刍议隧道岩溶突水因素及机理分析(杨君)

刍议隧道岩溶突水因素及机理分析杨君摘要:随着西部大开发战略的实施,我国的公路建设的重点已转移到山岭重丘地区,由此产生了大量的山区隧道“多、长、大、深”已成为未来隧道发展的总趋势。文章结合实际简单分析了岩溶隧道施工突水机理和模式以及岩溶突水围岩破坏模式，供同行参考。关键词:岩溶山区;公路隧道;施工;突水机理;突水模式1岩溶突水的主要影响因素分析1.1地质因素要形成岩溶跟地质条件有关,只有可侵蚀性的岩层才会发育而形成溶洞。当岩溶发育的岩层条件和水条件都具备时,岩溶作用即可产生并逐步发展,侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不断扩大形成溶蚀裂隙,继续发展成溶洞,溶洞中岩溶水具有水量大而分布不均、流动迅速和集中排泄的特点。(1)可溶性岩层地质构造褶皱带向斜褶皱核部纵张裂隙发育,轴部易汇水,易形成溶蚀裂隙和溶洞,发育成强岩溶带或暗河;在背斜褶皱翼部发育的层面裂隙和层间滑动裂隙通常是过水通道,受溶蚀作用,易沿岩层走向发育椭圆或扁平状溶管或洞穴;与背斜和向斜褶皱直交的横张裂隙一般张开性强、岩石破碎、胶结程度差、透水性强,容易起导水和汇水的作用也是岩溶发育带。(2)断层破碎带断层破碎带常因富水而成为岩溶富水带,张性断裂常因张开性好、孔隙较大而容易形成具有较大储水空间和暗河径流带,张性断裂横切褶皱或挤压性断裂,使褶皱不同部位的地下水互相连通,成为地表水下渗和地下水径流的通道,从而形成岩溶突水。(3)岩层间滑动带很多沿层面走向发育的地下河都处在层间滑动带上,在石灰岩、白云岩与碎屑岩或煤系地层的接触面上最易汇集地下水和发生强溶蚀作用而形成岩溶突水。(4)含水地层如层状隔水层形成的含水体、岩溶地层中的孤立含水体等,都易形成岩溶突水。1.2地表降水和气温因素岩溶突水还跟气温的高低、降雨的多少和强度等因素有关。气温的高低、总降水量、降水强度和降水量的季节分配、蒸发量以及地面径流量与渗透量都影响突水量的大小。在低温条件下,水的溶蚀力、流动交替和岩溶作用反应速度都较小,岩溶发育过程缓慢;随着温度的升高,岩溶作用增强。降雨的多少和强度不仅影响水的渗透条件和水的运动交替,而且雨水通过空气和土壤层,形成的游离CO2能使岩溶作用大大加强。因此,夏季雨量充沛,地表水径流和下渗容易转化为岩溶水,且携带大量泥砂,隧道容易发生突水涌泥,此外暴雨季节,地层水位迅速上升,水压力增大,隧道突发涌水的可能性极大。2岩溶突水机理分析2.1岩溶隧道施工突水机理在隧道施工之前,岩体处于自然平衡状态,隧道开挖时扰动了岩体,形成临空面,并在隧道周边形成松动圈,导致原有裂隙扩张和出现新的裂隙,改变了围岩的应力状态和地下水的流动状态,加速了水循环,而岩体的破裂首先是从围岩内的节理裂隙面开始的,当充水裂隙垂直方向受拉应力作用或者裂隙面上受剪应力作用时,不高的水压即可使其产生破裂,从而引起裂隙进一步扩展,水流在扩展方向的流动和劈裂又加剧了裂隙的扩展,从而诱发隧道突水。因此,岩溶隧道施工突水机理归纳为:在隧道施工过程中中,由于隧道开挖引起围岩应力变化产生塑性区,当该塑性区与岩溶中充填物溶沟贯通时,则必然造成突水,这就是岩溶隧道施工中诱发突水灾害的根本原因。2.2岩溶隧道施工引起的突水模式岩溶隧道施工突水包括隧道开挖直接诱发突水、间接诱发突水和隧道开挖面后方突水三种模式。(1)隧道开挖直接诱发突水爆破或非爆破开挖直接破坏含水构造周围的地层,导致岩溶洞壁破坏,岩溶水突然涌出;隧道开挖直接揭穿高压、富水溶洞或岩溶造成隧道突水。(2)隧道开挖间接诱发突水爆破或非爆破施工导致岩体溶隙扩张,造成岩体局部应力集中和破裂,或出现变形和位移,不足以抵抗水压力、土压力和构造应力,逐渐失稳或破坏造成岩溶突水。(3)隧道开挖面后方突水隧道开挖扰动地层造成围岩松散压力增大或大气降雨造成水压力突然升高,使隧道后部的支护结构不足以抵抗地层中的土压力和水压力,支护结构局部或整体发生失稳和破坏,造成隧道涌水突泥。2.3岩溶突水围岩破坏模式(1)岩溶洞壁受拉破坏岩溶区隧道开挖过程中,岩溶洞壁必须具有一定的安全厚度,安全厚度越大和岩层完整性越好以及强度越高,越不易突水。否则,在高水压作用下,隧道的开挖容易造成岩溶洞壁受拉破坏,从而发生突水。