岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术

D01:10.13374j.isml00103x2006.07.002 第28卷第7期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 7 2006年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2006 岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 王树仁12何满潮 刘招伟) 1)中国地质大学（北京岩土工程与地热工程创新基地，北京1000832）燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛066004 3)北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044 摘要采用现场调查、模拟实验、理论分析与现场监测相结合的研究方法，对圆梁山隧道岩溶突 水特征及突水机理进行了系统研究，揭示了隧道岩溶突水是受岩溶充填物、水压与隧道围岩塑性 区范围等因素影响的渐进破坏过程.针对圆梁山隧道揭露的5个岩溶.分别制定了有效防治岩溶 突水的关键技术对策. 关键词工程地质条件：岩溶隧道：岩溶突水：数值模拟：防治对策 分类号U4536 圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道（全 策的研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有重 长11.068km),是已建和在建铁路隧道中施工难 要的工程实用价值. 度最大的工程之一，隧道穿越的可溶性灰岩地层 1 圆梁山隧道岩溶突水特征 总长约7100m,占隧道总长的64%.由于受高 压、富水、岩溶等诱导因素的影响，隧道施工中多 圆梁山隧道穿越高压富水的毛坝向斜、桐麻 次发生突水和伤亡事故，施工难度较大刂 岭背斜和冷水河浅埋段，地貌形态明显受地质构 隧道岩溶突水一直被认为是世界性的难题. 造控制，岩层具带状展布特征（如图1所示）.隧 我国境内岩溶分布广泛，约占国土面积的三分之 道施工中，先后在桐麻岭背斜和毛坝向斜遇到了 一，随着技术的进步和交通事业的加速发展，在岩 5个深埋充填型溶洞，充填介质为粉细砂、粉质粘 溶地区修建的隧道工程将会越来越多.尽管近年 性土和粘土等.其中毛坝向斜存在P2+e和 来国内外相关研究取得了不少成果24，但对圆 P1忙m两层承压水，承压水压力高达4.42~4.6 梁山隧道工程而言，仍存在许多问题.因此，以圆 MPa. 梁山隧道为工程背景进行岩溶突水规律及防治对 毛圳向斜 阿麻岭背斜 冷水河 圆隧道 1”溶洞2溶洞3溶洞 4溶洞5”溶洞 ()T(三叠系嘉陵江组)(2)T1d三叠系大治组)(3)P(二叠系长兴组)(4④P2.(二叠系吴家坪组)(5)Pm(二叠系茅口 组)(6P+4二叠系梁山组.栖霞组)(7)D3(泥盆系水车坪组)(8)S(志留系)(9)0+3（奥陶系中，上统）(10)0（奥 陶系大湾组)(1山)01。十什奥陶系红花圆、分乡，南津关组)(12)E(寒武系毛田组)(13)E3,(寒武系耿家店组)(14)E (寒武系平井组)(15)E2(寒武系高台组) 图1圆梁山隧道工程地质剖面图 Fig.1 Gedlogical profile of Yuanliangshan tunnel 11岩溶突水的水力特征 坑空间，涌泥量4200m3,最大涌水量为710 (1)突发性.3溶洞正洞超前下导坑施工到 m3h.从现场情况看，该类型溶洞的充填介质 DK354十879处时，掌子面突发爆喷型突泥、涌 为不透水物质，溶洞的周壁为结构完整的岩体，溶 水，瞬间硬塑~软塑状粘土塞满244m长的下导 洞的形成往往是呈垂直向发育，倾角大，因而溶洞 的充填物和上部的水体所积蓄的势能很大.当隧 收稿日期：2005-04-28修回日期.200509-08 作者简介：王树仁(1968一)，男，工程师，博士 道开挖时，势能急剧释放，形成爆喷突发性灾害

岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 王树仁1, 2) 何满潮1) 刘招伟3) 1) 中国地质大学( 北京) 岩土工程与地热工程创新基地, 北京 100083 2) 燕山大学建筑工程与力学学院, 秦皇岛 066004 3) 北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044 摘 要 采用现场调查、模拟实验、理论分析与现场监测相结合的研究方法, 对圆梁山隧道岩溶突 水特征及突水机理进行了系统研究, 揭示了隧道岩溶突水是受岩溶充填物、水压与隧道围岩塑性 区范围等因素影响的渐进破坏过程.针对圆梁山隧道揭露的 5 个岩溶, 分别制定了有效防治岩溶 突水的关键技术对策. 关键词 工程地质条件;岩溶隧道;岩溶突水;数值模拟;防治对策 分类号 U 453.6 圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道( 全 长 11.068 km) , 是已建和在建铁路隧道中施工难 度最大的工程之一.隧道穿越的可溶性灰岩地层 总长约 7 100 m, 占隧道总长的 64 %.由于受高 压、富水 、岩溶等诱导因素的影响, 隧道施工中多 次发生突水和伤亡事故, 施工难度较大[ 1] . 隧道岩溶突水一直被认为是世界性的难题. 我国境内岩溶分布广泛, 约占国土面积的三分之 一, 随着技术的进步和交通事业的加速发展, 在岩 溶地区修建的隧道工程将会越来越多.尽管近年 来国内外相关研究取得了不少成果 [ 2 4] , 但对圆 梁山隧道工程而言, 仍存在许多问题.因此, 以圆 梁山隧道为工程背景进行岩溶突水规律及防治对 策的研究, 不仅具有重要的理论意义, 而且具有重 要的工程实用价值. 1 圆梁山隧道岩溶突水特征 圆梁山隧道穿越高压富水的毛坝向斜、桐麻 岭背斜和冷水河浅埋段, 地貌形态明显受地质构 造控制, 岩层具带状展布特征( 如图 1 所示) .隧 道施工中, 先后在桐麻岭背斜和毛坝向斜遇到了 5 个深埋充填型溶洞, 充填介质为粉细砂、粉质粘 性土和 粘土等.其中毛 坝向斜存在 P2w +c 和 P1q+m两层承压水, 承压水压力高达 4.42 ～ 4.6 MPa . (1) T1j ( 三叠系嘉陵江组) ( 2) T1d ( 三叠系大冶组) ( 3) P2c ( 二叠系长兴组) ( 4) P2w ( 二叠系吴家坪组) ( 5) P1m ( 二叠系茅口 组) (6) P1L+q ( 二叠系梁山组、栖霞组) ( 7) D3s ( 泥盆系水车坪组) ( 8) S ( 志留系) ( 9 ) O2+3 ( 奥陶系中、上统) ( 10 ) O1d ( 奥 陶系大湾组) ( 11) O1n +f+h ( 奥陶系红花圆、分乡、南津关组) ( 12) E3m ( 寒武系毛田组) ( 13 ) E3g ( 寒武系耿家店组) ( 14) E2P ( 寒武系平井组) ( 15) E2g ( 寒武系高台组) 图 1 圆梁山隧道工程地质剖面图 Fig.1 Geological profil e of Yuanliangshan tunnel 收稿日期:2005 04 28 修回日期:2005 09 08 作者简介:王树仁( 1968—) , 男, 工程师, 博士 1.1 岩溶突水的水力特征 ( 1) 突发性.3 #溶洞正洞超前下导坑施工到 DK354 +879 处时, 掌子面突发爆喷型突泥 、涌 水, 瞬间硬塑～ 软塑状粘土塞满 244 m 长的下导 坑空间, 涌泥 量 4 200 m 3 , 最大涌水量 为 710 m 3 ·h -1 .从现场情况看, 该类型溶洞的充填介质 为不透水物质, 溶洞的周壁为结构完整的岩体, 溶 洞的形成往往是呈垂直向发育, 倾角大, 因而溶洞 的充填物和上部的水体所积蓄的势能很大 .当隧 道开挖时, 势能急剧释放, 形成爆喷突发性灾害. 第 28 卷 第 7 期 2006 年 7 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.7 Jul.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.07.002

