隧道穿越溶洞及断层突水机理与防控对策研究_舒宗运.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022隧道穿越溶洞及断层突水机理与防控对策研究舒宗运1,彭丁茂1,刘骏1,杜明泽2(1.浙江数智交院科技股份有限公司,杭州市 310013;2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京 100013)摘要:硬质岩地区的岩溶区和断层带突水防治的关键在于突水判据的建立。先从理论研究出发,以材料力学、结构力学和理论力学为基础,建立了“有效隔水岩层(柱)”的突水力学结构模型;采用了构建函数的方法,得到了“有效隔水岩层(柱)”的总势能函数表达式;基于突变理论,构建了岩溶区及断层带突水的尖点突变模型,获得了“有效隔水岩层(柱)”厚度、长度、水压力及岩石力学参数之间的函数关系;基于断裂力学,建立了一种硬质岩地区的岩溶区和断层带突水损伤力学判据,并以正在施工的广西某隧道为例,开展了应用研究,提出了隧道穿越硬质岩地区的岩溶区及断层带突水防控对策。结果表明:突水临界厚度值按计算突水临界厚度值的 1.5 倍取用,能较为有效地指导施工,验证了理论方法较为合理;提出的岩溶区或断层带突水防控对策,为解决隧道岩溶区和断层带突水问题提供一种新的理论支持。关键词:岩溶区突水;断层带突水;突水机理;防控对策;能量跃迁中图分类号:U459.2文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0993-08Study on Water Inrush Mechanism and Prevention and Treatment Measures of Tunnel Crossing Karst Area and Fault ZoneShu Zongyun1,Peng Dingmao1,Liu Jun1,Du Mingze2(1.Zhejiang Institute of Communications Co.,Ltd.,Hangzhou 310013,P.R.China;2.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,P.R.China)Abstract:The key of water inrush prevention in karst area and fault zone in hard rock area lies in the establishment of water inrush criterion.A water inrush mechanical structural model of effective water-resisting rock(column)was established based on material,structural,and theoretical mechanics.By using the method of constructing function,the total potential energy function expression of effective water-resisting strata(columns)was obtained.Based on catastrophe theory and the expression form of total potential energy function,the cusp catastrophe model of water inrush in karst area and fault zone was constructed.The functional relationship among the thickness,length,water pressure and rock mechanics parameters of effective water-resisting strata(columns)was obtained.Based on fracture mechanics,the mechanical criterion of water inrush damage in the karst area and fault zone was established.Tunnel under construction in Guangxi was taken as an example to study,according to the geological and hydrogeological conditions of the tunnel,the prevention and control measures of water inrush in karst area and fault zone where the tunnel through hard rock area were put forward.The research results show that:The critical thickness of water inrush was 1.5 times of the calculated critical thickness of water inrush,which can effectively guide the construction and verify that the theoretical method was reasonable.The prevention and control measures of water inrush in karst area or fault zone are put forward,which had certain guiding significance for construction and provides a new theoretical support for solving the problem of water inrush in karst area and fault 收稿日期:2022-07-18(修改稿)作者简介:舒宗运(1987),男,重庆丰都人,硕士,助理研究员,主要从事岩土工程、地下工程等领域的生产与科研工作。