馬鹿胍隧道巖溶潰水成因分析

馬鹿胍隧道巖溶潰水成因分析

隨著鐵路和公路建設(shè)的快速發(fā)展，溶解區(qū)隧道數(shù)量日益增多。特別是在西部山區(qū)鐵路建設(shè)中,常常會(huì)遇到石灰?guī)r溶地區(qū)的隧道工程建設(shè),根據(jù)對(duì)目前西部已建隧道的不完全統(tǒng)計(jì),位于石灰?guī)r巖溶地區(qū)的隧道約占全部隧道的50%。巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在給隧道開挖造成嚴(yán)重的威脅,其中以巖溶突(涌)水問(wèn)題的危害最為嚴(yán)重。宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道是我國(guó)隧道建造史上瞬間涌水量最大的隧道,其2006年的“1.21”突水事故,瞬間突(涌)水量高達(dá)200m3/s,140min內(nèi)涌水總量70×104m3。在其后兩年建設(shè)期內(nèi),又發(fā)生10×104m3以上的突(涌)水5次。到現(xiàn)場(chǎng)考察的同行專家認(rèn)為,馬鹿箐隧道的高壓巖溶水的問(wèn)題屬“世界級(jí)”難題。到2009年1月,經(jīng)過(guò)艱苦卓絕的努力,馬鹿箐隧道終于雙線貫通。馬鹿箐隧道巖溶潰水不是天然發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,它是伴隨人類的工程活動(dòng)而產(chǎn)生的次生災(zāi)害,是一種超級(jí)的突(涌)水。其表現(xiàn)出與一般的突(涌)水不同的特征,本文從分析馬鹿箐隧道突(涌)水特征入手,研究超大型巖溶潰水形成機(jī)理,從而為類似工程提供參考。1對(duì)大規(guī)模巖石涌水的特征分析1.1突涌水的特點(diǎn)馬鹿箐隧道的突(涌)水是一種特殊的突(涌)水,規(guī)模遠(yuǎn)大于普通類型的突(涌)水,馬鹿箐隧道的歷次突(涌)水具有以下特點(diǎn):1)人工揭露或因隧道開挖引起的巖溶腔壁突發(fā)性潰決。山體由于人工開挖,隧道進(jìn)尺的加大,溶腔周邊圍巖(原巖或注漿加固圈)厚度受到不斷切削,當(dāng)腔壁圍巖厚度達(dá)到極限巖盤厚度時(shí)腔壁受力達(dá)到極限平衡狀態(tài),若隧道再次進(jìn)尺則這種平衡將被打破,導(dǎo)致腔壁薄弱位置應(yīng)力集中,在溶腔儲(chǔ)水的高水頭壓力下發(fā)生突然潰決?；蛘咚淼篱_挖直接進(jìn)入溶腔,溶腔填充物在高水壓作用下發(fā)生潰決。2)具有大體量、高壓、泥石含量高、破壞力強(qiáng)的特征。馬鹿箐隧道突(涌)水是大體量的靜儲(chǔ)承壓巖溶水裹挾大量泥砂在隧道坑道內(nèi)的突然釋放,既是集中涌水,也是特大涌水或超級(jí)的特大涌水,相當(dāng)于“地下水庫(kù)”在隧道坑道內(nèi)的突然“潰決”。3)集中突水且瞬間突水量遠(yuǎn)大于瞬間補(bǔ)給量。4)兼具突發(fā)性和延滯性。在突(涌)水發(fā)生前,沒有明顯的先兆,而當(dāng)隧道開挖揭穿溶腔巖壁后,并不立即發(fā)生突(涌)水,溶腔填充物在暫時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間后,才突然突水,顯示出延滯性。5)反復(fù)性和間歇性。馬鹿箐隧道突(涌)水先后發(fā)生了19次,表現(xiàn)出反復(fù)性和間歇性的特征。突水的反復(fù)發(fā)作,體現(xiàn)了突水通道的反復(fù)淤塞和自疏通的過(guò)程,,還體現(xiàn)了地下水系對(duì)突水水體的補(bǔ)給。突水間隙時(shí)間的長(zhǎng)短,帶有一定的季節(jié)特征,大氣降雨對(duì)其也有一定的影響。6)對(duì)周邊水系的襲奪性。溶腔水在急劇突入隧道的過(guò)程中,對(duì)周圍水系發(fā)生襲奪。