鄔忠虎，崔恒濤，宋懷雷，吳海寶，吳昌裔

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550025； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 3.貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴陽 550001)

近年來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，一大批土木水利等重大基礎(chǔ)工程陸續(xù)建設(shè)，推動了隧道工程的建設(shè)發(fā)展[1-5]。而貴州省的地質(zhì)情況相對較復(fù)雜，以碳酸鹽分布最廣，屬于典型的巖溶發(fā)育地區(qū)，在進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)的過程中，隧道工程的修建具有“強(qiáng)巖溶、高應(yīng)力、高水壓、構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害頻發(fā)”等顯著特點(diǎn)[6-8]。在隧道施工過程中易發(fā)生突涌水等地質(zhì)災(zāi)害，極易造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。突涌水災(zāi)害災(zāi)變的本質(zhì)是水與巖體相互作用的結(jié)果，處于富水環(huán)境下的巖體，其力學(xué)特性及變形特征會受到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的影響，隧道在開挖過程中擾動巖體更易發(fā)生失穩(wěn)破壞[9-12]。

目前，關(guān)于溶洞誘發(fā)隧道突涌水的災(zāi)變，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量工作，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。王媛等[13]采用顆粒流PFC3D軟件建立由裂隙巖體及斷層構(gòu)造的圍巖隧洞數(shù)值模型，模擬隧洞突涌水全過程，研究集中水源等因素對隧洞突涌水的影響；Wu等[14]通過FLUENT軟件研究突水后的水流特性，得出不同開挖情況和不同突水位置下水的運(yùn)動規(guī)律；Tang等[15]基于FLAC3D建立了流固耦合模型，對開采過程中上覆巖層及水層中的孔隙水壓力變化特征進(jìn)行分析，探討突涌水的時空特征，并以此確定突水前兆信息；趙蕾等[16]采用RFPA-Flow系統(tǒng)研究了不同充水條件下裂隙溶洞對隧洞開挖過程圍巖的穩(wěn)定性，探討了在施工擾動下裂隙溶洞隧道突水過程的機(jī)理；Pan等[17]通過建立大型物理三維模型試驗(yàn)，揭示了施工過程中巖溶溶洞與承壓水接近引起而突水的機(jī)理，將突水過程分為3個階段，即群體裂紋的萌生階段、突水通道的形成階段和防水層的完全垮塌階段。由此可見，針對隧道動力擾動下巖溶問題，亟須圍繞巖溶的應(yīng)力-滲流-損傷耦合效應(yīng)對溶洞隧道突涌水災(zāi)變演化過程分析。

現(xiàn)以貴陽市軌道交通2號線二期工程(富源北路站—森林公園站區(qū)間)的突水區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅捎脦r石破裂過程分析軟件RFPA2D-Flow模擬不同距離溶洞對隧道開挖的影響，研究開挖動力擾動作用下隧道突涌水災(zāi)變演化過程，分析損傷演化過程中的能量變化規(guī)律，以期為貴陽市城市軌道交通后期工程的安全施工提供理論指導(dǎo)，推動巖溶地區(qū)隧道工程的建設(shè)發(fā)展。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 工程概況

富源北路站—森林公園站區(qū)間屬于貴陽市軌道交通2號線二期工程，線路出富源北路站后，先后下穿富源北路、中環(huán)路高架橋、七星大酒店后，下穿森林公園山嶺，到達(dá)首開紫郡附近森林公園站，隧道起訖里程YDK39+018.430 ～ YDK42+059.47，ZDK39+018.43 ～ ZDK42+059.47，右隧全長3 041.04 m，左隧全長3 043.036 m，隧道采用礦山法施工。

區(qū)間右線內(nèi)小里程端作業(yè)面(掌子面里程YDK40+226.200)拱部右上角突發(fā)突涌水，短時間的突涌水量約5 000 m3。該研究區(qū)域地貌類型為高中山溶丘和溶蝕洼地相間地貌，地勢起伏較大，地面縱坡較陡，自然坡度為 30°～40°，植被茂密，以松樹為主，林間雜以灌木，水土保持較好，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

地層巖性主要以碳酸鹽巖為主，其次為碎屑巖。第四系覆蓋層一般較薄，下伏侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系等地層，巖性以灰?guī)r為主。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及實(shí)地工程地質(zhì)測繪，擬建場地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔中腹地貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，具體位置為貴陽向斜軸部北端東側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。

2 試驗(yàn)方法

2.1 灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)表征分析

試樣選取研究區(qū)突水位置處的灰?guī)r作為試驗(yàn)材料，通過鉆探技術(shù)鉆取巖心樣品。為了進(jìn)一步確定此次突水災(zāi)害的原因，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗(yàn)分析灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)特征。

