动力扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤试验研究_邬忠虎.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02093-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-01-04;修订日期:2022-11-15基金项目:贵阳市轨道交通 2 号线一期工程科研课题(D2(I)-FW-YJ-2019-001-WT);贵州省水利厅科技专项经费项目(KT201804);贵州省科技支撑计划(黔科合支撑 2022 一般 227)第一作者:邬忠虎(1989)，男，汉族，贵州贵阳人，博士，教授。研究方向:岩土体破裂失稳、储层裂缝预测及隧道与地下工程灾害防治。E-mail:wuzhonghugzu163 com。引用格式:邬忠虎，崔恒涛，宋怀雷，等 动力扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤试验研究J 科学技术与工程，2023，23(5):2093-2099Wu Zhonghu，Cui Hengtao，Song Huailei，et al Experimental study on seepage-stress-damage of karst tunnel gushing water under dynamicdisturbance J Science Technology and Engineering，2023，23(5):2093-2099动力扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤试验研究邬忠虎1，崔恒涛2，宋怀雷1，吴海宝3，吴昌裔3(1 贵州大学土木工程学院，贵阳 550025;2 西南交通大学土木工程学院，成都 610031;3 贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵阳 550001)摘要为探究不同距离下充水溶洞对岩溶隧道突涌水灾变演化的过程，基于扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对研究区的灰岩进行微观结构表征分析，再采用岩石破裂过程分析软件 FPA2D-Flow 建立数值模型，模拟不同距离溶洞对隧道开挖的影响。试验结果表明:通过 SEM 观察发现，灰岩矿物内部晶体颗粒分布不均匀，形状不规则，存在溶蚀孔隙较为发育。隧道在开挖扰动过程中，不同距离下溶洞对隧道围岩破坏过程影响显著，当相对距离为1 m 时，溶洞周围围岩单元损伤最严重，2 m 时次之，处于临界状态，3 m 时最小。整个开挖过程大致可分为 3 个阶段:压密阶段、裂缝扩展阶段、失稳破坏阶段。根据声发射总能量与声发射计数的趋势变化，可以清晰反映出在隧道突涌水的灾变演化情况。研究成果对富水岩溶隧道突涌水的防预和处治提供给理论指导。关键词岩体;围岩;突涌水;FPA;声发射中图法分类号TU45;文献标志码AExperimental Study on Seepage-Stress-Damage of Karst TunnelGushing Water under Dynamic DisturbanceWU Zhong-hu1，CUI Heng-tao2，SONG Huai-lei1，WU Hai-bao3，WU Chang-yi3(1 School of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China;2 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;3 Guiyang Urban ail Transit Group Co，Ltd，Guiyang 550001，China)Abstract In order to explore the evolution of the flood-filled cavern at different distances to the sudden flood disaster of karst tun-nels，the limestone in the study area was analyzed based on scanning electron microscopy(SEM)，and then a rock fracture processanalysis software FPA2D-Flow was used to establish a numerical model to simulate the influence of caves at different distances on tun-nel excavation The experimental results show that through SEM observation，it is found that the crystal particles in limestone mineralsare unevenly distributed，the shape is irregular，and the dissolution pores are more developed In the process of excavation disturbanceof the tunnel，the cave at different distances has a significant impact on the destruction process of the surrounding rock of the tunnel，when the distance is 1 m，the surrounding rock unit around the cave is the most seriously damaged，followed by 2 