隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

翁贤杰， 徐继光， 刘 军， 张连震

(1. 江西交通咨询有限公司， 江西 南昌 330008； 2. 山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 3. 江西省高速公路投资集团有限责任公司， 江西 南昌 330025；4. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引言

随着我国交通基础设施的蓬勃发展，大量隧道工程建设在我国西南部地质极其复杂的山区及岩溶地区，隧道开挖过程中时常发生突水突泥灾害[1-3]，并造成了严重的经济损失与人员伤亡。突水突泥灾害的有效控制已成为地下工程防灾减灾领域的重要课题。

国内外学者在突水突泥机制研究方面取得了较多的研究成果。马士伟[4]基于剪切破坏理论和薄板理论，研究了岩溶隧道突涌水破坏机制及其行为特征；王军玺等[5]根据水力劈裂理论，提出了压力水力劈裂作用下的岩溶深埋隧道高压突水机制；刘招伟等[6]将水压力视为岩溶隧道的主要安全威胁，根据水压作用于隧道的位置情况，将岩溶隧道突水分为岩梁型突水、拱梁型突水和板柱型突水3种类型，并进行了相应的力学机制分析；王遇国[7]基于断裂力学理论，将岩溶防突岩层视为平面应变固支梁，推导了简化模型的应力状态公式；李利平[8]将岩溶隧道突水分为地质缺陷式和非地质缺陷式2类，采用流固耦合理论和突变理论分别研究了2种模式突水通道的形成过程及其失稳的力学判据。另外，L. Shi等[9]、黎良杰等[10]、许增荣[11]研究了断层要素及其所处采空区位置与突水的关系，认为断层面倾向采空区边界时易发生突水，特别当断层倾角与最大膨胀线相吻合时，最容易发生突水。然而，上述研究集中于突水突泥机制的概念理论，缺乏对具体灾变过程中多种前兆信息演化过程的研究，导致无法进行有效的工程指导。

为解决上述问题，本文在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律，以期为断层带突水突泥临灾预警提供技术支撑。

1 渗流诱发断层突水突泥机制

断层带岩体具有空隙大、渗透性好、结构疏松破碎、强度低等特点。地下水渗流作用对断层带充填物介质力学性质影响较大，是诱发断层破碎带岩体渗透失稳，导致突水突泥灾害发生的关键因素之一。渗流诱发断层突水突泥主要通过软化、泥化和力学破坏等作用形成。

1.1 地下水对岩体的软化、泥化

地下水补充到岩体内部时，充填物颗粒通过表面吸着力将水分子吸附到其周围，颗粒之间的间距相对增大，胶结作用被弱化，岩体结构面间的摩阻力减小，从而对岩体产生润滑作用。地下水渗入致使断层充填物含水量增加，物理性状发生改变，岩体由固态向塑态甚至液态转化，断层带发生软化、泥化现象，造成岩体黏聚力和摩擦角值大幅减小，力学性能发生蜕变。

1.2 渗流诱发通道扩展

地下水总是寻找构造带的软弱区域优先运移，并逐渐突破其关键部位，形成突水突泥。断层带破碎岩体基本呈现散体状结构形式[12]，区域内岩体由岩块骨架(如断层角砾岩等)和充填物组成，细小充填物填充于岩块空隙中，岩块之间的空隙构成了良好的渗水通道。地下水在断层破碎带岩体裂(孔)隙通道中运动会对充填物颗粒产生渗透压力作用，可使颗粒物质产生移动，甚至被迁移带出岩土体，导致岩体空隙增加和结构稳定性变差。

地下水流动时会对岩体孔隙或裂隙产生静水压力、渗流动水压力和拖拽力的三重力学作用[13-14]。静水压力是一种表面力，对孔隙或裂隙壁产生法向作用力。渗流动水压力是体积力，力的作用方向与地下水流动方向一致，对岩体空隙细小充填物产生沿水流方向作用力。拖拽力是一种面力，对通道壁产生沿水流方向的切向拖拽作用。在静水压力作用下，通道壁面发生法向张拉变形和位移，利于通道法向扩展。在渗流动水压力作用下，充填物在渗透方向上发生剪切变形和位移，破碎带岩体通道颗粒由初始紧密的结构逐渐转化为松散稀疏的结构，甚至由塑态向液态转化。在拖拽力的作用下，通道壁面发生切向变形和位移，壁面的土体颗粒在水的浸泡和切向力作用下，极易发生迁移，随水流流出。

