楊 超 鄒永木 李 磊 鐘祖良 李亞朋

(1.成貴鐵路有限責(zé)任公司,成都 610031;2.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400045;3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045)

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,尤其當(dāng)穿越深埋富水?dāng)鄬悠扑閹^(qū)域時(shí),在爆破等施工擾動(dòng)下,極易產(chǎn)生突水突泥,造成較大經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。[1]目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道突水突泥機(jī)理進(jìn)行了一定研究：Ma等對(duì)不同初始孔隙度、粒度組成和水壓力下砂巖樣品中小顆粒的遷移過(guò)程進(jìn)行研究,揭示了斷層破碎帶突水突泥微觀機(jī)理;[2]王德明等通過(guò)建立的三維地質(zhì)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),揭示了斷層帶圍巖應(yīng)力-應(yīng)變及滲流特性;[3]文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為地質(zhì)因素和地下水的溶蝕作用是造成斷層帶塌方的主要原因;隧道預(yù)留防突厚度不足是導(dǎo)致突水突泥的直接原因。從1944年Ribicic等首先提出相對(duì)隔水層厚度[6]的概念以來(lái),較多學(xué)者也對(duì)隧道安全防突厚度進(jìn)行了關(guān)注,文獻(xiàn)[7-8]等基于筒倉(cāng)理論推導(dǎo)了斷層破碎帶隧道突水突泥最小安全厚度表達(dá)式,發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶寬度對(duì)防突安全厚度影響顯著。

目前對(duì)隧道突水突泥機(jī)理及防突厚度研究取得了一定成果,但是,針對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹︸詈献饔孟路劳粠r體剪切失穩(wěn)機(jī)理的研究較為匱乏,且已有研究所依托的斷層破碎帶寬度也較小,對(duì)于百米以上寬度的深大富水?dāng)鄬悠扑閹?水力耦合特性更加復(fù)雜,但對(duì)此類地質(zhì)條件下隧道突水突泥的研究鮮有報(bào)道。

因此,以成昆鐵路德昌隧道穿越高家灣深大富水?dāng)鄬悠扑閹楸尘?通過(guò)理論分析,數(shù)值模擬等手段,對(duì)突水突泥災(zāi)變機(jī)理及掌子面防突安全厚度進(jìn)行研究,為類似不良地段工程施工提供參考。

1 工程概況

成昆鐵路德昌隧道為長(zhǎng)大鐵路隧道,隧道進(jìn)出口里程DK494+575—D2K508+855,全長(zhǎng)14 280 m。隧道最大埋深為1 030 m,斷面開(kāi)挖寬度12.3 m,高度11.1 m,屬深埋大斷面石質(zhì)隧道。

德昌隧道于D2K504+250附近與高家灣深大斷層破碎帶相交,隧道埋深為450 m左右,地下水位高度430 m左右。高家灣斷層帶為區(qū)域性大斷裂,斷層走向?yàn)镹12°E,傾向北西,傾角為48°,寬度為100～150 m,該斷層巖體破碎,巖質(zhì)以斷層角礫為主,地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 高家灣斷層破碎帶區(qū)域地質(zhì)斷面Fig.1 A profile of the fracture zone in the Gaojiawan fault

德昌隧道隧址區(qū)地下水以孔隙水、基巖裂隙水和斷層破碎帶孔隙潛水為主,尤其在高家灣斷層區(qū)域,巖土體顆粒間存在較大孔隙,并相互連接貫通至地表,直接接受大氣降水補(bǔ)給,在掘進(jìn)過(guò)程中巖體破碎,掌子面漏水嚴(yán)重。

2 突水突泥災(zāi)變過(guò)程

根據(jù)前期地質(zhì)勘察及現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露,德昌隧道D2K503+270—D2K504+245段為正常圍巖,圍巖等級(jí)Ⅱ—Ⅲ級(jí),采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖。隧道于樁號(hào)D2K504+245—D2K504+355段穿越高家灣斷層破碎帶,斷層破碎帶寬度約為110 m,圍巖等級(jí)Ⅳ—Ⅴ級(jí),采用三臺(tái)階施工工法。