岩溶洞壁的厚度受岩层完整性、岩溶充填介质、水压力以及水力路径、隧道尺寸大小以及与溶洞间的相互关系,溶洞的大小以及施工方法等因素有关,可以进行有限元数值模拟计算确定最小安全厚度。(2)岩溶洞壁裂隙的剪切破坏对于软弱围岩或节理裂隙发育的岩溶隧道,岩溶洞壁围岩的破坏基本符合摩尔-库仑强度强度理论,即当土体中某点的任一平面上的剪应力达到岩层的抗剪强度时,就认为该点已发生剪切破坏,出现大的变形,从而导致岩溶突水的产生。(3)岩溶洞壁裂隙的水力扩张破坏岩溶地层中存在节理、裂隙,在高水压力的作用下,其裂隙张开和滑移,从而导致岩溶突水的产生。(4)岩溶洞壁关键块体失稳在高压、富水比较坚硬的岩溶地层中开挖隧道,围岩被节理和裂隙切割成各种类型的空间块体。在隧道开挖以前,这些块体处于自然平衡的状态下。隧道开挖以后,由于应力释放和高水压的作用使关键块体失去稳定,从而导致隧道其它块体变形和坍塌诱发隧道突水。3突水机理数值模拟分析3.1模型建立(1)工程对象及模型范围选择以某高速公路隧道为工程对象。左线K27+337~K28+040,全长703m;右线RK27+395~RK28+085,全长690m.隧道平面为双向四车道分离式隧道,隧道轴线间距为35~53m之间。隧址区围岩为灰岩,钻探过程中曾在右线27+730~RK27+910段发现岩溶,岩溶距隧道顶高度约26m,溶洞高度约8m.该段长180m,处于Ⅲ级围岩中。隧道的埋深为50m,Ⅲ级围岩,隧道中心间的距离为42m,隧道左右边界为48m,隧道底部为21m.隧道模型总宽150m,高80m.(2)溶洞的模拟溶洞大小设计为矩形,经过长期溶蚀,已基本稳定。并假设溶洞内全部填充透水土层,且岩溶洞壁为不透水层(如果岩溶洞壁为透水层,则隧道开挖后,突水自然发生)。溶洞尺寸的大小为宽2.8m、高度为2.0m,在无水压状态下,洞壁厚度的变化分别为1.0m、3.0m、5.0m,其变化幅度为2.0m.采用大型通用有限元软件ANSYS完成,建立的模型如图1所示。3.2计算结果计算结果见表1和图2-4图所示。图1有限元模型图2N1最大塑性应变图3N2最大塑性应变图4N3最大塑性应变3.3计算结果分析溶洞的大小相同,只是溶洞与隧道间的相互位置不同即洞壁的厚度不同时,从计算结果可以得出如下规律:表1不同洞壁厚度条件下计算结果表(1)初始位移场和应力场基本相同,隧道开挖后,洞壁厚度不同时,其位移场和应力场也不相同;(2)隧道开挖后,随着洞壁厚度的增加最大竖向位移、最大竖向拉应力和最大塑性应变值减小,而最大竖向压应力反而增加;(3)当洞壁厚度从1m变化到3m时应力场和位移场的变化量值与洞壁厚度从3m变化到5m时相比其变化量值幅度随着洞壁厚度的增加而减小;(4)随着洞壁厚度的增加,塑性区最大塑性应变值减小幅度比较大;(5)从图上可以看出,随着洞壁厚度的增加,塑性区的大小有变化;特别是当洞壁厚度仅为1m时,其塑性区已经完全外包溶洞,即跨过了溶洞;而当洞壁厚度为3m和5m时,则塑性区的大小比较接近。出现以上规律的原因分析:隧道的开挖,其围岩中的应力释放,进行应力重分布;当洞壁厚度比较小时,如1m情况,则隧道开挖的应力释放直接影响到溶洞所在区域,由于溶洞是一个软弱带,所以塑性区直接穿过溶洞,导致洞壁围岩塑性破坏,从而发生突水突泥现象;当洞壁厚度比较大时,例如3m或5m情况,由于本围岩属于III级,其地层条件比较好(设计中锚杆的长度采用的是2.5m),隧道的开挖产生的围岩应力释放影响区域还在洞壁内,则洞壁靠近溶洞侧处于弹性受力状态,不会发生塑性变形,更不会破坏了,所以不会出现突水突泥现象;但是,如果溶洞内处于有压水状态,则在水的压力作用下,随着水压力的增加洞壁会发生塑性变形直到破坏,发生突水突泥现象。因此,在隧道施工中洞壁的厚度是引起岩溶突水突泥的一个关键因素。4结论本文主要就岩溶山区修建公路隧道引起的突水机理和模式进行了详细研究,在分析岩溶突水的地质因素、地表降水和气温因素的基础上,得出岩溶隧道施工突水机理为:在隧道施工过程中,由于隧道开挖引起围岩应力变化产生塑性区,当该塑性区与岩溶中充填物溶沟贯通时,则必然造成突水,这就是岩溶隧道施工中诱发突水灾害的根本原因。通过对溶洞洞壁厚度不同进行的数值模拟分析,其结论为:(1)初始位移场和应力场基本相同,隧道开挖后其位移场和应力场不相同;(2)随着洞壁厚度的增加,塑性区最大塑性应变值减小幅度比较大;(3)在隧道施工中洞壁的厚度是引起岩溶突水突泥的一个关键因素。