1.3 渗流失稳致灾

一方面，在地下水渗流作用下，岩体空隙通道中的原有充填物颗粒不断被运移带走，岩体空隙率增加。另一方面，在静水压力和拖拽力的作用下，新增岩土体颗粒剥落迁移至空隙通道内，并被水流迁移带走，从而破碎带岩体渗透性不断增强。空隙和渗透性的增大又反过来增加渗流速度和渗透压力，导致更多的岩土体颗粒被地下水迁移带出岩体。这种渗流-应力耦合作用导致断层带岩体的渗透性不断增加，当平衡条件被破坏时，破碎岩体发生渗流失稳，诱发突水突泥地质灾害。

2 断层带突水突泥机制数值模拟

采用COMSOL有限元数值软件，考虑流固耦合作用，模拟分析隧道断层带开挖过程中应力场、位移场、渗流场等变化情况，主要从断层围岩稳定性角度研究隧道遇断层发生突水突泥机制。

2.1 流固耦合计算原理

采用COMSOL中的流体流动模块和固体力学模块进行流固耦合计算，在渗流场和应力场中设置耦合交叉项进行计算。基于Terzaghi有效应力原理，主要渗流场-应力场耦合方程如下。

-·σ=Fv；

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)—(5)中：Fv为体荷载,N/m3；σ为应力场，Pa；为哈密顿算子；u为位移场，m；ε为应变；Qm为渗流源汇项；ρ为流体密度，kg/m3；S为压缩系数；pf为流体压力，Pa；t为时间，s；v为渗流速度，m/s；αB为Biot-Willis系数；evol为孔隙比；μ为流体动力黏度，Pa·s；k为渗透率，m2；D为计算点位置高度，m；g为重力加速度，m/s2；χf为压缩率，1/Pa。

在软件计算过程中，渗流相关的物理量在流体流动模块中进行计算，通过对围岩与断层介质赋参(包括渗透率、流体密度等)并定义渗流边界条件，基于达西定律开展流体压力及渗流速度的计算；应力位移相关的物理量在固体力学模块中进行计算，也是通过对围岩与断层介质赋参(包括弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等)并定义受力变形边界条件，基于弹性模型及摩尔-库仑塑性屈服准则开展岩体应力场及位移场的计算；渗流场计算与岩体应力位移场的计算基于有效应力原理通过设置耦合交叉项来实现，在渗流场与岩体应力位移场的计算过程中，岩体有效应力与流体压力之和为总应力。通过以上关系实现流体压力与岩体有效应力的定量关联，在软件计算过程中求解渗流场与岩体应力位移场时可相互调用计算结果，迭代计算，从而实现渗流场与岩体应力位移场的耦合求解计算。

2.2 基本假定

1)岩体为均质、各向同性的等效连续渗透介质。

2)开挖前孔隙水处于静止状态，自由水面以下的岩体处于饱和状态；隧道开挖后地下水流动满足达西定律，渗流为单相饱和流动，并处于稳定状态。

3)岩体的初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力。

4)将岩体变形视为弹塑性变形，岩体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。

5)不考虑初期支护和二次衬砌的影响，仅按毛洞进行模拟分析，计算结果虽然一定程度上夸大了渗流和应力耦合作用效应，但有利于更直观地分析和揭示突水突泥灾害前兆信息演化规律。

2.3 计算模型

以江西省永莲隧道F2断层破碎带为研究对象，该隧道位于江西省吉安至莲花高速公路西段，设计为分离式长隧道，左线起讫里程ZK90+349～ZK92+835，长2 486 m，右线起讫里程YK90+335～YK92+829，长2 494 m。隧道穿越F2大型断层破碎带，断层破碎带含水异常丰富，水源补给条件复杂，充填介质岩性种类多,组分复杂。隧道左洞在穿越F2断层带过程中于2012年7月2日至8月19日期间发生8次突水突泥灾害，涌出淤泥约17 100 m3，右洞在2012年8月12日至10月25日期间发生7次突水突泥灾害，涌出淤泥约22 500 m3。突泥涌出物如图1所示，大规模突水突泥造成了严重的机械设备损失与工期延误。另外，山体内大量介质损失造成隧道上方山体发生地表塌陷，如图2所示。