揭露溶腔后,觀察到溶腔內(nèi)支溶洞錯(cuò)綜復(fù)雜,具有在地下體系內(nèi)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象的條件。1.2隧道內(nèi)巖溶淤水為了與普通的巖溶突(涌)水區(qū)別,將大體量且有一定靜儲(chǔ)量的高壓巖溶水在隧道內(nèi)以流體(伴隨有泥、巨石)高速運(yùn)移形式瞬間釋放的涌水稱為巖溶潰水。1.3巖溶潰水巖溶潰水是巖溶突水的一種,具備巖溶突水的一般特性。與巖溶突水相比,潰水與普通的突水,既有共同之處,又有明顯的區(qū)別:1)都具有突發(fā)性、高壓性、水流與泥砂混雜突出等特性,但潰水更強(qiáng)調(diào)其瞬時(shí)性巖壁的潰決。普通的突(涌)水,在發(fā)生時(shí),一般也會(huì)伴隨發(fā)生開挖面或者圍巖的坍塌,并伴隨一個(gè)水量由小到大逐步增加的過(guò)程。開挖面和圍巖的坍塌,主要是由于地下水的軟化作用而引起的圍巖自身的失穩(wěn)。而潰水是因圍巖在水壓力的作用下的突然潰決。巖溶潰水類似于堤壩潰決,其破壞機(jī)理與突水不同。2)相對(duì)于特大型的突(涌)水,巖溶潰水的規(guī)模更大、破壞力更強(qiáng)。普通的特大型突(涌)水,水量達(dá)到數(shù)萬(wàn)方,而巖溶潰水水量的規(guī)模,可達(dá)百萬(wàn)立方以上。2儲(chǔ)水溶腔的性質(zhì)和特點(diǎn)巖溶潰水是巨量的巖溶空腔內(nèi)涵物(水及巖溶填充物)在水壓作用通過(guò)一定通道或者直接進(jìn)入隧道,巨量的巖溶空腔內(nèi)涵物,是巖溶潰水災(zāi)害的災(zāi)害源。巨量的靜態(tài)地下水,儲(chǔ)存于隧道開挖影響范圍內(nèi)的巖溶系統(tǒng)中,巖溶發(fā)育規(guī)模的決定了溶蝕空腔的“容積”。溶蝕空腔的大小,不僅與隧道所處區(qū)域的巖溶發(fā)育規(guī)模相關(guān),還與隧道所處的地層位置相關(guān),即使在同一區(qū)域,不同地質(zhì)位置,巖溶發(fā)育的規(guī)模和空間形態(tài)也不同。研究對(duì)隧道有影響的富水溶腔時(shí),不僅要考慮單體溶腔的大小,還要把溶腔與整個(gè)地下水系統(tǒng)、地表水徑流和大氣降雨等隧道面臨“整體水環(huán)境”相結(jié)合,全面給予考察。當(dāng)儲(chǔ)水溶腔誘發(fā)潰水時(shí),必須滿足下列兩個(gè)條件之一:1)隧道與溶蝕空腔直接貫通;2)與隧道距離接近,隧道圍巖在水壓力作用下失穩(wěn)。隧道的埋深與地下水位的高低,決定了隧道內(nèi)水位水頭壓力;巖溶潰水瞬間突出,巖溶水必須要有暢通快捷的通道進(jìn)入隧道。而巖溶潰水的間隙性,體現(xiàn)了地下巖溶水系統(tǒng)填充物的動(dòng)態(tài)疏通和淤塞,同時(shí)也體現(xiàn)了地下水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給帶來(lái)的水壓力變化;延滯性主要是溶蝕空腔填充物在水壓作用下的暫時(shí)穩(wěn)定造成,一旦水壓力變化,或者填充物在滲水水流沖蝕作用下,力學(xué)性狀削弱,潰水就不可避免的發(fā)生。因此,要預(yù)防潰水災(zāi)害的發(fā)生,必須要探明誘發(fā)潰水的溶腔空間幾何形態(tài)、溶腔儲(chǔ)水性質(zhì)和動(dòng)態(tài)變化、溶腔填充物性狀等。2.1各階段的溶腔幾何結(jié)構(gòu)2.1.1巖相色譜-剖面潰水前根據(jù)鉆探資料分析,PDK255+970—PDK255+978段存在一個(gè)長(zhǎng)2～8m的富水、半充填(充填物為淤泥、河砂及木屑等)溶腔,鉆孔單孔出水量10～30m3/h,水壓0.8～1.0MPa。出水含有泥砂木屑,有少量淤泥,剖面如圖1所示。