m，in a criticalstate，and the smallest at 3 m The entire excavation process can be roughly divided into three stages of the compaction stage，thecrack expansion stage，and the unstable damage stage Based on the trend change of the total accumulated energy of acoustic emissionand acoustic emission count，the catastrophic evolution of the sudden water in the tunnel can be clearly reflected The research resultsprovide theoretical guidance for the prevention and treatment of sudden water inrush in water-rich karst tunnels Keywords rock mass;surrounding rock;water inrush;FPA;acoustic emission近年来，随着国家西部大开发战略的实施，一大批土木水利等重大基础工程陆续建设，推动了隧道工程的建设发展1-5。而贵州省的地质情况相对较复杂，以碳酸盐分布最广，属于典型的岩溶发育投稿网址:www stae com cn地区，在进行城市轨道交通建设的过程中，隧道工程的修建具有“强岩溶、高应力、高水压、构造复杂、灾害频发”等显著特点6-8。在隧道施工过程中易发生突涌水等地质灾害，极易造成经济损失和人员伤亡。突涌水灾害灾变的本质是水与岩体相互作用的结果，处于富水环境下的岩体，其力学特性及变形特征会受到复杂地质环境的影响，隧道在开挖过程中扰动岩体更易发生失稳破坏9-12。目前，关于溶洞诱发隧道突涌水的灾变，国内外许多学者做了大量工作，取得了丰富的经验。王媛等13 采用颗粒流 PFC3D软件建立由裂隙岩体及断层构造的围岩隧洞数值模型，模拟隧洞突涌水全过程，研究集中水源等因素对隧洞突涌水的影响;Wu 等14 通过 FLUENT 软件研究突水后的水流特性，得出不同开挖情况和不同突水位置下水的运动规律;Tang 等15 基于 FLAC3D建立了流固耦合模型，对开采过程中上覆岩层及水层中的孔隙水压力变化特征进行分析，探讨突涌水的时空特征，并以此确定突水前兆信息;赵蕾等16 采用 FPA-Flow 系统研究了不同充水条件下裂隙溶洞对隧洞开挖过程围岩的稳定性，探讨了在施工扰动下裂隙溶洞隧道突水过程的机理;Pan 等17 通过建立大型物理三维模型试验，揭示了施工过程中岩溶溶洞与承压水接近引起而突水的机理，将突水过程分为 3 个阶段，即群体裂纹的萌生阶段、突水通道的形成阶段和防水层的完全垮塌阶段。由此可见，针对隧道动力扰动下岩溶问题，亟须围绕岩溶的应力-渗流-损伤耦合效应对溶洞隧道突涌水灾变演化过程分析。现以贵阳市轨道交通 2 号线二期工程(富源北路站森林公园站区间)的突水区域为研究对象，采用岩石破裂过程分析软件 FPA2D-Flow 模拟不同距离溶洞对隧道开挖的影响，研究开挖动力扰动作用下隧道突涌水灾变演化过程，分析损伤演化过程中的能量变化规律，以期为贵阳市城市轨道交通后期工程的安全施工提供理论指导，推动岩溶地区隧道工程的建设发展。1工程地质背景1.1工程概况富源北路站森林公园站区间属于贵阳市轨道交通2 号线二期工程，线路出富源北路站后，先后下穿富源北路、中环路高架桥、七星大酒店后，下穿森林公园山岭，到达首开紫郡附近森林公园站，隧道起讫里程 YDK39+018.430 YDK42+059.47，ZDK39+018.43 ZDK42+059.47，右隧全长 3 041.04 m，左隧全长3 043.036 m，隧道采用矿山法施工。区间右线内小里程端作业面(掌子面里程YDK40+226.200)拱部右上角突发突涌水，短时间的突涌水量约 5 000 m3。该研究区域地貌类型为高中山溶丘和溶蚀洼地相间地貌，地势起伏较大，地面纵坡较陡，自然坡度为 30 40，植被茂密，以松树为主，林间杂以灌木，水土保持较好，如图 1 所示。1.2地层岩性及地质构造地层岩性主要以碳酸盐岩为主，其次为碎屑岩。第四系覆盖层一般较薄，下伏侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系等地层，岩性以灰岩为主。据区域地质资料及实地工程地质测绘，拟建场地位于扬子准地台黔中腹地贵阳复杂构造变形区，具体位置为贵阳向斜轴部北端东侧，地质构造较复杂。图 1研究区地理位置示意图Fig.1Schematic diagram of the geographical location of the study area4902科学技术与工程Science Technology and Engineering2023，23(5)投稿网址:www stae com cn2试验方法2.1灰岩微观结构表征分析试样选取研究区突水位置处的灰岩作为试验材料，通过钻探技术钻取岩心样品。为了进一步确定此次突水灾害的原因，采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)试验分析灰岩微观结构特征。利用扫描电子显微镜研究灰岩矿物颗粒晶体内部的表面特征，选取试验样品尺寸为 365 mm 275 mm，对灰岩样块进行 SEM 试验，仪器型号为蔡氏 Sigma 300，矿物内部表面形貌如图 2 所示。可以清晰看出，矿物晶体内部颗粒分布不均匀，形状不规则，表面棱角凸显，呈现部分壳状结构，凹凸不平，溶蚀孔隙较为发育。这种壳状结构及微裂隙的存在使得矿物内部颗粒具有较大的比表面积，与液体能充分接触，内部变得疏松，从而具有较强的亲水特性。图 2灰岩电镜扫描图Fig.2Scanning electron microscope image of