《1　前言》

1　前言

我国是世界上岩溶地区分布较广的国家，随着国家经济的快速发展，越来越多的地下工程兴建在岩溶地区，岩溶隧道稳定性问题己成为工程建设中的突出问题，要顺利地进行工程建设，就必须解决岩溶对工程的影响及工程诱发的地质灾害问题。 在建的宜万铁路全线共设计隧道 159 座，其中全线隧道洞身穿越可溶岩地段的有 91 座，占全线 159 座隧道比例为 57 ％，总长度约占全线隧道总长度的 70 ％，其中隧道洞身位于可溶岩地层长度约占全线隧道总长度的 58 ％。 宜万铁路的岩溶发育、突水突泥的风险程度、规模和工程处理难度为国内外罕见，工程非常艰巨，施工风险很大[1 ~3]；岩溶隧道中，以揭穿性溶洞地质灾害最多，但隐伏溶洞在施工时发生的突破型岩溶灾害因其发生时间的不可预见性，危害性将更大。

目前对岩溶隧道的研究主要集中在溶洞的形成条件、发育规律和超前地质预报及施工中的整治技术和措施的研究，但由于岩溶突水涉及到流体力学、工程地质学和水文学、隧道施工力学等多个学科，目前仍然缺乏从力学的角度来分析研究隧道施工诱发有压溶洞围岩破裂过程及突水和突泥机理[4 ~8]，而这恰恰是能否正确和及时进行岩溶隧道突水突泥预报和有效治理措施的理论依据。

以宜万铁路某类赋存与新建隧道侧部的压力季节性变化的隧道为背景，通过岩石破裂过程分析程序（RFPA）[4,9]，模拟分析了隧道施工诱发隐伏有压溶洞破裂突水过程中的应力场、位移场和声发射等特征，研究结果加深了对有压溶洞随着压力增加引起隧道突水过程机理理解。

《2　模型说明》

2　模型说明

所用的 RFPA 是一个能模拟岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂全过程的数值分析系统，该系统基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应力分析和破坏分析两方面功能。 其显著特点是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元，充分考虑了岩石介质的非均匀性。

顶溶洞、侧溶洞和底溶洞中，侧溶洞对隧道危害性最大。 故文章中模拟分析水平侧溶洞造成溶洞隧道系统破坏的过程及特征。 考虑溶洞为富水有压溶洞，水压随着季节变化不断增大。 隧道开挖前溶洞水压为 0.5 MPa，溶洞处于稳定状态，隧道开挖后，溶洞水压以每步 0.05 MPa 不断增大，直到隧道围压破坏。 模型基本尺寸如图 1 所示。

《图1》

图1　模型图

Fig.1　Numerical model

按平面应变问题考虑，共划分为 200 ×200 ＝40 000 个单元。 模型的下边界和左边界为固定约束，上、右边界处施加均布荷载。 假定隧道埋深 400 m，岩石自重平均值 20kN／m3 ，因此外加均布荷载 p 为 8 MPa，假定侧压力系数 λ＝1。

溶洞隧道的围岩力学参数如表 1 所示。 模型中考虑了材料性质的随机性，把材料细观结构的力学性质按照 weibull 分布进行赋值。 其中，均质度 m 表征材料性质的均匀性，m 越大，材料的宏观性质越均匀。 考虑到岩石类脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度，因此文章采用了修正后的库仑准则包含拉伸截断作为单元破坏的强度判据。

《3　计算结果与分析》

3　计算结果与分析

《3.1　应力场分析》

3.1　应力场分析

根据整个计算结果，提取出来的典型步骤的应力图如图 2 所示，分别对应步骤 1－3（0.5 MPa），2－1 步（1.05 MPa），2－13 步（1.05 MPa），26－3步（1.75 MPa），36－2 步（2.25 MPa），39－1 步（2.4 MPa），39－10 步 （2.4 MPa）， 39－13 步（2.4 MPa）。