德昌隧道在向高家灣斷層破碎帶方向掘進(jìn)過(guò)程中,圍巖強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì)。2018年12月5日,隧道開(kāi)挖至D2K504+236里程,隧道上臺(tái)階初支作業(yè)時(shí),拱底及掌子面中心部位出現(xiàn)掉渣,并伴有小股水流出。初支施工完畢后,水壓急劇增加,呈噴射狀水柱,且水質(zhì)渾濁、含較多泥沙,掌子面噴射混凝土出現(xiàn)大范圍剝落,出現(xiàn)大規(guī)模垮塌,大量泥沙涌入隧道,造成突水突泥災(zāi)害,如圖2a所示。在泥水的猛烈沖擊下,支護(hù)鋼架扭曲變形,拱墻噴射混凝土出現(xiàn)貫通性裂縫,鋼筋網(wǎng)及圍巖發(fā)生塌落,如圖2b所示。

a—涌泥;b—初支垮塌。圖2 突水突泥災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Sites of water and mud inrush

3 突水突泥機(jī)理分析

根據(jù)德昌隧道工程地質(zhì)以及災(zāi)變演化過(guò)程,并結(jié)合文獻(xiàn)[4,9]對(duì)隧道突涌災(zāi)害的劃分標(biāo)準(zhǔn),將此次突水突泥確定為斷層破碎帶作用下防突巖體剪切滑移引發(fā)的泥礫石型特大突涌災(zāi)害：德昌隧道普通圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí),整體強(qiáng)度較高,主要破壞模式為壓剪失穩(wěn)破壞。在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下,斷層破碎帶應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)重分布,作用于防突巖體上的斷層破碎帶應(yīng)力及水壓力增加,且預(yù)留防突厚度不足,剪切面產(chǎn)生應(yīng)力集中,超過(guò)巖體極限抗剪強(qiáng)度后發(fā)生剪切滑移,造成大規(guī)模突水突泥。

為研究防突巖體剪切破壞機(jī)理,建立富水?dāng)鄬悠扑閹Х劳粠r體簡(jiǎn)化受力模型,如圖3所示。

圖3 斷層破碎帶防突巖體受力模型Fig.3 The force model of the outburst-prevention rock mass in the fault fracture zone

圖3中,斷層面與水平線夾角θ為斷層破碎帶傾角,隧道掌子面和斷層破碎帶之間防突巖體厚度為S,防突巖體右表面作用有水平向斷層破碎帶地應(yīng)力px以及垂直于斷層面的地下水壓力pw,防突巖體和普通圍巖接觸面分布剪應(yīng)力為τ,將防突巖體所受各力向隧道軸線方向投影,得到平衡方程,如式(1)所示：

(1)

據(jù)摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,防突巖體剪切強(qiáng)度：

τ=c+σtanφ

(2)

式中：c、φ為防突巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo);σ為作用于防突巖體豎向應(yīng)力。根據(jù)SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[10],隧道圍巖水壓力pw可近似按(3)式估算：

pw=βγw(z-d)

(3)

式中：β為水壓力折減系數(shù),圍巖越破碎,其取值越大;γw為水的重度;z為隧道埋深,d為地表到地下水水面的豎向距離。

將式(2)、(3)代入式(1),整理得到隧道防突安全厚度表達(dá)式：

(4)

根據(jù)式(4),對(duì)德昌隧道突水突泥機(jī)理分析如下：

1)德昌隧道突水突泥區(qū)段埋深450 m,開(kāi)挖斷面面積100 m2以上,且斷層破碎帶巖體松散,斷層顆粒間孔隙發(fā)育,水壓力折減系數(shù)取值較大,由式(4)可知：對(duì)于此類深埋大斷面富水隧道,等效直徑D以及斷層帶應(yīng)力px、水壓力pw較大,導(dǎo)致防突巖體厚度顯著增加。