E-mail:shuzongyun 基金项目:2021 年度交通运输行业重点科技项目(2021-MS2-062);浙江省交通工程建设科研计划(2021029);国家自然科学基金(52104196)zone of tunnel.Keywords:water inrush in karst area;water inrush in fault zone;water inrush mechanism;prevention and control countermeasure;energy transitions0引言随着我国隧道与地下工程的大力建设,至目前为止,无论建设规模和数量,还是在难度方面都位居世界第一,特别是中西部地区的快速发展,已逐渐成为交通基建的重心。隧道与地下工程建设面临着地质构造复杂、地质环境多变、突水突泥灾害频发等诸多严峻考验。据统计,在交通、水电等地下工程基础建设中,近 80%的重大安全事故1是因隧道或地下空间的突水、突泥灾害及处置不当引起,造成了大量人员伤亡、重大经济损失与工期延误,甚至隧道或地下空间被迫改线或停建。此外,突水、突泥引发的地表塌陷等次生地质灾害,也给经济造成重大损失。然而,目前国内外与隧洞相关规范或规程,均未明确给出隧洞穿越岩溶区和断层带的设计和突水突泥的防控措施。因此,岩溶区及断层带的隧道及地下空间的突水机理及防控对策研究,一直是隧道及地下空间安全施工过程中亟待解决的重点和难点问题。多年以来,诸多学者和工程师们在隧道穿越岩溶区或断层带的突水机理与防控对策方面做了大量研究,亦取得了较多的科研成果。在突水机理研究方面,大致可分为三类。一类是压裂式突水,即隧道开挖卸荷后形成临空面,在地应力和水压力共同作用下,防隔水岩体结构所受内力超过结构本身抗拉强度或抗剪强度而破坏,导致突水发生;针对完整防隔水岩体结构,岩体结构受力后产生弯矩,隧道掌子面形成受拉侧,达到抗拉强度后,产生破损,形成压裂式突水2-3;针对碎裂岩体或致密散体防突结构,在岩土体内部或接触面发生剪切破坏而形成突水2。二类是劈裂式突水,即岩溶水或断层水一侧的防突岩体结构已存在裂隙损伤,随着隧道开挖卸荷,防突岩体结构逐渐变薄,裂隙中的水压力对裂隙有劈裂作用,裂隙向隧道空间逐步扩展,最终形成贯通裂隙而突水。三类是渗透突水,即围岩结构破碎且破碎岩块之间充填黏性土,岩溶或断层水向隧道空间发生渗流,细颗粒在渗流力作用下被带走,逐渐形成连通管涌而发生渗透式突水。基于上述三类突水模式,众多学者以材料力学、结构力学等为基础,建立了防突岩体结构力学模型,构建了突水力学判据,推导了防突结构未加固和加固后的安全厚度计算公式,譬如,周栋梁等4基于岩石剪切、冲切破坏的 Mohr判据和格里菲斯判据,建立 4 种破坏模式下岩溶区分岔隧道底板安全厚度预测公式;吴祖松等5基于统一强度理论和弹性理论推导出防突岩体结构在简支约束和固支约束条件下的安全厚度计算公式;郭佳奇等6在研究掌子面防突层裂纹的尺寸和方位、岩石断裂韧度值、裂纹面强度参数的基础上,提出了岩溶隧道掌子面防突岩体结构的失稳判据,推导了防突岩体结构的临界安全厚度计算公式;Yang 等7基于 Hoek-Brown 非线性强度准则和极限分析理论,建立了岩溶隧道掌子面防突岩体失稳的最小厚度判据。另外,部分学者还开展了影响安全厚度的因素敏感度分析8。目前,在岩溶或断层带突水力学判据研究和防突岩体结构安全厚度计算公式推导方面,很少从能量角度出发进行研究,部分学者也尝试从能耗角度研究了隧道距离顶板岩溶的安全厚度8,但都以简单做功原理和能量守恒原理进行推导,很少从脆性的岩体结构表现出的能量突变角度去研究。在岩溶区或断层带的突水防控对策研究方面,也取得和总结了较多的科研成果和防治经验。郭佳奇等9结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水灾害治理的工程实践,概括性地总结了我国近年来岩溶隧道施工中突水防治的基本原则和六项治理对策。张智健等10以国家一带一路重点项目云南临沧临翔至清水河高速公路马家寨隧道工程为依托,在分析评价隧道围岩稳定性的基础上,提出了地质预报及全断面超前帷幕注浆堵水防治措施。罗依珍等11以音频大地电磁法为手段探测隧道的富水区,提出的注浆堵水方案很好地解决了突水问题。前辈学者虽然做了大量研究工作,然而因地质条件的复杂性和差异性,岩溶区或断层带突水机理和防控对策很难达成共识,且从能量角度出发,在岩体突变破断导致突水方面的研究相对偏少。本文以广西某隧道穿越岩溶区和断层带为应用研究实例,提出“有效隔水岩层(柱)”的概念,并建立岩499地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷溶区和断层带突水损伤力学判据,计算“有效隔水岩层(柱)”厚度,提出的防控对策能有效解决突水问题,对隧道施工突水防治具有一定的指导作用。1岩溶区及断层带隧道突水机理本文从能量角度出发,认为当硬质岩体积蓄的势能超过了岩体本身所能容纳的最大势能后,发生突然破断,进而引发岩溶区和断层带突水,由此提出了岩溶区及断层带隧道突水机理。本文提出的突水机理基于 4 个假设提前条件:隧道围岩为硬质岩,力 学 行 为 表 现 为 脆 性;“有 效 隔 水 岩层(柱)”(岩溶水或断层水与隧道之间扣除松动圈破碎岩体后的那部分岩体)可等效为梁结构;未开挖前,“有效隔水岩层(柱)”内部无缺陷或力学损伤,为完整岩体;隧道围岩为连续均质且各向同性的弹性体,满足小变形理论要求。1.1岩溶区及断层带隧道突水过程隧道穿越岩溶区或断层带时,岩溶水或断层水突