。614 北京科技大学学报 2006年第7期 (2)高压性.隧道岩溶依埋深预估其静水压 14岩溶突水的动态特征 力高达4.6MPa.当2溶洞下导坑DK354+460 由对圆梁山隧道地表降雨与隧道岩溶涌水的 采用风钻打眼时，钻孔内高压水流的射程约为30 动态相关性分析，将该地区溶洞划分为三种类型： m;施做C20砼止浆墙后，采用地质钻超前钻孔达 未连通型、半连通型和连通型， 4m深位置时，钻孔内的涌水喷砂将钻杆冲出8 (1)未连通型.溶洞施工过程中涌水量较 m.对突水后的水压进行实测为2.73MPd1.在 大，施工完成后，溶洞内涌水量不受地表降雨影 隧道施工中所揭示的5个溶洞均出现了涌水、喷 响，一直处于稳定状态，见图2()所示，1#溶洞属 泥现象，由钻孔中射出的水流近数十米，充分体现 该类型. 了圆梁山隧道岩溶的高压特点. (2)半连通型.溶洞施工过程中，溶洞内涌 (3)富水性.圆梁山隧道预估正常涌水量为 水量受地表降雨有一定的影响，当地表降雨量大 9.8×10m3·d-,最大涌水量为145×104 时，溶洞内有所反映，且洞内涌水滞后一定时间， m3d厂1.5溶洞施工时，突发大规模涌水突泥， 当地表降雨量小时，溶洞内没有反映，见图2(b) 最大涌水量2X10m3h-1,涌水涌泥持续28min 所示，4溶洞属于该类型. 后渐小，涌泥量为15000m3.隧道所揭示的5个 溶洞均发生了多次的涌水涌砂现象，除1溶洞 南水量 ,涌水量 外，其他溶洞涌砂涌泥总量均超过了5000m3,充 分体现了圆梁山隧道岩溶富水、富砂泥)的特点. 降量 12岩溶突水的充填物特征 (1)泥砾型.经现场取样分析，1,4*与5 时回 时 ()末连通型特征线 b)半连通型特征线 溶洞的充填介质为泥砾型.1溶洞充填介质中粘 浦水量 土、砂、砾石、水比例基本相同，原地层填充物在未 面水量 受到压力水冲出前，其级配相当合理，呈较致密结 构.1溶洞按照“以堵为主”的原则进行了超前预 降雨量 注浆和超前支护，未造成较大的危害，施工安全顺 山LL 利.在类似的地质条件下，由于4溶洞、5溶洞 时间 时间 ()连通-I型特征曲线 (④连通-Ⅱ鞋特征曲线 采取了“以排为主”的施工措施，导致大量的泥砂 流失，给后续施工造成了困难. 图2隧道涌水量与地表降雨相关关系曲线 (2)细砂型.2溶洞充填介质为粉细砂层， Fig.2 Relations between karst water burst amount and rainfall 由于粉细砂层颗粒细、且为透水介质，因此预注浆 in Yuanliangshan tunnel 施工十分困难.工程实践表明，在该类充填介质 (3)连通型.连通型又分为连通【型和连通 岩溶隧道施工中，容易发生涌水、涌砂现象9. 一Ⅱ型.连通一I型是和地表直接连通，或与地下 (3)粘土型.3溶洞的充填介质为粘土型， 暗河体系直接沟通、汇水面积大，地表降雨对溶洞 经对该充填介质进行成分分析知，粘土含量占到 涌水量影响明显，降雨后在较长的一段时间内溶 70%以上，这种地层属于不透水层，在施工过程中 洞内仍保持较大的涌水量，见图2（©所示.2溶 一旦揭露此类岩溶充填物，极易发生爆喷型突泥 洞和5溶洞属于该类型.连通Ⅱ型是和地表直 灾害. 接连通，但地表汇水面积小，地表降雨后溶洞内反 1.3岩溶突水的时间特征 映明显，但地表降雨完成后溶洞内就基本无水，见 据统计，由施工现场发生的32次突水涌泥情 图2(c所示.3溶洞属于该类型. 况与施工工序对应关系分析，得出突发性突水涌 泥主要发生在隧道开挖和初期支护完成、二次衬 2隧道突水地质模式及突水机理 砌施工前两个环节，两者所占的比例分别为47% 21岩溶突水地质模式 和31%. 在圆梁山隧道工程高压富水区沿轴向和径向 因此.缩短初支单独承载时间、“二衬紧跟”、 各取出一个地质单元，假设该地质单元的范围充 实施考虑“全方位水压衬砌”支护模式对岩溶隧道 分大，在地质单元中包含理想等径的岩溶溶管和 施工十分重要. 圆形开挖隧道两部分，并保证在开挖隧道过程中