利用掃描電子顯微鏡研究灰?guī)r礦物顆粒晶體內(nèi)部的表面特征，選取試驗(yàn)樣品尺寸為365 mm×275 mm，對灰?guī)r樣塊進(jìn)行SEM試驗(yàn)，儀器型號為蔡氏Sigma 300，礦物內(nèi)部表面形貌如圖2所示?？梢郧逦闯觯V物晶體內(nèi)部顆粒分布不均勻，形狀不規(guī)則，表面棱角凸顯，呈現(xiàn)部分殼狀結(jié)構(gòu)，凹凸不平，溶蝕孔隙較為發(fā)育。這種殼狀結(jié)構(gòu)及微裂隙的存在使得礦物內(nèi)部顆粒具有較大的比表面積，與液體能充分接觸，內(nèi)部變得疏松，從而具有較強(qiáng)的親水特性。

圖2 灰?guī)r電鏡掃描圖Fig.2 Scanning electron microscope image of limestone

2.2 數(shù)值模型的建立

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域段內(nèi)存在充水溶洞，數(shù)目規(guī)模龐大且節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能出現(xiàn)在隧道的不同部位處。隨著進(jìn)一步的深入研究，物理實(shí)驗(yàn)卻存在較大的局限性。RFPA軟件能夠模擬巖石體的真實(shí)破裂過程，主要以彈性力學(xué)為應(yīng)力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的M-C(Mohr-Coulomb)破壞準(zhǔn)則為介質(zhì)變形和破壞分析。

采用巖石破裂過程二維滲流-應(yīng)力損傷耦合分析系統(tǒng)RFPA2D-Flow，結(jié)合富源北路站—森林公園站區(qū)間突涌水事故案例，建立充水溶洞與隧道開挖斷面相對距離為1、2、3 m處的數(shù)值模型，其簡化模型為平面二維問題，模型的尺寸長為50 m、高為50 m，網(wǎng)格劃分為100×100個單元網(wǎng)格。模型中隧道以圓形的方式進(jìn)行開挖，隧道凈高為8 m。模型受上覆載荷P1=5 MPa，圍壓為3 MPa，充水溶洞簡化為圓形斷面形式，洞中水壓為2 MPa，溶洞半徑為1 m，整個過程采用力加載方式，每步以0.01 MPa進(jìn)行加載，整個加載過程無支護(hù)。在模型四周設(shè)置滲流邊界，模型中以水為流體。加載示意圖如圖3所示。假定單元性質(zhì)是線彈-脆性和脆-塑性的，且各力學(xué)參數(shù)服從Weibull函數(shù)分布[18]，表達(dá)式為

圖3 隧道開挖加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel excavation loading

(1)

式(1)中：Ω(α)為微觀單元力學(xué)性質(zhì)關(guān)于α的統(tǒng)計分布密度；α為代表微觀單元的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)；α0為微觀單元力學(xué)性質(zhì)的平均值；m為巖石體的均勻性系數(shù)，一般m越小，越不均勻。其各力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 灰?guī)r數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)[16]Table 1 Mechanical parameters of limestone numerical model[16]

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 隧道圍巖破壞過程分析

隧道在開挖擾動過程中，溶洞中水壓對巖層產(chǎn)生滲流作用，巖體逐漸出現(xiàn)松動軟化現(xiàn)象。圖4所示為充水溶洞對隧道圍巖的破壞過程和聲發(fā)射(acoustic emission，AE)圖。可以清晰看出，當(dāng)充水溶洞與隧道相距為1 m時，在溶洞周圍巖層先出現(xiàn)松動，裂縫最先在溶洞底部起裂，并隨著開挖擾動作用，逐漸向隧道一側(cè)延伸，在開挖到25步時出現(xiàn)裂縫貫通，溶洞周圍巖層單元破壞；當(dāng)充水溶洞與隧道相距為2 m時，在溶洞底部同時出現(xiàn)兩條細(xì)微裂縫，并且裂縫呈一定的夾角向隧道一端延伸，在開挖到25步時，使得左邊裂縫貫通，但溶洞周圍未見明顯損傷；當(dāng)充水溶洞與隧道相距為3 m時，在溶洞頂部與底部同時伴隨裂縫萌生，并沿兩端延伸，上部的裂縫延伸速率快，在開挖到25步時，裂縫開始貫通，溶洞周邊單元破壞損傷嚴(yán)重。從上述分析中得出，充水溶洞的距離對隧道圍巖破壞的影響顯著，相對距離為1 m時，溶洞周圍巖層單元損傷最嚴(yán)重，2 m時次之，3 m時最小。

空間分布的每一個點(diǎn)都代表相應(yīng)一個單元損傷破裂信號位置；紅色部分表示當(dāng)前加載步的拉伸損傷單元圖4 溶洞對隧道圍巖的破壞過程和聲發(fā)射圖Fig.4 The destruction process and acoustic emission diagram of the tunnel surrounding rock caused by the karst cave