2)隧道開(kāi)挖至高家灣斷層破碎帶附近時(shí),臨空面水壓消散,斷層破碎帶地下水水頭差增大,防突巖體所受滲透力也增大,初期表現(xiàn)為隧道拱底及掌子面出現(xiàn)掉渣以及股狀涌水現(xiàn)象;高家灣斷層破碎帶組成物主要為膠結(jié)強(qiáng)度較差的斷層角礫,在施工擾動(dòng)下,原本處于穩(wěn)定狀態(tài)下的地下水沿角礫顆?？障断蜷_(kāi)挖面滲流,同時(shí),斷層松散介質(zhì)及礦物成分溶解于水體,滲流通道擴(kuò)展,反過(guò)來(lái)又會(huì)增加巖體滲流速度,形成惡性循環(huán),導(dǎo)致原巖結(jié)構(gòu)破壞,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、σ值降低,根據(jù)式(4),需要更大的防突安全厚度S,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際預(yù)留防突厚度不足(僅9 m左右),宏觀表現(xiàn)為掌子面水流呈高壓噴射狀,并夾雜溶解的泥沙。

3)高家灣斷層破碎帶寬度達(dá)100 m以上,相較于其他幾十米的層斷,防突巖體所要承受的斷層帶應(yīng)力px的增大,致使需要更大的防突安全厚度儲(chǔ)備,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖至高家灣斷層破碎帶區(qū)域時(shí),未及時(shí)調(diào)整防突安全厚度,導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害。

4 突水突泥數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)德昌隧道在高家灣深大斷層破碎帶區(qū)域施工時(shí)突水突泥災(zāi)變過(guò)程進(jìn)行研究,并確定該隧道防突安全厚度。

4.1 數(shù)值模擬方案

4.1.1模型尺寸選定

模擬D2K504+245—D2K504+355區(qū)段110 m寬的高家灣斷層帶區(qū)域隧道開(kāi)挖,將圍巖劃分為普通圍巖和斷層破碎帶圍巖,模型縱切面如圖4所示。

圖4 三維數(shù)值模型切面Fig.4 A longitudinal section of the 3D numerical model

模型各邊界距隧洞距離均大于4倍洞徑,長(zhǎng)(隧道縱向方向)為239 m,寬為120 m,高為110 m,隧道橫截面寬度約為12.6 m,高度約為11.5 m。初支厚度為0.25 m、二襯厚度為0.45 m,均為實(shí)體單元,模型單元共195 604個(gè),結(jié)點(diǎn)137 244個(gè)。

4.1.2材料參數(shù)

斷層破碎帶圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí),普通圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí),模型材料參數(shù)依據(jù)德昌隧道地質(zhì)勘察報(bào)告以及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]等資料進(jìn)行確定,見(jiàn)表1,其中斷層破碎帶滲透性具有一定的方向性,表現(xiàn)為豎向滲透系數(shù)比水平向滲透系數(shù)稍大(kz>kx=ky)。圍巖采用摩爾-庫(kù)侖模型,初支、二襯為彈性模型。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of surrounding rock and supporting structures

4.1.3邊界條件及開(kāi)挖方案

模型位移邊界條件：側(cè)面限制水平位移,下表面固定,上表面自由,且模型上表面施加上覆巖體所受重力。滲流邊界條件：模型初始孔隙水壓力沿豎向梯度分布,模型上表面靜水壓力為4.0 MPa,隧道開(kāi)挖臨空面設(shè)置為透水邊界且水壓為零。

隧道采用全斷面開(kāi)挖,開(kāi)挖進(jìn)尺為2 m,開(kāi)挖后及時(shí)施加初支,二襯滯后,流固耦合計(jì)算平衡后,進(jìn)行下一階段開(kāi)挖,直至揭露斷層破碎帶圍巖,圖5所示斷面Ⅰ位置處。

圖5 隧道縱向斷面示意 mFig.5 A schematic diagram of the longitudinal section of the tunnel

將隧道掌子面中心距斷層面水平向長(zhǎng)度S(即掌子面與圖5中斷面Ⅱ距離)作為防突厚度。斷面Ⅰ開(kāi)挖進(jìn)尺為68 m,斷面Ⅰ、Ⅱ間距為5 m,隧道開(kāi)挖起始面距斷面Ⅱ長(zhǎng)度為68 m+5 m=73 m,因此,防突安全厚度S為：

S=73-X

(5)