图1 突泥涌出物

图2 地表塌陷

地下洞室开挖在3倍洞径之外影响一般小于5%[15-16]。因此，水平方向上，计算模型由隧道轴线向两侧各取60 m；竖直方向上，下边界取至隧底48 m，上边界取至静止水位线处，将超出模型计算范围的岩体按自重应力均布在隧道模型上表面。隧洞掌子面施工至距断层0.75～1.25倍洞径范围时，围岩应力、位移有较大变化[17]，因此纵向范围由断层向两侧各延伸70 m。整个计算模型三维尺寸为120 m×190 m×190 m。三维计算模型及网格划分见图3。计算模型纵断面图见图4。

图3 三维计算模型及网格划分(单位： m)

图4 计算模型纵断面图(单位： m)

渗流场边界条件： 模型上表面、隧道开挖周边及掌子面设置孔隙水压力为零边界；隧道左右、前后以及底部设为无流动边界。

应力、位移场边界条件： 模型上表面受上覆50 m岩土体重力作用；隧道开挖周边及掌子面为自由边界；隧道左右、前后限制水平位移，设为辊支承约束；隧道底部设为固定约束。

岩体力学参数根据工程地质勘察报告和现行有关规范选取，各参数具体取值见表1。

表1 围岩物理力学参数

在具体计算过程中，隧道由数值计算模型的左侧边界开始开挖，开挖方向为由左至右，直至隧道开挖完全通过断层区域，隧道掌子面开挖推进距离的计算起点以计算模型的左侧边界为起算点。

2.4 计算结果

2.4.1 孔隙水压力场分析

隧道开挖穿越断层带过程中，掌子面开挖推进0、30、92 m时围岩孔隙水压力分布见图5—7。

(a) 三维分布

(b) 剖面分布

(a) 三维分布

(b) 剖面分布

Fig. 6 Distribution of pore water pressure after excavation of 30 m (unit: Pa)

(a) 三维分布

(b) 剖面分布

Fig. 7 Distribution of pore water pressure after excavation of 92 m (unit: Pa)

分析图5—7可知： 开挖前，隧道围岩初始孔隙水压力整体呈层状分布，在普通围岩与断层带两者间的分布场一样，均随着深度的增加而增加；开挖后，围岩孔隙水压力场发生明显变化，隧道周围孔隙水压力等势面密集，水压力较低，形成类似于漏斗状的低孔隙水压力区域，特别当隧道开挖进入断层破碎带后，漏斗状低孔隙水压力区域相比于普通围岩进一步扩大。隧道开挖30 m后，最大孔隙水压力1.534 MPa；开挖92 m进入断层破碎带后，最大孔隙水压力降低为1.027 MPa，孔隙水压力大幅消散。隧道穿越断层带时，地下水更容易向洞内渗透，造成围岩软化，力学性能降低，从而加剧断层破碎带岩体的失稳破坏。由于隧道开挖掌子面的形成，掌子面处水压力为零，导致隧道围岩中的地下水向隧道掌子面汇集，进而形成降水漏斗。当隧道开挖进入断层破碎带之后，由于断层围岩的渗透性强于周围普通围岩，导致孔隙水渗流速度增加，掌子面附近围岩更容易被弱化，大大增加了突水突泥灾害发生的风险。

2.4.2 应力场分析

隧道开挖穿越断层过程中，取隧道掌子面后方10 m处的断面为监测面。图8为掌子面开挖推进30、68、76 m时围岩第一主应力分布云图。

(a) 开挖30 m后第一主应力分布

(b) 开挖68 m后第一主应力分布

(c) 开挖76 m后第一主应力分布

Fig. 8 Nephograms of first principal stress of surrounding rock at different excavation distances (unit: N/m2)