同時，溶洞與隧道之間的距離對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響顯著，當(dāng)相對距離為1 m時，開挖擾動對溶洞的影響最大，容易發(fā)生突涌水災(zāi)害，溶洞周圍圍巖破壞范圍大，容易出現(xiàn)二次災(zāi)害爆發(fā)。當(dāng)相對距離為2 m時，處于臨界狀態(tài)，僅有溶洞與隧道之間的圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，而溶洞周圍圍巖幾乎看不到損傷單元。當(dāng)相對距離為3 m時，開挖擾動對溶洞的作用力最小，但作用持續(xù)時間長。因此，溶洞和隧道周圍圍巖損傷破壞最為嚴(yán)重，發(fā)生二次災(zāi)害的風(fēng)險最大。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果所得，在可能出現(xiàn)突涌水災(zāi)害地段預(yù)埋引水管道進(jìn)行排水，并實(shí)時對水壓力進(jìn)行檢測，對開挖后的地段進(jìn)行支護(hù)加固處理。在聲發(fā)射圖中，由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)力大于抗壓強(qiáng)度時，圍巖發(fā)生破壞。因此，巖層在損傷演化過程中以拉伸破壞為主，也伴有極少的剪切破壞。

圖5是充水溶洞在隧道開挖過程中對圍巖豎向位移變化趨勢影響，可知，隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，沿豎向位移逐步加大。整個開挖過程中，圍巖位移變化趨勢受溶洞的距離影響較大。在開挖初期，開挖步數(shù)在8步之前，圍巖豎向位移無明顯變化趨勢；隨著開挖繼續(xù)進(jìn)展，圍巖豎向位移變化顯著。當(dāng)相對距離為1 m時，位移在第8～15步時迅速激增，此時，圍巖損傷破壞程度加大，隧道易發(fā)生突涌水現(xiàn)象。當(dāng)加載步在16步之后，豎向位移曲線趨于平緩狀態(tài)，此時產(chǎn)生的豎向位移最大；而相對距離為3 m時，曲線先小幅度上升再平緩，然后再次陡升變化，由于相對距離遠(yuǎn)，圍巖相對難破壞。加載步在20 步之后，位移曲線呈倒梯形跳躍增大，而此時裂縫開始貫通；當(dāng)相對距離為2 m時，位移在20步時出現(xiàn)倒三角形跳躍增長，在裂縫貫通后，位移呈現(xiàn)平緩趨勢。這表明了巖層的初始應(yīng)力場遭受破壞，兩端巖石有向中部擠壓的趨勢，使中部巖體出現(xiàn)局部變形。

圖5 開挖過程中溶洞對圍巖位移變化趨勢的影響圖Fig.5 Diagram of the influence of karst caves on the trend of surrounding rock displacement during excavation

圖6是開挖過程中不同距離充水溶洞的孔隙水壓力變化圖。可知，在開挖初期圍巖受孔隙水壓力影響較小，僅僅是充水溶洞周圍的圍巖承受水的滲透壓的作用。隨著加載的進(jìn)行，圍巖出現(xiàn)損傷，孔隙水壓力對圍巖影響增大，在裂縫貫通時達(dá)到最大，充水溶洞中的水以裂縫作為突破口，快速涌入隧道中，使隧道硐室周圍承受水滲透壓。該區(qū)域圍巖屬于中風(fēng)化灰?guī)r，其具有強(qiáng)度低、天然層理裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，開挖破壞天然的應(yīng)力場，使巖體出現(xiàn)微裂縫，并隨水壓力作用而逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致孔隙水壓力作用范圍越來越大。充水溶洞與隧道之間的距離對災(zāi)害后水滲透壓的影響顯著。當(dāng)相對距離為1 m時，裂縫貫通后孔隙水壓力的作用范圍最大，2 m時次之，3 m時最小。意味著1 m時，巖體內(nèi)的微裂隙分布最廣泛，損傷最嚴(yán)重，2 m時次之，3 m時最小，與破壞過程分析結(jié)果一致。

圖6 開挖過程中不同距離充水溶洞孔隙水壓力變化圖Fig.6 Changes in pore water pressure of water-filled karst caves at different distances during excavation