( 2) 高压性.隧道岩溶依埋深预估其静水压 力高达 4.6 MPa.当 2 #溶洞下导坑 DK354 +460 采用风钻打眼时, 钻孔内高压水流的射程约为 30 m ;施做 C20 砼止浆墙后, 采用地质钻超前钻孔达 4 m 深位置时, 钻孔内的涌水喷砂将钻杆冲出 8 m .对突水后的水压进行实测为 2.73 M Pa [ 5] .在 隧道施工中所揭示的 5 个溶洞均出现了涌水、喷 泥现象, 由钻孔中射出的水流近数十米, 充分体现 了圆梁山隧道岩溶的高压特点 . ( 3) 富水性.圆梁山隧道预估正常涌水量为 9.8 ×10 4 m 3 ·d -1 , 最大涌 水量为 14.5 ×10 4 m 3 ·d -1 .5 #溶洞施工时, 突发大规模涌水突泥, 最大涌水量 2 ×10 5 m 3·h -1 , 涌水涌泥持续 28min 后渐小, 涌泥量为 15 000 m 3 .隧道所揭示的 5 个 溶洞均发生了多次的涌水涌砂现象, 除 1 #溶洞 外, 其他溶洞涌砂涌泥总量均超过了 5 000 m 3 , 充 分体现了圆梁山隧道岩溶富水 、富砂( 泥) 的特点. 1.2 岩溶突水的充填物特征 ( 1) 泥砾型.经现场取样分析, 1 # , 4 #与 5 # 溶洞的充填介质为泥砾型 .1 #溶洞充填介质中粘 土、砂 、砾石、水比例基本相同, 原地层填充物在未 受到压力水冲出前, 其级配相当合理, 呈较致密结 构.1 #溶洞按照“以堵为主”的原则进行了超前预 注浆和超前支护, 未造成较大的危害, 施工安全顺 利.在类似的地质条件下, 由于 4 #溶洞、5 #溶洞 采取了“以排为主”的施工措施, 导致大量的泥砂 流失, 给后续施工造成了困难 . ( 2) 细砂型 .2 #溶洞充填介质为粉细砂层, 由于粉细砂层颗粒细 、且为透水介质, 因此预注浆 施工十分困难.工程实践表明, 在该类充填介质 岩溶隧道施工中, 容易发生涌水、涌砂现象[ 6] . ( 3) 粘土型 .3 #溶洞的充填介质为粘土型, 经对该充填介质进行成分分析知, 粘土含量占到 70 %以上, 这种地层属于不透水层, 在施工过程中 一旦揭露此类岩溶充填物, 极易发生爆喷型突泥 灾害 . 1.3 岩溶突水的时间特征 据统计, 由施工现场发生的 32 次突水涌泥情 况与施工工序对应关系分析, 得出突发性突水涌 泥主要发生在隧道开挖和初期支护完成 、二次衬 砌施工前两个环节, 两者所占的比例分别为 47 % 和 31 %. 因此, 缩短初支单独承载时间、“二衬紧跟” 、 实施考虑“全方位水压衬砌”支护模式对岩溶隧道 施工十分重要. 1.4 岩溶突水的动态特征 由对圆梁山隧道地表降雨与隧道岩溶涌水的 动态相关性分析, 将该地区溶洞划分为三种类型: 未连通型 、半连通型和连通型 . (1) 未连通型.溶洞施工过程中涌水量较 大, 施工完成后, 溶洞内涌水量不受地表降雨影 响, 一直处于稳定状态, 见图 2( a) 所示, 1 #溶洞属 该类型. ( 2) 半连通型.溶洞施工过程中, 溶洞内涌 水量受地表降雨有一定的影响, 当地表降雨量大 时, 溶洞内有所反映, 且洞内涌水滞后一定时间, 当地表降雨量小时, 溶洞内没有反映, 见图 2( b) 所示, 4 #溶洞属于该类型 . 图 2 隧道涌水量与地表降雨相关关系曲线 Fig.2 Relations between karst water burst amount and rainfall in Yuanliangshan tunnel ( 3) 连通型.连通型又分为连通-Ⅰ型和连通 -Ⅱ型.连通-Ⅰ型是和地表直接连通, 或与地下 暗河体系直接沟通、汇水面积大, 地表降雨对溶洞 涌水量影响明显, 降雨后在较长的一段时间内溶 洞内仍保持较大的涌水量, 见图 2( c) 所示.2 #溶 洞和 5 #溶洞属于该类型 .连通-Ⅱ型是和地表直 接连通, 但地表汇水面积小, 地表降雨后溶洞内反 映明显, 但地表降雨完成后溶洞内就基本无水, 见 图 2( c) 所示 .3 #溶洞属于该类型. 2 隧道突水地质模式及突水机理 2.1 岩溶突水地质模式 在圆梁山隧道工程高压富水区沿轴向和径向 各取出一个地质单元, 假设该地质单元的范围充 分大, 在地质单元中包含理想等径的岩溶溶管和 圆形开挖隧道两部分, 并保证在开挖隧道过程中 · 614 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 7 期