分析图8可知： 隧道开挖后，高应力主要集中在隧道侧壁、拱脚附近区域；低应力主要集中在拱顶和底板区域。最大压应力出现在拱脚附近，拉应力出现在拱顶和拱底附近。进入断层前，随着隧道开挖推进，围岩的第一主应力最大值逐渐增大，开挖30 m时，第一主应力最大值为2.56 MPa；隧道开挖68 m时，由于掌子面非常接近断层面，应力集中现象达到最大，主应力最大值高达4.94 MPa，增幅接近1倍；开挖76 m进入断层带后，第一主应力分布形式有较大改变，由进入断层前的“蝴蝶”型分布转变为围绕洞周的类似“拱形”分布，应力的急剧变化，导致隧道洞周围岩出现大范围卸荷、应力松弛、拉应力区增大现象。

2.4.3 位移场分析

隧道开挖穿越断层破碎带过程中，围岩位移变化情况如图9所示，其中向上位移为正值，向下位移为负值。取隧道掌子面后方10 m处的断面为监测断面，研究分析隧道围岩竖向位移变化情况。

图9 围岩位移变化情况

隧道开挖推进至断层破碎带前，隧道围岩竖向位移受断层影响不大，位移值基本稳定在某个较小值附近，变化不大。隧道由30 m向60 m推进时，拱顶沉降由6.409 mm变为7.538 mm，增幅仅为17.6%；拱底隆起变化幅度较拱顶更小，由10.1 mm变成10.2 mm，增幅约为1%。随着隧道开挖向断层推进，位移量出现急剧性、突变性增大的现象。隧道开挖推进92 m时，已深入断层带，拱顶沉降值达到23.8 mm，较推进30 m时增加271.4%；拱底隆起值达到25.7 mm，增幅高达154.5%。可见，隧道施工穿越断层带过程中，由于断层抵抗变形的能力显著低于断层两侧正常围岩，在相同地应力条件下，断层带内隧道围岩位移显著大于两侧正常围岩，围岩位移急剧性、突变性增加；由于断层段隧道围岩位移与两侧正常围岩段隧道围岩位移存在明显差别，隧道极有可能在断层边界处发生失稳，进而导致大变形甚至突水突泥灾害发生。

2.4.4 塑性区分析

取隧道掌子面后方10 m处的断面为监测断面，研究洞周围岩塑性区变化情况。图10为掌子面开挖推进30、60、92 m时监测断面洞周围岩塑性区分布云图。

分析图10可知: 随着隧道开挖向断层推进，洞周围岩的塑性区变化显著，塑性区范围不断急剧性、突变性扩大。隧道开挖进入距断层带较远时，围岩塑性区变化不大，基本呈“月牙型”分布，主要集中在拱肩至拱脚区域，尚未波及拱顶和拱底，隧道围岩屈服深度为2.5 m左右;随着隧道开挖向断层接近，塑性区逐步向拱顶和拱底扩大，开挖至60 m时，受断层影响，隧道拱顶出现塑性区;当隧道开挖进入断层带后，隧道拱顶和拱底出现大范围的塑性区，开挖至84 m时，隧道整个断面四周均出现了塑性区，屈服深度为2～2.5 m；开挖至92 m深入断层时，隧道洞周塑性区进一步扩大，屈服深度扩展至3 m左右，断层的破坏范围急剧增大。

(a) 开挖30 m后洞周塑性区分布

(b) 开挖60 m后洞周塑性区分布

(c) 开挖92 m后洞周塑性区分布

塑性区范围是围岩稳定性的综合指标之一，塑性区围岩可认为已经发生破坏。由于断层围岩的黏聚力与内摩擦角普遍低于普通围岩，所以当隧道开挖进入断层带后，塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加。断层带施工过程中，围岩发生大面积塑性破坏，破坏区形成的裂隙使得含水层和隧道开挖面形成水力联系。在地下水的冲刷作用下，裂隙逐渐扩展成为导水通道，最终造成隧道围岩失稳，形成突水突泥。

2.4.5 渗流场及渗流量分析

图11为隧道开挖推进50 m和84 m时，掌子面后方5 m监测断面洞周的渗流速度分布云图。掌子面后方5 m处断面最大渗流速度变化曲线如图12所示。

(a) 开挖50 m后掌子面后方5 m渗流速度场

(b) 开挖84 m后掌子面后方5 m渗流速度场

Fig. 11 Nephograms of distribution of seepage velocity around tunnel (unit: m/s)