3.2 損傷演化過程中的能量變化規(guī)律

巖體損傷演化過程實(shí)質(zhì)是耗散能的釋放，導(dǎo)致強(qiáng)度喪失，巖體單元中儲存的彈性能釋放是引發(fā)巖體單元突然破壞的內(nèi)在原因。由熱力學(xué)第一定律可知，巖體在荷載作用下發(fā)生的變形，其實(shí)質(zhì)就是能量的儲存?？偟哪芰靠煞譃閮蓚€部分，一部分是耗散能，使當(dāng)前加載步圍巖單元出現(xiàn)損傷和塑性變形；另一部分以彈性能的形式存儲。隨著荷載的增加，彈性能突然釋放，隧道圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖7是AE 計數(shù) 與AE 總能量隨加載步的變化趨勢圖。其中，AE計數(shù)為一個單元的微破裂代表一個聲發(fā)射事件； AE 總能量為巖體在局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，并快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象?？梢缘弥?，開挖到11步之前并未出現(xiàn)聲發(fā)射和能量的損耗，這是由于開挖初期，兩端巖體向中部有擠壓的作用，整體處于壓密階段。11步之后總能量和聲發(fā)射計數(shù)隨開挖的進(jìn)行而逐漸增大，同時有一部分的能量出現(xiàn)損耗，使巖體單元出現(xiàn)損傷，此階段為裂縫擴(kuò)展階段。一部分能量以彈性能的形式儲存，在巖體損傷到一定程度時突然釋放，使隧道圍巖失穩(wěn)破壞，造成突涌水現(xiàn)象，這一階段稱為失穩(wěn)階段。同時可以看出，不同距離溶洞對隧道開挖影響顯著。當(dāng)相對距離為1 m時，加載到第11步時，AE 總能量曲線變化趨勢突跳，AE 計數(shù)對應(yīng)的裂縫發(fā)展速率最大，之后，趨于平緩增長，裂縫貫通時釋放的能量最大；當(dāng)相對距離為3 m時，AE 總能量曲線趨勢較平緩，AE 計數(shù)較少，此時聲發(fā)射計數(shù)對應(yīng)的裂縫發(fā)展較為緩慢，滲流應(yīng)力加載結(jié)束后，裂縫未貫通，上覆荷載對圍巖的作用較小，圍巖失穩(wěn)破壞時的能量釋放緩慢；當(dāng)相對距離為2 m時，圍巖失穩(wěn)時的AE 總能量與AE 計數(shù)曲線與相對距離為3 m時保持一致，圍巖失穩(wěn)破壞時的能量釋放大于相對距離3 m。

圖7 AE 計數(shù)與AE 總能量隨開挖加載步的變化趨勢圖Fig.7 AE count and AE total energy change trend diagram with excavation loading step

綜上所述，通過AE 總能量與AE 計數(shù)的趨勢變化情況與前文的圍巖破壞過程的差別具有一致性，可以清晰反映出在開挖擾動下巖溶隧道突涌水滲流-應(yīng)力-損傷變化情況，從而進(jìn)一步揭示其災(zāi)變演化的機(jī)理。

4 結(jié)論

(1) SEM試驗(yàn)表明，灰?guī)r礦物內(nèi)部晶體顆粒分布不均勻，形狀不規(guī)則，存在溶蝕孔隙較為發(fā)育，具有殼狀結(jié)構(gòu)及微裂隙使得其具有較大的比表面積，與液體能充分接觸，內(nèi)部變得疏松，從而具有較強(qiáng)的親水特性。

(2) 開挖擾動過程中不同距離下的充水溶洞對隧道的影響顯著，當(dāng)相對距離為1 m時，溶洞周圍圍巖單元損傷最嚴(yán)重，2 m時次之，處于臨界狀態(tài)，3 m時最小。當(dāng)相對距離為1 m時，開挖擾動對溶洞的作用力最大，裂縫最先出現(xiàn)在溶洞底部，且溶洞周圍圍巖損傷范圍廣泛；當(dāng)相對距離為2 m時，溶洞底部同時出現(xiàn)兩條裂縫，但溶洞圍巖未萌生明顯單元損傷，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)相對距離為3 m時，溶洞頂部和底部同時萌生微裂縫，圍巖失穩(wěn)破壞時，損傷程度較小。

(3) 開挖過程中不同距離充水溶洞的孔隙水壓力變化顯著，在開挖初期圍巖受孔隙水壓力影響較小，僅僅是充水溶洞周圍的圍巖承受水的滲透壓的作用。隨著加載的進(jìn)行，圍巖出現(xiàn)損傷，孔隙水壓力對圍巖影響增大，在裂縫貫通時達(dá)到最大。

(4) 整個開挖過程大致可分為3個階段：壓密階段、裂縫擴(kuò)展階段、失穩(wěn)破壞階段。11步之前并未出現(xiàn)聲發(fā)射和能量的損耗。當(dāng)相對距離為1 m時，AE 總能量曲線變化趨勢突出，AE 計數(shù)對應(yīng)的裂縫發(fā)展速率最大，裂縫貫通時釋放的能量最大，彈性能突然釋放在失穩(wěn)破壞階段。通過AE 總能量與AE 計數(shù)的趨勢變化，可以清晰反映出隧道突涌水滲流-應(yīng)力-損傷變化情況。