式中：X為隧道掌子面開(kāi)挖進(jìn)尺。

為研究隧道開(kāi)挖對(duì)斷層破碎帶滲流場(chǎng)影響,在斷面Ⅱ后1 m處設(shè)置水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)JD1。

4.2 臨界防突厚度的判據(jù)

隧道掌子面突水突泥是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)和工程問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其臨界失穩(wěn)破壞尚未形成統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn),陳澤龍?jiān)谘芯窟^(guò)程中“將掌子面塑性區(qū)和斷層帶塑性區(qū)貫通時(shí)作為臨界判據(jù)”[12],尚明源則“以掌子面最大位移、剪切應(yīng)變?cè)隽繛榕R界判據(jù)”[13]。隧道突水突泥的本質(zhì)在于防突巖體在外界條件作用下產(chǎn)生應(yīng)力破壞,宏觀表現(xiàn)為掌子面大變形、涌水量陡增等,因此,為安全起見(jiàn),分別將隧道掌子面涌水量、位移、塑性區(qū)以及斷層帶滲流場(chǎng)產(chǎn)生突變時(shí)(拐點(diǎn)處)的防突厚度作為臨界防突厚度,然后選取其中最大值作為隧道臨界防突安全厚度。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果

4.3.1滲流場(chǎng)變化特征

不同開(kāi)挖進(jìn)尺下圍巖滲流場(chǎng)及JD1處斷層破碎帶水壓變化分別如圖6、圖7所示。

a—4 m;b—16 m;c—32 m;d—52 m;e—64 m;f—68 m。圖6 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下圍巖滲流場(chǎng) MPaFig.6 Seepage fields of surrounding rock in different drill depths

圖7 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下JD1監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓Fig.7 Water pressure at JD1 in different drill depths

由圖6、圖7可知：在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,原本處于平衡狀態(tài)的地下水向開(kāi)挖臨空面匯集,形成泄水漏斗,隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大,滲流場(chǎng)的擾動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)增。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)到52 m,滲流場(chǎng)擾動(dòng)擴(kuò)展至斷層破碎帶,水壓力出現(xiàn)下降,表明富水?dāng)鄬悠扑閹б研纬赏ㄍ淼勒谱用娴男顾ǖ?隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大,斷層破碎帶圍巖泄水漏斗區(qū)域顯著增大,滲流通道進(jìn)一步擴(kuò)展,斷層帶地下水通過(guò)隧道臨空面快速泄排,且防突巖體厚度也不斷減少,在斷層帶水力耦合作用下防突體剪切面產(chǎn)生應(yīng)力集中。由圖7可知：隧道開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)到64 m時(shí),斷層帶水壓出現(xiàn)驟降拐點(diǎn),表明隧道掌子面和斷層破碎帶滲流場(chǎng)已完全貫通,斷層帶地下水大量涌入隧道,防突體失穩(wěn)破壞。

圖7斷層破碎帶水壓力曲線驟降,拐點(diǎn)處的開(kāi)挖進(jìn)尺X=64 m,根據(jù)式(5)計(jì)算得到隧道防突厚度為9 m,即0.68D(D為隧道等效洞徑)。

4.3.2掌子面涌水量變化規(guī)律

在隧道向斷層破碎帶開(kāi)挖過(guò)程中,對(duì)掌子面涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下隧道掌子面涌水量Fig.8 Water inrush volumes from working faces of tunnels in different drill depths

根據(jù)圖8,隧道掌子面涌水量監(jiān)測(cè)曲線大致可劃分成以下3個(gè)階段：

穩(wěn)定階段：圖8中AB段,隧道開(kāi)挖進(jìn)尺小于56 m,掌子面涌水量變化不大,基本穩(wěn)定在20 m3/h。此時(shí)隧道掌子面防突厚度較大,開(kāi)挖對(duì)斷層帶滲流場(chǎng)擾動(dòng)較小,巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

發(fā)展階段：BC段,隧道開(kāi)挖進(jìn)尺大于56 m后,掌子面涌水量增加,與穩(wěn)定階段相比所增加的涌水量來(lái)自于斷層破碎帶的滲流補(bǔ)給,說(shuō)明此時(shí)斷層帶和掌子面滲流通道已經(jīng)開(kāi)始貫通,斷層帶滲流場(chǎng)產(chǎn)生了較大擾動(dòng),也與前文中滲流場(chǎng)變化分析結(jié)果相符。