《表1》

表1　围岩力学参数

Table 1 Material property parametersfor the surrounding rock

从图 2 可看出，因为溶洞起初有 0.5 MPa 的水压，所以隧道开挖前，溶洞周围对称分布着环状应力带。 隧道全断面刚开挖后，隧道两侧和拱顶拱底都分布着一定的应力，而且两侧要大于拱顶和拱底。 另外，中间岩柱出现了很明显的应力集中。 当溶洞水压进一步增大，可以看到，在隧道的两侧和溶洞的左侧已经萌生了微裂纹。 紧接着，由于中间岩柱应力集中进一步加剧及中间岩柱两侧的约束最小，在图 2 可看出，一条连接隧道右侧底和溶洞左侧的宏观裂纹已经贯通，而一条伸向隧道右侧顶的裂纹正在扩展。 到了最后，以两条主裂纹为滑裂面，中间岩柱整体向隧道内部塌陷。 从中也可以看出，受材料非均匀性的影响，主裂纹扩展过程是十分复杂曲折的。

《图2》

图2　典型步骤的最小主应力图

Fig.2　Numerically simulated min principle stress distribution

《3.2　位移场分析》

3.2　位移场分析

水平收敛是隧道变形控制的重要监测项目。 为了研究有压溶洞导致隧道破坏过程中的隧道两侧的水平位移规律，数值模拟时分别在每侧设置了两个监测点，如图 1 所示。

图 3 为测点的水平位移与溶洞压力之间的关系曲线。 由于隧道开挖卸荷造成应力释放，可以看到，隧道刚开挖完后 A，B，C，D 测点均有一定的位移，其中靠近溶洞的 B 点位移最大，往后也一直最大。 这说明在岩溶地区修建隧道，如果隧道一侧的收敛一直大于另一侧，那可能在隧道的该侧隐伏存在富水有压溶洞。 对于 A，C 测点，由于其位于远离溶洞侧，受溶洞水压影响小，直到最后隧道右侧围压破坏，其测值也基本保持不变。 而对于 B，D 测点，可以很明显的看出，其位移曲线可以分为三个阶段：稳定期，加速期和急剧破坏期。 在稳定至 1.75 MPa 后，位移曲线加速发展，而在 2.45 MPa 时有一个大的突跳，此时对应于围岩急剧突然破坏；在实际施工中，如果隧道一侧收敛开始加速发展，这个时候应把它作为急剧破坏期的征兆加以足够重视并采取工程措施，以防造成重大灾害。

《图3》

图3　四测点水平位移与溶洞压力之间的影响关系曲线

Fig.3　The relationship curve between thehorizontal displacement of four measuringpoints and the hydraulic pressure

《3.3　声发射规律分析》

3.3　声发射规律分析

由于岩石单元的破坏为脆性，单元破坏释放的弹性能以声发射的形式释放，因此可以根据声发射特性来观察岩石破裂过程。 图 4 中浅色表示是受压破坏，深色表示的是受拉破坏。 从图 4 可看出，溶洞刚形成和刚开挖隧道时，溶洞和隧道周围随机无规律地出现了一下压剪破坏单元，而随着溶洞压力的不断增大，最后形成的主裂纹主要是拉剪性破坏。

《图4》

图4　典型步骤的声发射图

Fig.4　Numerically simulated AE events

图 5 是声发射能量与溶洞压力关系的柱状图。 从图 5 可看出，每次大的围岩单元破坏，均对应着大量的声发射次数和能量，因此工程中能通过声发射监测，预测和评价围岩的稳定性情况。

《图5》

图5　声发射能量与溶洞压力关系的柱状图

Fig.5　Histogram relationship of the AEenergy and the hydraulic pressure

《4　结语》

4　结语

目前对岩溶隧道的研究，仍然缺乏从力学的角度来分析研究隧道施工诱发有压溶洞围岩破裂过程及突水和突泥机理。 通过岩石破裂过程分析程序（RFPA），建立二维平面应变模型，对隧道施工诱发隐伏的水平侧的有压溶洞破裂突水过程中的应力场、位移场和声发射等特征进行了初步探索研究，研究结果加深了对有压溶洞随着压力增加引起隧道突水过程机理的理解。 可供类似岩溶隧道设计参考，同时值得指出的是，研究中虽然涉及到一些定量的数据如溶洞水压力，但仍属于定性研究。