爆破与开挖卸荷作用下岩溶隧道突水灾变过程研究

摘 要：爆破荷载及其引起的地应力瞬态卸荷效应会加剧岩溶隧道发生突水突泥灾害的风险，对隧道建设安全造成重大威胁。采用离散元数值模拟方法分析在爆破荷载与地应力开挖瞬态卸荷双重动力扰动下岩溶隧道与其上部高压富水溶腔间不同倾角隔水阻泥岩体灾变过程中的位移场、渗流场以及水压分布特征。研究表明，在爆破荷载与开挖瞬态卸荷作用下隔水阻泥岩体竖向位移随着开挖时间的增加逐渐增大，且沿着其厚度从上至下也呈现出增大趋势；隔水阻泥岩体竖向位移随着岩层倾角的增加逐渐增大，当岩层倾角为0°时，隔水阻泥岩体基本稳定，当岩层倾角为30°时，隔水阻泥岩体逐渐出现明显的失稳现象；岩层倾角一定时，岩溶水压沿着隔水阻泥岩体厚度从上到下逐渐减小；随着岩层倾角的增加，隔水阻泥岩体水压呈现出整体降低的趋势，且隔水阻泥岩体的稳定性以及抗突水能力随着岩层倾角的增加逐渐降低。

关键词：隧道工程;爆破开挖;瞬态卸荷;突水;数值模拟;

基金：国家自然科学基金项目，项目编号51778215;河南省科技攻关资助项目，项目编号212102310292;河南省高校基本科研业务费专项资金资助，项目编号NSFRF210337;

随着西部大开发和“一带一路”倡议的实施，我国交通和水利水电工程建设重心明显向地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区转移，越来越多的高风险岩溶隧道工程投入建设，许多国家每年都因不同程度的隧道岩溶灾害而造成巨大的经济损失和人员伤亡，其中突水突泥是岩溶隧道工程建设中最具危险性的地质灾害之一[1,2]。

境内外许多学者对岩溶隧道突水灾变过程进行了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。郭佳奇等[6]根据断裂力学和地下水动力学研究了岩溶隧道掌子面突水通道形成的动态扩径过程。De-xian Liang等[7]借助模型试验研究了隧道开挖接近前方含水体时，掌子面防突岩体突水灾变过程中监测点的应力、位移、水压力变化规律。管连永等[8]基于突水突泥岩溶隧道掌子面稳定性分析力学模型，对掌子面渗透破坏以及失稳过程进行模拟，并提出掌子面稳定性评价方法。李伟[9]基于PFC颗粒流程序，建立隧道模型，对隧道开挖过程、岩土体位移、速度场、颗粒接触力变化进行分析。刘招伟等[10]利用有限差分程序FLAC 2D分析了隧道前伏上、下侧位充水岩溶管道时，开挖过程中掌子面岩体塑性区、位移场及渗流场的变化规律。乔春生等[11]采用FLAC 3D中自带的遍布节理模型研究了隧道开挖过程中节理倾角对岩溶隧道掌子面岩体破坏区发展的影响。李志义等[12,13]分别以宜万铁路齐岳山隧道和沪昆高速铁路为工程背景，应用三维有限元方法分析了掌子面变形和破坏特征。郭佳奇等[14,15]通过离散元方法模拟了隧道与水压充填溶腔间防突岩层破坏和隧道掌子面断续节理防突层失稳突水灾变演化过程。王健华等[16]建立了隧道岩溶管道型突涌水模型，进行了突涌水过程中动态演化特征分析。李术才等[17]针对强致灾性承压隐伏溶洞，运用模拟试验开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程。上述研究取得了一系列具有重要意义的研究成果，极大地推动了岩溶隧道突水灾变过程的研究和岩溶隧道突水灾害防控技术及进步，为岩溶隧道快速、安全施工提供了支撑。

钻爆法是目前岩溶隧道施工中应用最为广泛的一种施工方法，在爆破开挖过程中，爆破荷载对岩溶隧道隔水阻泥岩体产生剧烈扰动，岩体破碎及新开挖自由面的形成，地应力伴随着岩体爆炸破碎被瞬间释放，使得围岩中的地应力在极短时间内卸除，极易造成岩溶隧道隔水阻泥岩体失稳破坏，从而引发突水等灾害[18]。因此爆破荷载和开挖瞬态卸荷是岩溶隧道突水灾变研究过程中重要的双重动力影响因素，目前上述双重动力扰动下岩溶隧道隔水阻泥岩体突水灾变过程的研究还鲜有文献报道。基于上述情况，本文拟采用离散元方法分析在爆破与开挖瞬态卸荷双重动力扰动下岩溶隧道与其上部高压富水溶腔间不同倾角隔水阻泥岩体灾变过程中的位移场、渗流场以及水压分布特征，揭示隔水阻泥岩体突水失稳过程中位移、水压等多元信息演化特征，从而为岩溶隧道突水灾害状态辨识和主动协同防控提供理论参考和工程指导。