失穩(wěn)階段：CD段,隧道開(kāi)挖進(jìn)尺大于64 m時(shí),防突巖體在斷層帶應(yīng)力和滲透力作用下產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,掌子面涌水量驟增。

根據(jù)BC段掌子面涌水曲線拐點(diǎn)處的開(kāi)挖進(jìn)尺X=64 m,代入式(5),得到隧道防突厚度0.68D。

4.3.3掌子面位移變化規(guī)律

隧道掌子面水平向最大位移與開(kāi)挖進(jìn)尺關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下隧道掌子面位移Fig.9 Displacements at working faces of tunnels in different drill depths

隧道掌子面水平向最大位移曲線與涌水量監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)相似,也可劃分為三個(gè)階段：隧道開(kāi)挖進(jìn)尺小于52 m時(shí)為穩(wěn)定階段(AB段),掌子面位移隨開(kāi)挖進(jìn)尺變化不大,穩(wěn)定在5 mm附近;開(kāi)挖進(jìn)尺大于52 m時(shí)進(jìn)入發(fā)展階段(BC段),富水?dāng)鄬悠扑閹ё饔孟路劳粠r體產(chǎn)生剪切變形,掌子面位移發(fā)展較快;當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺大于62 m時(shí),掌子面迅速變形破壞,進(jìn)入失穩(wěn)階段(CD段)。

根據(jù)發(fā)展階段掌子面水平向最大位移曲線拐點(diǎn)處開(kāi)挖進(jìn)尺X=62 m,代入式(5),確定隧道防突厚度為0.83D。

4.3.4圍巖塑性區(qū)變化特征

圍巖采用摩爾-庫(kù)侖模型,當(dāng)隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力擾動(dòng)超過(guò)一定范圍后,圍巖將進(jìn)入塑形屈服階段,產(chǎn)生塑性區(qū)。因此,可通過(guò)對(duì)隧道掌子面前方巖體塑性區(qū)進(jìn)行觀察,判斷防突巖體穩(wěn)定性。

圖10為不同開(kāi)挖進(jìn)尺下掌子面前方巖體塑性區(qū)分布情況。隧道開(kāi)挖進(jìn)尺2 m時(shí),掌子面塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度為7 m,塑性區(qū)主要為剪切破壞。隧道開(kāi)挖進(jìn)尺32 m時(shí),掌子面塑性區(qū)延伸長(zhǎng)度穩(wěn)定在6～7 m。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)到60 m時(shí),掌子面塑性區(qū)擴(kuò)展至5 m,斷層帶首次產(chǎn)生剪切破壞塑性區(qū),表明隨著防突厚度減少,斷層破碎帶應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)擾動(dòng)顯著,圍巖穩(wěn)定性逐步降低。如圖10d、圖10e所示,開(kāi)挖進(jìn)尺64、68 m時(shí),塑性區(qū)體積產(chǎn)生驟增,掌子面前方巖體塑性區(qū)與斷層破碎帶塑性區(qū)貫通,防突巖體塑形破壞,突水突泥災(zāi)害即將發(fā)生,確定防突安全厚度為10 m,即0.76D。

a—2 m;b—32 m;c—60 m;d—64 m;e—68 m。圖10 不同開(kāi)挖進(jìn)尺下隧道掌子面塑性區(qū)分布Fig.10 Plastic zones at working faces of tunnels in different drill depths

觀察圖10,防突巖體主要破壞模式為剪切破壞,與前文中將此次災(zāi)害確定為防突巖體剪切滑移引發(fā)的泥礫石型特大突涌災(zāi)害的判斷相符。

4.4 臨界防突安全厚度確定

根據(jù)對(duì)滲流場(chǎng)(斷層帶水壓)、掌子面涌水量、掌子面水平向位移、掌子面塑性區(qū)等指標(biāo)變化對(duì)隧道突水突泥演化機(jī)理的研究,可確定其防突安全厚度分別為0.68D、0.68D、0.83D、0.76D,為安全起見(jiàn),取其中最大值0.83D作為臨界防突安全厚度。隧道爆破施工會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)損傷區(qū),根據(jù)Sheorey的研究[14],發(fā)現(xiàn)此損傷區(qū)距離小于1.5 m,因此,確定最小防突安全厚度為0.83D+1.5 m,即0.95D。

