响，溶腔水头又开始上升，而7月28日、29日、30日、8月10相继发生了多次间歇性突涌水、突泥事故，这与溶腔水头变动呈现出高度的相关性：7月28日至30日，未能有效降低溶腔水头，溶腔水头超过安全临界水头值(10 m)，造成反复发生突涌水事故；8月10日溶腔水头达到13.3 m，超过了安全临界水头值，发生突涌水事故；8月13日，溶腔水头接近但未超过安全临界水头值，未发生突涌水事故。现场监测结果验证了本次数值模拟结果的可靠性。因此，工程实践中在岩溶隧道开挖施工过程中应在加强支护的同时，采取抽排水措施降低地下水水位，以避免溶腔水头超过安全临界水头值，再次发生突涌水事故。

5 结 论

本文针对九顶山隧道发生突涌水事故的断面(左幅ZK281+940)，采用非连续变形分析(DDA)方法模拟了高压岩溶水作用下隧道顶板产生坍塌破坏、发生突涌水事故的过程，分析了突涌水发生机制，并得到了导致隧道突涌水事故发生的溶腔安全临界水头，主要结论如下：

(1) 该隧道断面突涌水模式为防突岩层破坏，其具体突涌水过程如下：隧道开挖在围岩中形成了新的临空面，隧道顶板岩层在溶腔中高压岩溶水的作用下向隧道内变形；由于隧道支护结构强度不够，难以阻止围岩的持续变形，支护发生破坏；顶板岩层继而失去支撑，继续变形、破坏，最终发展至溶腔底部，在隧道开挖面与溶腔间形成贯通破坏；岩溶水势能快速转化为动能，涌入隧道施工区，发生突涌水事故。

(2) 该隧道断面具备突涌水发生的有利条件：①围岩中广泛分布有灰岩，灰岩在地下水作用下易发生溶蚀，形成溶腔并储存地下水；当岩溶水经过较长时间的集聚其势能达到一定值时，受隧道开挖扰动的影响其可能穿透隧道顶板快速释放，发生突涌水事故；②隧道上方为全强风化花岗岩层，其强度较低、遇水易软化，隧洞开挖后，全强风化花岗岩层受到隧道开挖扰动的影响，产生松动破裂，岩层破裂面与上方灰岩溶腔连通，岩溶水产生渗流，在岩溶水的软化作用下，全强风化花岗岩层被软化发生崩解破坏，直至隧道顶板产生坍塌坡坏，发生突涌水事故。

(3) 当溶腔水头≤10 m时，隧道拱顶围岩变形在时间上呈现出先增大、后减小至逐渐稳定的趋势，其最大位移量较小，且随溶腔水头的变化不明显；当溶腔水头超过10 m时，隧道拱顶围岩变形发生突变，因此隧道发生突涌水的安全临界水头为10 m；当溶腔水头>10 m时，隧道拱顶围岩变形在时间上呈现出持续增大的趋势，其最大位移量随溶腔水头的变化呈正向增长，增长曲线为上凸型，说明开始增长较快，之后当溶腔水头达到某一值后，隧道拱顶围岩最大位移量增长有所减缓。

(4) 现场地下水水位监测结果也表明：溶腔水头与隧道突涌水事故的发生高度相关，当溶腔水头超过10 m时，结果将发生突涌水事故，验证了数值模拟结果的可靠性。工程实践中，岩溶隧道开挖施工过程中应加强支护，同时要采取抽排水措施有效地降低地下水水位，以避免突涌水事故的发生。

本研究结果可为类似地质条件隧道突涌水防治提供参考，同时研究结果也表明：非连续变形分析(DDA)方法可用于岩溶隧道突涌水破坏过程的模拟以及突涌水安全临界条件的研究。