岩溶隧道突水是在爆破开挖和人工扰动等因素作用下，隔水阻泥岩体多因素、多条件相互耦合影响下的系统失衡过程。岩溶隧道突水是隔水阻泥岩体中裂隙起裂、扩展与贯通动态演化过程，在数学上是一个高度非线性问题，从理论上难以刻画出隧道隔水阻泥岩体破坏突水灾变全过程。本文采用3DEC离散元数值模拟方法，揭示爆破与开挖瞬态卸荷双重动力扰动下高压富水溶腔位于岩溶隧道上方时隔水阻泥岩体失稳突水灾变演化过程。

建立三心圆隧道和椭圆型溶腔平面模型，隧道尺寸为：高度为9.5 m, 跨度为8.5 m。溶腔尺寸为：长轴为20 m, 短轴为12 m。整体模型为边长为80 m的正方形模型。模型下部约束其y方向的位移，模型两侧设置应力边界条件，上部施加不同埋深情况下由上覆岩土体重力作用换算得到的均布应力作为初始地应力，侧压力系数为1.2。岩层倾角分别为0°、15°、30°,溶腔水压p=1.0 MPa, 隔水阻泥岩体厚度为d=2 m, 隧道埋深为500 m, 如图1所示。

图1 隧道上部溶腔突水演化数值计算模型 下载原图

模型建立完成后，需要分别对块体和节理一系列参数进行合理赋值。数值模型中的块体采用摩尔库伦模型，节理采用具有残余强度的库伦滑移模型。离散元程序能够识别新的接触面，因此，在含高压水裂隙岩体裂纹扩展数值模拟过程中，如果由于应力场的作用块体产生新的节理，那么需要对新产生的节理的相关参数进行赋值。模型块体和节理参数分别列于表1和表2。

在离散元数值模型中，边界条件是由表征模型边界的场变量组成的，包括应力场和位移场两种。其中，力学边界包括位移边界和应力边界。边界条件应根据工程实际合理选择，在默认条件下，3DEC模型是无应力约束的，通过BOUNDARY命令力或者应力可以施加于任意边界或者部分边界上。在考虑爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用的岩溶隧道突水灾变过程数值模拟中，本文选择施加应力边界条件，因为在3DEC中是不能直接对位移边界进行控制添加的。爆破荷载与地应力卸荷通过在隧道开挖边界施加随时间动态调整与变化的反向作用力来实现，由爆破荷载与地应力引起的应力场采用BOUNDARY命令实现。

表1 模型块体参数 导出到EXCEL

表2 模型节理参数 导出到EXCEL

为了进行数据化分析，按图2设置监测点，以获取监测点的位移、水压等数据。监测点共15个，竖向等距排列，并从接近溶腔位置开始编号，每5个点为1组，共3组，所有监测点沿着溶腔与隧道的中轴线左右对称布置。模拟主要考虑不同岩层倾角下，对比分析在爆破荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用下岩溶隧道隔水阻泥岩体的不同响应。

图2 溶腔位于隧道上部时监测点 (数值计算点)布置 下载原图

单位：m

本文主要研究含水溶腔位于岩溶隧道隔水阻泥岩体上部时不同岩层倾角对岩溶隧道隔水阻泥岩体突水破坏演化进程以及岩体中的位移场、渗流场等的动态变化过程及规律的影响。选择岩层倾角分别为0°、15°、30°等3种工况进行离散元数值计算，并输出竖向位移图和水压力分布图进行对比分析。通过读取监测点位移和水压力值绘制相应曲线进行具体分析。

当岩层倾角为0°、15°、30°时，输出t取1 s、2 s、3 s、4 s时隔水阻泥岩体竖向位移，研究在任一岩层倾角(0°、15°、30°)情况下随着计算时间的增加，隔水阻泥岩体竖向位移的变化特征，以岩层倾角为15°为例，如图3所示。