Vol.28 No.7 王树仁等：岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 615。 引发的岩溶突水不受单元边界效应的影响 覆岩重量 根据岩溶溶管（溶洞）与圆形隧道工程在空间 TW 分布的主要位置关系，可将岩溶突水的地质模式 覆岩重量 按图3分类. 道 顶位交错 溶 横向断面 底位交错 溶 交错模式 上侧位交错 (a)顶位交错模式 b)底位交错模式 突 地质 下侧位交错 A W 模 覆岩重量 覆岩重量 纵断面 上侧位交叉 交叉棋式 下侧位交义 继道 隧通 下侧位岩溶 图3隧道工程岩溶突水的地质模式分类 上侧位岩溶 Fig.3 Classification of karst water burst types in Yuanliang (c)上侧位交错模式 (d)下侧位交错模式 shan tunnel 图4横向断面交错模式计算模型 2.2岩溶突水机理分析 Fig 4 Computational models of the transverse section 22.1计算模型与力学参数 根据隧道岩溶突水的地质模式分类，构建岩 应力为15MPa.模型下部固定，左右边界限制水 溶突水的计算模型) 平移动.上侧位交叉和下侧位交叉模式的计算模 横向断面交错模式计算模型为40m(宽)× 型如图5所示. 40m(高)，划分为1600个单元.溶管直径取8m, 网 NE111 开挖隧道的直径为7m.隧道围岩水平应力为18 覆岩重量 图岩重量 MPa,模型上边界模拟埋深为600m时的自重应 隧道工程 隧道工程 力为15MPa.模型下部固定，左右边界限制水平 上侧位岩溶 下侧位岩溶 移动.顶位交错、底位交错、上侧位交错和下侧位 (a)上侧位交义模式 交错模式的计算模型分别如图4(a)~(d)所示. ()下侧位交叉模式 纵向断面交叉模式的计算模型为70m(宽) 图5纵向断面交叉模式计算模型 ×60m(高)，划分为4200个单元.溶管直径取8 Fig.5 Computati onal models of the lengthways section m,开挖隧道的高度为7m.隧道围岩水平应力为 材料破坏选用Mohr Coloumb破坏准则.数 18MPa,模型上边界模拟埋深为600m时的自重 值计算力学参数见表1所示. 表1计算力学参数表 Tabel 1 Mechanical parameters 岩体 容重/ 体积模量/ 剪切模量/ 粘聚强度/ 抗拉强度/ 摩擦角/ 渗透系数/ 类别 孔隙度 名称 (kg'm3) GPa GPa MPa MPa ) (Pa-1-s-1) 隧道围岩 灰岩 2500 &0 60 260 1.0 30 10-12 02 溶管岩体充填介质 1500 08 0.6 035 20 12 10-6 06 22.2岩溶突水规律分析 厚度的减小，隧道产生的最大位移量逐渐增大. (1)顶位交错模式岩溶突水规律 当隔离岩柱厚度由1.5m向05m递减时，隧道 (a)破坏场规律.如图6所示，随着隔离岩柱 最大位移量突然成倍增长 厚度的减小，隧道顶部产生塑性破坏的范围逐渐 (c渗流场规律.由图6~图8可知，随着隔 扩大.当隔离岩柱厚度由15m向0.5m递减时， 离岩柱厚度的减小，隧道涌水量逐渐增大，尤其当 隧道顶部的破坏范围突然成倍扩展，隧道顶部围 隔离岩柱厚度由15m向0.5m递减时，隧道涌 岩破坏严重，出现了大量的拉破坏单元 水量突然成倍增长. (b)位移场规律.如图7所示，随着隔离岩柱 (2)交错模式岩溶突水规律

引发的岩溶突水不受单元边界效应的影响. 根据岩溶溶管( 溶洞) 与圆形隧道工程在空间 分布的主要位置关系, 可将岩溶突水的地质模式 按图 3 分类. 图 3 隧道工程岩溶突水的地质模式分类 Fig.3 Classification of karst water burst types in Yuanliang￾shan tunnel 2.2 岩溶突水机理分析 2.2.1 计算模型与力学参数 根据隧道岩溶突水的地质模式分类, 构建岩 溶突水的计算模型[ 7] . 横向断面交错模式计算模型为 40 m( 宽) × 40 m( 高) , 划分为 1 600 个单元.溶管直径取 8m, 开挖隧道的直径为 7 m .隧道围岩水平应力为 18 M Pa, 模型上边界模拟埋深为 600 m 时的自重应 力为 15 MPa .模型下部固定, 左右边界限制水平 移动 .顶位交错、底位交错、上侧位交错和下侧位 交错模式的计算模型分别如图 4( a) ～ ( d) 所示 . 