限于當(dāng)時(shí)對(duì)潰水災(zāi)害的認(rèn)知水平,僅對(duì)溶腔可能造成的圍巖失穩(wěn)和突(涌)水進(jìn)行了預(yù)測(cè)和關(guān)注,這次探測(cè)基本探明了溶腔沿線路走向的寬度,但對(duì)溶腔發(fā)育的高程上下限和左右寬度沒有予以關(guān)注。雖對(duì)水壓力進(jìn)行了測(cè)試,對(duì)溶腔的靜水儲(chǔ)量、填充厚度等指標(biāo)沒有關(guān)注。所獲得的水文地質(zhì)資料(先出水,后出泥砂,涌水量為4000m3/d)不能反映整體水力狀態(tài)。2.1.2下發(fā)育緣:下發(fā)育至循環(huán)至循環(huán)發(fā)育潰水發(fā)生后,通過(guò)進(jìn)一步的水平鉆探和地表地質(zhì)鉆孔測(cè)井,基本探明溶腔橫向?qū)挻笥?5m,向下發(fā)育至隧底以下約50m。通過(guò)對(duì)平導(dǎo)突水處編號(hào)為:“Jz-IV06-S馬2”鉆孔(以下簡(jiǎn)稱“馬2孔”)進(jìn)行人工伽瑪測(cè)井檢測(cè),發(fā)現(xiàn)突水溶腔在馬2深孔處溶腔頂板標(biāo)高1013.75m,底板標(biāo)高948.17m,溶腔高度約為65.60m。2.1.3線前程序地層和深翻加大積體的流坍風(fēng)險(xiǎn)隧道從溶腔里穿過(guò),溶腔與線路斜向呈銳角相交。溶腔頂部在隧道拱頂處以上30～40m,且隧道拱頂標(biāo)高以上部分為空腔;溶腔平均寬13m左右,泄水洞口處寬17m,線路左側(cè)70m處開始變窄,寬9m。溶腔在線路左側(cè)發(fā)育約400m長(zhǎng)后縮小為一約1m2左右的出水口。由于流坍,線路左側(cè)PDK255+968—+980段堆積了大量的從大里程往小里程方向呈仰角的夾塊石的淤質(zhì)黏性土,充填巨石順著遠(yuǎn)離線路方向呈斜坡堆積,PDK255+980處豎向高于隧道拱頂開挖線以上3m左右,橫向?qū)捰谒淼篱_挖線3～5m,縱向長(zhǎng)12m,如圖1所示;線路右側(cè)溶腔堆積體位于Ⅱ線隧道開挖線外3～5m,溶腔邊壁有體積較大的孤石懸空,邊壁的上部發(fā)育一個(gè)內(nèi)部形態(tài)不詳?shù)募s20m2的天窗口(支溶洞),并有一股約10m3/h的流水順溶腔壁流入Ⅱ線。泄水洞口露出約30cm,比溶腔充填物標(biāo)高低,兩側(cè)主要為巨石充填;在泄水洞上方約20m處有一個(gè)約40m2的天窗口,從線路左側(cè)的孤石堆流出一股約200m3/h的流水,經(jīng)泄水洞排走。溶腔兩側(cè)邊墻及頂部為穩(wěn)定性較好的灰?guī)r,表面有明顯的水溶蝕痕跡,且附著有泥污。2.2溶解腔儲(chǔ)水性質(zhì)與動(dòng)態(tài)變化2.2.1滲流系統(tǒng)的水力聯(lián)系通過(guò)水化學(xué)分析、測(cè)井、鉆孔水位測(cè)試、建立水文地質(zhì)觀測(cè)網(wǎng)等技術(shù)手段對(duì)溶腔水位變化和溶腔儲(chǔ)水性質(zhì)、來(lái)源進(jìn)行的研究分析。從隧道水文地質(zhì)條件和涌水水量歷時(shí)變化過(guò)程分析,隧道涌水與地下河水無(wú)明顯關(guān)系,應(yīng)屬于溶洞封存水。可見馬鹿箐隧道“1.21”涌水屬年代較老的深部巖溶洞穴水,其原水環(huán)境與表層巖溶水、地下河水連通性較差,水力聯(lián)系較弱,水交替循環(huán)作用較弱。馬鹿箐隧道潰水的反復(fù)發(fā)生,反映了潰水后期補(bǔ)給的巖溶水與其上部的巖溶水具有強(qiáng)的水力聯(lián)系,水交替循環(huán)作用明顯。溶腔與最近相交的暗河系統(tǒng)沒有水力聯(lián)系。溶腔水的補(bǔ)給源相對(duì)較遠(yuǎn)。潰水改變了地下徑流的排泄方向,對(duì)周圍水系的襲奪明顯。