由图3可知，在岩层倾角为15°情况下，岩溶隧道隔水阻泥岩体竖向位移随着计算时间的增加逐渐增大。当计算时间t=1 s时(图3(a)所示),岩溶隧道隔水阻泥结构整体位移较小，结构基本稳定；随着时间的增加，当t=3 s时(图3(c)所示),岩溶隧道隔水阻泥岩体整体位移增大，下方出现较小块体掉落；当t=4 s时(图3(d)所示),隔水阻泥岩体下部出现局部失稳现象，竖向位移相对较大。图4为岩层倾角为15°时不同时刻隔水阻泥岩体各监测点的竖向位移。由图4可知，隔水阻泥岩体结构竖向位移随着时间的增大逐渐增大，且竖向位移沿着隔水阻泥岩体厚度从上至下逐渐增大。选取监测点6、7、8、9、10为例，当t=1.0 s时，其竖向位移分别为-1.25 cm、-1.77 cm、-3.28 cm、-5.13 cm、-10.17 cm(负号表示位移沿着垂直方向竖直向下);当t=4.0 s时，竖向位移分别为-6.06 cm、-13.80 cm、-16.34 cm、-19.06 cm、-25.15 cm, 从t=1.0 s到t=4.0 s这一时间段内位移向下分别增加了384.80%、679.66%、398.17%、271.54%、147.30%;所以，无论是t=1.0 s或t=4.0 s, 隔水阻泥岩体竖向位移从上至下都是逐渐增大的。

为研究任一岩层倾角(0°、15°、30°)情况下随着计算时间的增加，隔水阻泥岩体水压变化特征，以岩层倾角15°为例，输出t=1 s、2 s、3 s、4 s时隔水阻泥岩体水压，如图5所示。

图5是岩层倾角为15°时岩溶隧道隔水阻泥岩体水压随着时间动态变化过程。由图5可知，当岩层倾角一定时，随着时间的增加，隔水阻泥岩体水压逐渐增大，且增大的幅度较小。当t=1 s时，岩溶隧道隔水阻泥岩体水压力相对较小，隔水阻泥岩体相对比较稳定；随着时间的增加，当t=2 s时(图5(b)所示),岩溶隧道隔水阻泥岩体水压力逐渐增大；当计算时间t=4 s时，由于隔水阻泥岩体在爆破荷载与地应力瞬态卸荷影响下会发生小部分局部失稳破坏，使含水溶腔的水发生渗流，沿着裂隙进入到隔水阻泥岩体内，使隔水阻泥岩体水压力逐渐增大。为进一步探究隔水阻泥水压力随时间的演化特征，提取岩层倾角为15°、不同时间点处隔水阻泥岩体内各监测点的水压力值，如图6所示。由图6可知，在任一时间点时，隔水阻泥岩体水压力沿着其厚度从上到下逐渐降低；第4 s时监测点的水压基本分布在较高的水压值，第1 s时监测点的水压基本分布在最低点，水压值最小，说明随着时间的增加，同一监测点处的水压力值逐渐增大，但是增大的幅度较小。以计算时间t=1 s和t=4 s为例，当t=1 s时，监测点6、7、8、9、10处的水压值分别为1.01 MPa、0.80 MPa、0.77 MPa、0.38 MPa、0.13 MPa; 当t=4 s时，监测点6、7、8、9、10处的水压值分别为1.04 MPa、0.83 MPa、0.79 MPa、0.53 MPa、0.23 MPa, 显然，岩溶隧道隔水阻泥岩体水压力沿着其厚度从上到下逐渐降低，且随着时间的增加同一监测点处的水压力值逐渐增大。

图3 岩层倾角为15°时不同时刻隔水阻泥岩体竖向位移 下载原图

图4 岩层倾角为15°时不同时刻各监测点竖向位移 下载原图

研究岩层倾角对岩溶隧道隔水阻泥岩体竖向位移影响特征，图7为岩层倾角分别为0°、15°和30°,计算时间为4 s时隔水阻泥岩体竖向位移。

由图7可知，岩层倾角对隔水阻泥岩体竖向位移具有显著的影响。随着岩层倾角的增加，隔水阻泥岩体竖向位移呈现出逐渐增大的趋势。当岩层倾角为0°时(图7(a)所示),隔水阻泥岩体结构基本稳定，几乎没有块体发生掉落，隔水阻泥岩体整体位移较小；当岩层倾角为15°时(图7(b)所示),隔水阻泥岩体下部出现较小范围的局部失稳现象，有小部分尺寸较小的块体掉落；当岩层倾角为30°时，岩溶隧道隔水阻泥岩体出现明显的失稳现象(图7(c)所示),岩溶隧道内已经出现较大范围的块体垮落的现象，掉落的块体出现较大的竖向位移，有的块体甚至掉落至隧道底部。为进一步研究岩层倾角对岩溶隧道隔水阻泥岩体竖向位移的影响，读取隔水阻泥岩体各监测点竖向位移，如图8所示。从图8可以看出，岩溶隧道隔水阻泥岩体竖向位移随着岩层倾角的增加逐渐增大。以岩层倾角为0°和30°为例，当岩层倾角为0°时，选取监测点6、7、8、9、10的竖向位移为0.16 cm、-4.48 cm、-5.68 cm、-6.06 cm、-7.18 cm, 然而在岩层倾角为30°时，竖向位移为-2.42 cm、-22.38 cm、-34.30 cm、-51.69 cm、-81.37 cm, 竖向位移分别增大了161.25%、399.55%、503.87%、752.97%、1 033.29%。所以，随着岩层倾角的增加，隔水岩体竖向位移增加较为显著。