纵向断面交叉模式的计算模型为 70 m( 宽) ×60 m( 高) , 划分为 4 200 个单元 .溶管直径取 8 m, 开挖隧道的高度为 7 m .隧道围岩水平应力为 18 MPa, 模型上边界模拟埋深为 600 m 时的自重 图 4 横向断面交错模式计算模型 Fig.4 Computational models of the transverse section 应力为 15 M Pa .模型下部固定, 左右边界限制水 平移动.上侧位交叉和下侧位交叉模式的计算模 型如图 5 所示 . 图 5 纵向断面交叉模式计算模型 Fig.5 Computational models of the lengthways section 材料破坏选用 Mohr-Coloumb 破坏准则.数 值计算力学参数见表 1 所示. 表 1 计算力学参数表 Tabel 1 Mechanical parameters 类别 岩体 名称 容重/ ( kg·m -3 ) 体积模量/ GPa 剪切模量/ GPa 粘聚强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 摩擦角/ (°) 渗透系数/ ( Pa -1·s -1 ) 孔隙度 隧道围岩 灰岩 2 500 8.0 6.0 2.60 1.0 30 10 -12 0.2 溶管岩体 充填介质 1 500 0.8 0.6 0.35 2.0 12 10 -6 0.6 2.2.2 岩溶突水规律分析 ( 1) 顶位交错模式岩溶突水规律 . ( a) 破坏场规律.如图 6 所示, 随着隔离岩柱 厚度的减小, 隧道顶部产生塑性破坏的范围逐渐 扩大 .当隔离岩柱厚度由 1.5 m 向0.5m 递减时, 隧道顶部的破坏范围突然成倍扩展, 隧道顶部围 岩破坏严重, 出现了大量的拉破坏单元 . ( b) 位移场规律 .如图 7 所示, 随着隔离岩柱 厚度的减小, 隧道产生的最大位移量逐渐增大. 当隔离岩柱厚度由 1.5 m 向 0.5 m 递减时, 隧道 最大位移量突然成倍增长 . ( c) 渗流场规律.由图 6 ～ 图 8 可知, 随着隔 离岩柱厚度的减小, 隧道涌水量逐渐增大, 尤其当 隔离岩柱厚度由 1.5 m 向 0.5 m 递减时, 隧道涌 水量突然成倍增长. ( 2) 交错模式岩溶突水规律 Vol.28 No.7 王树仁等:岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 · 615 ·

。616 北京科技大学学报 2006年第7期 水量：上侧位顶位>下侧位>底位：隧道最大位 移量：顶位>底位>上侧位下侧位.综合比较， 0.6r 0一顶位交错 量一底位交错 ★一上侧位交错 (a)隔离岩柱4.Sm,最大流量 b)隔离岩柱35m,最大流量 ◆一下侧位交错 078×103m4s 196×103m2.s 02 0.1 2 3 隔水岩柱厚度m 图8交错模式隔水岩柱厚度与涌水量关系 Fig.8 Relations of isolated rock thickness with discharge water (©)隔离者住25m,最大流量(d隔离岩柱1.5m,最大流量 amount 38.76×10m.s 5886×10m. 1600 注：*剪切屈服单元：X屈服后恢复弹性单元：○拉破坏单元 9 1400 图6顶位交错模式塑性区与水流矢量场 。一顶位交错 1200 Fig 6 Plastic zones and fluid vectors of karst water 。底位交错 1000 女一上侧位交错 4 0 ·下侧位交错 600 200 2 3 45 隔水岩柱厚度m 图9交错模式隔水岩柱厚度与位移量关系图 (@)隔离岩柱45m, b)隔离岩柱35m, 最大位移15mm 是大位移19mm Fig.9 Relations of isolated rock thickness with maximal dis placement (©)隔离岩柱25m. (a)隔离岩柱15m. 最大位移40mm 最大位移193mm 图7顶位交错模式水流流线与位移矢量场 )顶位交错，最大位移 b)底位交错，最大位移 Fig 7 Displacement vectors and fluid streamlines 1529mm 1437mm 由计算结果知，其余三类交错模式下的岩溶 隧道施工，围岩中产生破坏场、位移场及渗流场的 变化趋势与顶位交错模式是基本一致的. 