图12 隧道涌水量与最大渗流速度变化曲线

Fig. 12 Curves of water inflow and maximum seepage velocity in tunnel

分析可知，隧道开挖后，拱脚附近区域渗流速度最大，高渗流速度区呈现类似于蝴蝶翼形式分布。随着开挖向断层推进，掌子面附近围岩的渗流速度发生急剧性、突变性增大。隧道开挖进入断层带区域前，地下水流动较为稳定，流速变化不大;隧道开挖至10 m时，最大渗流速度为7.7×10-6m/s；开挖至50 m时，最大渗流速度为9.2×10-6m/s，增幅仅为19.4%；开挖至60 m时，受断层带影响，最大渗流速度变为9.7×10-6m/s，增幅达到25.9%。隧道开挖进入断层带后，流速发生突变现象，呈现突然急剧性增大，掌子面推进至92 m时，最大渗流速度达到2.2×10-5m/s，增幅高达185.7%。因此，隧道施工至断层带后，渗流速度急剧增大，地下水对断层岩体的泥化软化作用及渗流通道扩展作用也显著提升，断层岩体内的细小颗粒不断被带出断层带，断层力学性能及抗渗性能迅速降低。当断层性能降低到一定程度时，极易造成突水突泥灾害。

为形成同情况对比，在图12中列出隧道掌子面涌水量随开挖推进距离变化情况。可知，掌子面涌水量与最大渗流速度随开挖推进距离的变化趋势保持一致。开挖推进至断层带前，掌子面涌水量变化较小；开挖至40 m时，掌子面涌水量为128.2 m3/d，较开挖10 m时仅增大2.23%；开挖至60 m时，受断层带影响，掌子面涌水量为145.8 m3/d，增幅达到16.3%；进入断层带后，掌子面涌水量急剧增加，发生突变现象；开挖至92 m时，掌子面涌水量增加为243.8 m3/d，增幅达到94.53%，涌水量的急剧性增加，极易引发突水突泥。

综合上述数值分析结果，隧道由普通围岩开挖进入断层围岩后，应力场、位移场、渗流场、隧道涌水量等前兆信息均发生了突变，主要表现为： 1)应力分布急剧变化，由进入断层前的“蝴蝶”型分布转变为围绕洞周的类似“拱形”分布； 2)隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3)塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 4)地下水渗流速度发生突变，呈现突然急剧性增大。以上灾害前兆信息变化趋势表明当隧道开挖进入断层破碎带后极易发生突水突泥事故。

在吉莲隧道开挖进入F2断层破碎带后，隧道左洞先后发生8次突水突泥灾害，涌出淤泥约17 100 m3，隧道右洞先后发生7次突水突泥灾害，涌出淤泥约22 500 m3。左洞与右洞突水突泥灾害发生位置与断层带的位置关系如图13所示，突水突泥灾害发生位置均在断层带区域内，一定程度上验证了本文数值模拟结果的正确性。

图13 突水突泥灾害发生位置与断层带的关系

Fig. 13 Relationship between fault zone and location of water and mud inrush

3 结论与展望

1)建立了可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，该模型可实现隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量等变化过程的全过程模拟。

2)当掌子面接近断层时，应力集中现象达到最大，主应力最大值高达4.94 MPa，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳。

3)由于断层抵抗变形的能力显著低于断层两侧正常围岩，导致断层带内隧道围岩位移显著大于两侧正常围岩，围岩位移急剧性、突变性增加。由于断层段隧道围岩位移与两侧正常围岩段隧道围岩位移存在明显差别，隧道极有可能在断层边界处发生失稳。

4)隧道开挖至断层带后，地下水渗流速度及涌水量急剧增大，地下水对断层岩体的泥化软化作用及渗流通道扩展作用显著提升，断层岩体内的细小颗粒不断被带出断层带，断层力学性能及抗渗性能迅速降低，当断层性能降低到一定程度时，极易造成突水突泥灾害。

本文主要是针对突水突泥灾害发生前的各个物理场、围岩塑性区、涌水量等前兆信息进行研究，而突水突泥灾害发生过程中其流体流动状态、围岩受力状态与稳定岩土体具有显著的差别，因此本文研究成果尚不能有效描述灾害发生过程，下一步将主要开展突水突泥发生过程中流体流动跟踪分析与岩土体塌方过程的研究。