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 ·

。618 北京科技大学学报 2006年第7期 (2)关键部位原则：针对岩溶隧道突水的关 系，提出了岩溶突水的六类地质模式，对各类地质 键部位，重点对需加强支护部位采用超前管棚支 模式的岩溶突水过程、突水规律及突水机理进行 护、小导管补充注浆加固等措施 了分析. (3)下位交叉施工原则：由数值模拟分析结 (3)针对对圆梁山隧道岩溶，提出隧道岩溶突 果知，隧道施工需穿越岩溶地层时，应优先选择下 水的防治原则.在指导圆梁山隧道工程实践中， 位交叉模式的方向施工. 实现了隧道工程在复杂岩溶条件下的安全、高效、 (4)旱季施工原则：通过对岩溶突水特征的 优质施工，取得了良好的技术经济效果 分析，对连通型溶洞，应避开雨季施工，而对未连 通型溶洞，则不受季节影响. 参考文献 (5)“二衬紧跟”原则：由与岩溶突水主要发 【刂石新栋.圆梁山隧道主要工程地质问题及施工对策.隧道 建设，2004.245)：72 生在开挖和初期支护两个环节，采取”抗水压二次 【邹成杰.水利水电岩溶工程地质.北京：水利水电出版社， 衬砌”支护模式及“二衬紧跟”施工技术措施. 1994 (6信息化施工原则：在隧道施工过程中，应 3 White W B.Conoeptul modek for limestone aquifers. 加强对隧道围岩变形、水压力和支护结构应力、应 Ground water,1969.7(3):15 变监测，进行信息化施工，确保施工安全 [4 Shuster E T.White W B.Seasonal fluctuations in the chem- istry of limestone springs:A possible means for characterizing 4结论 carbonate aquifers J Hydrol.1971.14:93 【匀张民庆，彭蜂.圆梁山隧道毛坝向斜水压力监测分析.岩 (1)通过现场调查，提出了圆梁山隧道岩溶 土工程学报，2003.25(6：702 突水的水力特征、时间特征、岩溶充填物特征及突 【(刘招伟，张民庆.隧道深埋充填型溶洞注浆施工技术探讨. 水的动态特征，对充填富水型岩溶的危险型评估、 隧道建设，2003,23(5)：48 制定合理的防治对策至关重要. [7]FLAC2D(33)User's Manual.Minnesota:Itasca Consulting Group Inc.1996 (2)根据隧道与岩溶管道可能的空间位置关 A nalysis on the process of water burst catastrophe and it's prevention counter- measures in a karst tunnel WANG Shuren2),HE Manchao,LIU Zhaowei 1)Innovative Base of Geotechnical and Themal Engineering,China University of Geosciences,Beijing 100083,China 2)School of Civil Engineering and Mechanics.Yanshan University.Qinhuangdao 066004.China 3)School of Civil Engineering and Architecture,Beijing Jaotong University,Beijing 100044,China ABSTRACT On basis of the investigation on engineering geological conditions,the process,pattem and features of karst water burst,as well as the mechanism of the water burst,were studied by means of labo- ratory test,numerical modeling,theoretical analysis and in-situ tests.The results showed that the karst water burst in a tunnel was a gradually developed process,which is influenced by water pressure,filling materials and plastic zones around the tunnel.Detailed technical measures were planned for different karst structural ty pes and different geological modes in Yuanliangshan tunnel. KEY WORDS engineering geological conditions;karst tunnel;karst water burst;numerical simulation; prevention countemeasure

( 2) 关键部位原则 :针对岩溶隧道突水的关 键部位, 重点对需加强支护部位采用超前管棚支 护、小导管补充注浆加固等措施. (3) 下位交叉施工原则 :由数值模拟分析结 果知, 隧道施工需穿越岩溶地层时, 应优先选择下 位交叉模式的方向施工. (4) 旱季施工原则 :通过对岩溶突水特征的 分析, 对连通型溶洞, 应避开雨季施工, 而对未连 通型溶洞, 则不受季节影响. ( 5) “二衬紧跟”原则 :由与岩溶突水主要发 生在开挖和初期支护两个环节, 采取”抗水压二次 衬砌”支护模式及“二衬紧跟”施工技术措施. ( 6) 信息化施工原则 :在隧道施工过程中, 应 加强对隧道围岩变形 、水压力和支护结构应力 、应 变监测, 进行信息化施工, 确保施工安全 . 4 结论 (1) 通过现场调查, 提出了圆梁山隧道岩溶 突水的水力特征 、时间特征、岩溶充填物特征及突 水的动态特征, 对充填富水型岩溶的危险型评估、 制定合理的防治对策至关重要 . ( 2) 根据隧道与岩溶管道可能的空间位置关 系, 提出了岩溶突水的六类地质模式, 对各类地质 模式的岩溶突水过程 、突水规律及突水机理进行 了分析. ( 3) 针对对圆梁山隧道岩溶, 提出隧道岩溶突 水的防治原则.在指导圆梁山隧道工程实践中, 实现了隧道工程在复杂岩溶条件下的安全、高效、 优质施工, 取得了良好的技术经济效果 . 参 考 文 献 [ 1] 石新栋.圆梁山隧道主要工程地质问题及施工对策.隧道 建设, 2004, 24( 5) :72 [ 2] 邹成杰.水利水电岩溶工程地质.北京:水利水电出版社, 1994 [ 3] White W B .Conceptual models f or limestone aquifers. Groundwater, 1969, 7( 3) :15 [ 4] S huster E T, White W B .Seasonal fluctuations in the chem￾istry of limest one springs:A possible means f or charact erizing carbonate aquifers.J Hydrol, 1971, 14:93 [ 5] 张民庆, 彭峰.圆梁山隧道毛坝向斜水压力监测分析.岩 土工程学报, 2003, 25 ( 6) :702 [ 6] 刘招伟, 张民庆.隧道深埋充填型溶洞注浆施工技术探讨. 隧道建设, 2003, 23( 5) :48 [ 7] FLAC2D( 3.3) User' s Manual.Minnesota :Itasca Consulting Group Inc, 1996 Analysis on the process of water burst catastrophe and it' s prevention counter￾measures in a karst tunnel WANG Shuren 1, 2) , HE Manchao 1) , LIU Zhaowei 3) 1) Innovative Base of Geotechnical and Thermal Engineering, China Uni versit y of Geosciences, Beijing 100083, China 2) School of Civil Engineering and Mechanics, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 3) School of Civil Engineering and Archit ecture, Beijing Ji aotong University, Beijing 100044, China ABSTRACT On basis of the investigation on engineering geological conditions, the process, pattern and features of karst w ater burst, as w ell as the mechanism of the w ater burst, w ere studied by means of labo￾ratory test, numerical modeling , theoretical analysis and in-situ tests .The results showed that the karst w ater burst in a tunnel w as a gradually developed process, w hich is influenced by w ater pressure, filling materials and plastic zones around the tunnel .Detailed technical measures were planned for different karst structural ty pes and different geological modes in Yuanliangshan tunnel . KEY WORDS engineering geological conditions ;karst tunnel ;karst w ater burst ;numerical simulation ; prevention countermeasure · 618 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 7 期