由图8和图9可知，四类交错模式的隔水岩 柱厚度与隧道涌水量、隧道最大位移量关系曲线 中，存在发生岩溶突水的隔离岩柱最小厚度，即引 (©)上侧位交错，最大 (@下侧位交错，最大 位移958mm 位移546mm 发岩溶突水的临界距离.此外，由图10可见，不 同的突水模式.产生岩溶突水的关键部位明显不 图10横断面各类交错模式隧道突水位移矢量场图 同. Fig.10 Displacement vectors of different karst water burst 由图8和图9可见，四类交错模式的隧道涌 types

注:＊剪切屈服单元;×屈服后恢复弹性单元;★拉破坏单元 图 6 顶位交错模式塑性区与水流矢量场 Fig.6 Plastic zones and fluid vectors of karst water 图 7 顶位交错模式水流流线与位移矢量场 Fig.7 Displacement vectors and fluid streamlines 由计算结果知, 其余三类交错模式下的岩溶 隧道施工, 围岩中产生破坏场 、位移场及渗流场的 变化趋势与顶位交错模式是基本一致的 . 由图 8 和图 9 可知, 四类交错模式的隔水岩 柱厚度与隧道涌水量 、隧道最大位移量关系曲线 中, 存在发生岩溶突水的隔离岩柱最小厚度, 即引 发岩溶突水的临界距离 .此外, 由图 10 可见, 不 同的突水模式, 产生岩溶突水的关键部位明显不 同. 由图 8 和图 9 可见, 四类交错模式的隧道涌 水量 :上侧位>顶位 >下侧位 >底位;隧道最大位 移量 :顶位 >底位>上侧位>下侧位.综合比较, 图 8 交错模式隔水岩柱厚度与涌水量关系 Fig.8 Relations of isolated rock thi ckness with discharge water amount 图 9 交错模式隔水岩柱厚度与位移量关系图 Fig.9 Relations of isolated rock thi ckness with maximal dis￾placement 图 10 横断面各类交错模式隧道突水位移矢量场图 Fig.10 Displacement vectors of different karst water burst types · 616 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 7 期

Vol.28 No.7 王树仁等：岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 617。 在四类交错模式条件下施工，宜优选“下侧位和底 20m递减时，隧道最大位移量突然成倍增长. 位”，最不宜选“顶位和上侧位”. (c渗流场规律.由图11和图12可知，随着 (3)上侧位交叉模式岩溶突水规律 隔离岩柱厚度的减小，隧道涌水量逐渐增大，尤其 (a)破坏场规律.如图11所示，掘进工作面 当隔离岩柱厚度由3.5m向20m递减时，隧道 向上侧位岩溶方向开挖，随着隔离岩柱厚度的减 涌水量突然成倍增长， 小，隧道中产生塑性破坏的范围逐渐扩大，当隔离 (4)纵向交叉模式岩溶突水规律 岩柱厚度由3.5m向20m递减时，隧道顶部的 由计算结果知，由于隧道轴向与溶管轴向空 破坏范围突然大范围扩展，直至与岩溶破坏区域 间交叉位置的不同，随着隧道掘进工作面向临近 连通. 溶管方向开挖，在隧道围岩中产生塑性破坏的位 置和范围是不同的 由图13和图14可知，上侧位交叉模式隧道 的涌水量和最大位移量都比下侧位交叉模式的 大.也就是说，在实际隧道工程的施工中，选择下 侧位交叉模式的开挖方向为佳， (a)隔离容柱13.0m.最大流量b)隔离岩柱95m.最大流量 0.35 1.71×102m.s 235×10m2+st 0.25 ◆上侧位交义 0.20 ·一下侧位交叉 0.15 0.10 0.05 0 5 隔水岩柱厚度 (©)隔离岩柱35m,最大流量（回）隔离岩柱20m,最大流量 523×10m,s 31.37×102m2, 图13隔水岩柱厚度与隧道的涌水量关系 注：%剪切屈服单元：×屈服后恢复弹性单元：○拉破坏单元 Fig.13 Relations of isolated rock thickness with discharge wa 图11上侧位交叉模式塑性区与流体矢量场 ter amount Fig.11 Plastic zones and fluid vectors of karst water 300- (b)位移场规律.