德昌隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害時(shí),掌子面中心距高家灣斷層破碎帶水平距離僅為9 m,即0.68D,小于臨界防突安全厚度0.95D,防突巖體失穩(wěn)破壞,產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害。

4.5 隧道埋深及斷層破碎帶寬度對(duì)臨界防突安全厚度的影響

由隧道突水突泥機(jī)理的定性分析可知,隧道埋深、隧道斷面面積、圍巖等級(jí)、斷層破碎帶寬度、地下水等因素均對(duì)隧道防突安全影響比較大,但德昌隧道埋深高、穿越斷層破碎帶寬度大的工程特征最為突出,因此,在德昌隧道實(shí)際工況的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步定量研究不同隧道埋深、斷層破碎帶寬度對(duì)隧道臨界防突厚度的影響。隧道埋深分別為200,300,400,450,500 m時(shí),防突厚度隨斷層帶寬度變化如圖11所示。在每一類工況下,除了探究的因素外,其余計(jì)算參數(shù)與德昌隧道參數(shù)相同。

圖11 不同隧道埋深下臨界防突厚度隨斷層破碎帶寬度的變化Fig.11 Changes of critical outburst-prevention thicknesses with widths of fault fracture zones in different buried depths

由圖11可知：斷層破碎帶寬度一定時(shí),隧道埋深越大,臨界防突安全厚度越大,且防突厚度的增加值與隧道埋深增加值的比值近似為一個(gè)定值,表明臨界防突厚度隨隧道埋深線性增加;臨界防突厚度也隨斷層破碎帶寬度的增大而增大,但逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。隧道埋深為200,300,400 m時(shí),臨界防突厚度分別在斷層等破碎帶寬度為60,80,100 m時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定,可見(jiàn),隨著隧道埋深的增大,還會(huì)使得斷層破碎帶對(duì)隧道防突厚度的影響增大,表明隧道埋深對(duì)掌子面防突安全的影響更為顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

以德昌隧道依托,通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬,研究了深大富水?dāng)鄬悠扑閹淼朗┕r(shí)突水突泥機(jī)理以及防突安全厚度,得出以下主要結(jié)論：

1)基于剪切破壞理論及工程實(shí)際,建立富水?dāng)鄬悠扑閹Х劳粠r體受力模型,推導(dǎo)出防突安全厚度表達(dá)式,并從隧道埋深及斷面面積、斷層帶分布寬度、地下水滲流以及圍巖巖性等方面對(duì)突水突泥機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

2)通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)隧道不同開(kāi)挖進(jìn)尺下圍巖滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、涌水量、塑性區(qū)等失穩(wěn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其均具有明顯的階段特征,經(jīng)歷了“穩(wěn)定階段—發(fā)展階段—失穩(wěn)階段”,反映了防突巖體失穩(wěn)災(zāi)害的形成、發(fā)展及災(zāi)變過(guò)程,與現(xiàn)場(chǎng)突水突泥過(guò)程基本吻合,并根據(jù)各失穩(wěn)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定德昌隧道開(kāi)挖時(shí)的臨界防突安全厚度為0.95倍隧道等效直徑。

3)掌子面臨界防突安全厚度隨斷層破碎帶寬度的增加表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,但隨隧道埋深則近似線性增加。對(duì)于深大富水?dāng)鄬悠扑閹淼?隧道埋深對(duì)防突安全的影響大于斷層破碎帶寬度的影響。

4)突水突泥是一個(gè)漸進(jìn)性破壞過(guò)程,在隧道施工時(shí),可通過(guò)掌子面涌水量、擠出位移等對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)出現(xiàn)突變預(yù)警時(shí),須及時(shí)采取超前支護(hù)及預(yù)加固后進(jìn)行開(kāi)挖穿越,且預(yù)留防突巖體不小于臨界防突安全厚度。