图5 岩层倾角为15°时不同时刻隔水阻泥岩体水压 下载原图

图6 岩层倾角为15°时不同时刻各监测点水压力 下载原图

图7 不同岩层倾角隔水阻泥岩体竖向位移 下载原图

图8 不同岩层倾角各监测点竖向位移 下载原图

为进一步分析岩层倾角对岩溶隧道隔水阻泥岩体水压的影响，给出了倾角分别为0°、15°和30°,计算时间为4 s时岩溶隧道水压力分布图，如图9所示。

由图9可知，随着岩层倾角的增加，岩溶隧道隔水阻泥岩体水压呈现出下降的趋势，岩层倾角为0°时，隔水阻泥岩体水压最大，当岩层倾角为30°时，隔水岩体水压基本上较低。这是因为当岩层倾角较大时，岩溶隧道隔水阻泥岩体稳定性较低，隔水阻泥岩体在爆破荷载与地应力瞬态卸荷以及岩溶水压影响下发生失稳破坏，形成突水通道，溶腔内的岩溶水沿着通道流动，水压力丧失较大。最终导致隔水阻泥岩体处的岩溶水压出现相对较明显的降低。为进一步研究岩层倾角对隔水阻泥岩体水压力的影响，读取隔水阻泥岩体各监测点水压力值，如图10所示。从图10可以看出，在任一岩层倾角(0°、15°、30°)情况下，岩溶水压沿着隔水阻泥岩体厚度从上至下逐渐下降。例如当岩层倾角为0°,监测点6、7、8、9、10处的水压分别为1.03 MPa、0.83 MPa、0.79 MPa、0.53 MPa、0.23 MPa, 满足上述结论。另外，随着岩层倾角的增加，监测点的水压呈现出整体降低的趋势。如图10所示，当岩层倾角为0°时，监测点水压基本分布在较高的水压值，而当岩层倾角为30°时，监测点水压沿隔水阻泥岩体厚度由上而下降低幅度较大，且基本分布在较低的水压值。总之，当岩层倾角为0°时，岩溶隧道掌子面防突层的稳定性最好，其抗突水能力最强，即岩层倾角越小，隧道掌子面防突层稳定性越好，越不容易发生突水灾害。

图9 不同岩层倾角隔水阻泥岩体水压 下载原图

本文采用离散元方法研究了在爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力扰动下岩溶隧道与其上部高压富水溶腔间不同倾角隔水阻泥岩体突水灾变过程，重点分析了双重动力扰动下隔水阻泥岩体突水失稳过程中位移场、渗流场演化特征及岩层倾角的影响效应。

图10 不同岩层倾角各监测点水压 下载原图

(1)在爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力扰动下，岩溶隧道隔水阻泥岩体竖向位移随着开挖时间的增加逐渐增大，并且从靠近溶腔下部向靠近隧道上部的过程中，隔水阻泥岩体竖向位移自上而下呈现出逐渐增大的趋势，即隔水阻泥岩体竖向位移沿着其厚度从上至下逐渐增大。

(2)岩层倾角对隔水阻泥岩体竖向位移具有显著的影响。随着岩层倾角的增加，隔水阻泥岩体竖向位移逐渐增大。当岩层倾角为0°时，隔水阻泥岩体基本稳定，几乎没有块体发生掉落，隔水阻泥岩体整体位移较小；当岩层倾角为15°时，隔水阻泥岩体的下部出现较小范围的局部失稳现象，有小部分尺寸较小的块体掉落；当岩层倾角为30°时，隔水阻泥岩体逐渐出现明显的失稳现象。

(3)当岩体岩层倾角一定时，岩溶水压沿着隔水阻泥岩体厚度从上到下逐渐降低；此外，随着岩层倾角的增加，隧道隔水阻泥岩体内的水压呈现出整体降低的趋势。当岩层倾角为0°时，隔水阻泥岩体内监测点水压基本分布在较高的水压值，而当岩层倾角为30°时，监测点水压沿隔水阻泥岩体厚度由上而下降低幅度较大，且基本分布在较低的水压值。

(4)当充水溶腔位于岩溶隧道隔水阻泥岩体上方时，在爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力扰动下，随着岩层倾角的增加，防突层的稳定性以及抗突水能力逐渐降低，并且在岩层倾角为0°时，岩溶隧道掌子面防突层的稳定性和抗突水能力最强，与实际情况相符。

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