如图12所示，随着掘进工 星250 有200 +上侧位交叉 作面向上侧位岩溶方向开挖，隧道中产生的最大 150 ·下侧位交叉 位移量逐渐增大，当隔离岩柱厚度由3.5m向 00 50 8 5 0 5 隔水岩柱厚度m 图14隔水岩柱厚度与隧道最大位移关系 Fig.14 Relations of isolated rock thickness with maximal dis- (a)隔离岩13.0m, (b)隔离岩柱9.5m, placement 最大位移12mm 最大位移21mm 3 隧道岩溶突水的防治对策 针对圆梁山隧道岩溶，提出如下岩溶突水防 治原则 (1)临界距离原则：由于岩溶隧道突水存在 (@)隔离岩柱3.5m, (山隔离岩柱2.0m, 临界距离，因此首先采用综合超前地质勘探手段， 最大位移46mm 最大位移263mm 查明岩溶的位置，然后在临界距离外，实施超前预 图12上侧位交叉模式流体流线与位移矢量场 注浆等加固措施：近距离穿越岩溶时，应减少爆破 Fig 12 Displacement vectors and fluid streamlines 震动对围岩的扰动，确保隔水岩柱的稳定

在四类交错模式条件下施工, 宜优选“下侧位和底 位”, 最不宜选“顶位和上侧位” . ( 3) 上侧位交叉模式岩溶突水规律 ( a) 破坏场规律.如图 11 所示, 掘进工作面 向上侧位岩溶方向开挖, 随着隔离岩柱厚度的减 小, 隧道中产生塑性破坏的范围逐渐扩大, 当隔离 岩柱厚度由 3.5 m 向 2.0 m 递减时, 隧道顶部的 破坏范围突然大范围扩展, 直至与岩溶破坏区域 连通 . 注:＊剪切屈服单元;×屈服后恢复弹性单元;★拉破坏单元 图 11 上侧位交叉模式塑性区与流体矢量场 Fig.11 Plastic zones and fluid vectors of karst water 图 12 上侧位交叉模式流体流线与位移矢量场 Fig.12 Displacement vectors and fluid streamlines ( b) 位移场规律 .如图 12 所示, 随着掘进工 作面向上侧位岩溶方向开挖, 隧道中产生的最大 位移量逐渐增大, 当隔离岩柱厚度由 3.5 m 向 2.0 m 递减时, 隧道最大位移量突然成倍增长 . ( c) 渗流场规律.由图 11 和图12 可知, 随着 隔离岩柱厚度的减小, 隧道涌水量逐渐增大, 尤其 当隔离岩柱厚度由 3.5 m 向 2.0 m 递减时, 隧道 涌水量突然成倍增长 . ( 4) 纵向交叉模式岩溶突水规律 . 由计算结果知, 由于隧道轴向与溶管轴向空 间交叉位置的不同, 随着隧道掘进工作面向临近 溶管方向开挖, 在隧道围岩中产生塑性破坏的位 置和范围是不同的. 由图 13 和图 14 可知, 上侧位交叉模式隧道 的涌水量和最大位移量都比下侧位交叉模式的 大.也就是说, 在实际隧道工程的施工中, 选择下 侧位交叉模式的开挖方向为佳 . 图 13 隔水岩柱厚度与隧道的涌水量关系 Fig.13 Relations of isolated rock thickness with discharge wa￾ter amount 图 14 隔水岩柱厚度与隧道最大位移关系 Fig.14 Relations of isolated rock thickness with maximal dis￾placement 3 隧道岩溶突水的防治对策 针对圆梁山隧道岩溶, 提出如下岩溶突水防 治原则. (1) 临界距离原则 :由于岩溶隧道突水存在 临界距离, 因此首先采用综合超前地质勘探手段, 查明岩溶的位置, 然后在临界距离外, 实施超前预 注浆等加固措施;近距离穿越岩溶时, 应减少爆破 震动对围岩的扰动, 确保隔水岩柱的稳定. Vol.28 No.7 王树仁等:岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术 · 617 ·