對(duì)地下徑流管道的疏通作用明顯,溶腔與附近小馬灘地下暗河系統(tǒng)沒有直接水力聯(lián)系,但潰水的襲奪,使地下徑流的性狀發(fā)生了變化,從而,又反過(guò)來(lái)對(duì)隧道的潰水產(chǎn)生影響。2.2.2靜水儲(chǔ)量的確定通過(guò)管道放水試驗(yàn),基于探測(cè)得到的潰水災(zāi)害的潰水量以及深孔探測(cè)溶腔內(nèi)的水位之間的對(duì)比關(guān)系和試放水量與水壓、深孔溶腔水位之間的關(guān)系的分析歸納,表明隧道穿越地層在隧道高程平面以上的巖溶空腔(溶腔、溶隙等)的靜水儲(chǔ)量的大小為110×104m3。2.2.3大氣降雨、徑流系統(tǒng)和流場(chǎng)溶腔的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量受季節(jié)降雨量控制,根據(jù)對(duì)出口搶險(xiǎn)期間歷次突水后相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料分析:溶腔的補(bǔ)給受大氣降雨影響;不降雨期間,該溶腔內(nèi)的平均補(bǔ)給量不小于260m3/h;溶腔開挖揭露后觀測(cè)到,在溶腔內(nèi)有一股200m3/h的恒定水量,該水流即為當(dāng)時(shí)的補(bǔ)給水源。大氣降雨改變了溶腔附近的流場(chǎng)(流速、流量、壓力和流徑)狀況,引起隱伏溶腔內(nèi)水量和壓力瞬間增大,導(dǎo)致含大量泥、石塊的突(涌)水的發(fā)生。巖溶水的流量動(dòng)態(tài)與降雨關(guān)系密切,反映了巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給條件良好,徑流途徑較長(zhǎng),徑流較為通暢。溶腔內(nèi)的水流通道被淤塞,導(dǎo)致泄水洞的排泄量小于溶腔的補(bǔ)給量,大量水體在溶腔內(nèi)蓄積,當(dāng)蓄積水體的壓力達(dá)到可以沖破淤塞物的程度時(shí),大量水體瞬時(shí)涌出,發(fā)生突水事故。2.2.4單元水位比的確定在潰水發(fā)生前,溶腔水位受排泄和降雨補(bǔ)給的共同控制,根據(jù)水平鉆探的水壓測(cè)試資料,溶腔內(nèi)水壓力為0.8～1.2MPa;潰水發(fā)生后,根據(jù)馬2孔的長(zhǎng)期觀測(cè)資料顯示,溶腔內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定水位為1104～1120m。即溶腔內(nèi)的水位高于隧底115～130m。潰水發(fā)生時(shí),溶腔內(nèi)水位急劇降低,“1.21”潰水時(shí)產(chǎn)生的真空負(fù)壓,在地表可以聽到空氣進(jìn)入溶腔的尖嘯聲。潰水后水文緩慢恢復(fù)。2.3隧道成因分析。在第一階段,對(duì)溶腔內(nèi)的泥砂頂面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量得知,溶腔內(nèi)泥砂充填物的頂面標(biāo)高為1014.404m,充填物高于隧道底25m。溶腔內(nèi)的充填物性質(zhì)為夾礫石,局部夾碎石、塊石,并有個(gè)別巨石的淤泥質(zhì)黏土。隧道填充物的暫時(shí)穩(wěn)定和失穩(wěn)潰決導(dǎo)致了潰水災(zāi)害的間隙性和延滯性。同時(shí)也帶來(lái)巖溶潰水的反復(fù)性。隧道開挖貫穿溶腔壁后,隧道圍巖為溶腔下部巨厚的泥砂沉積層,具有一定的壓密性,形成了一個(gè)很不穩(wěn)定的隔水層,對(duì)上部的巖溶水有一定的阻隔作用,并具有一定的承載能力。泥砂沉積層的存在,使得隧道在開挖進(jìn)入溶腔后,溶腔中的巖溶水沒有立刻沖入隧道,但隔水層無(wú)法承受上部巨大的水的壓力,在水壓力作用下迅速潰決,就形成了“1.21”潰水;隨著溶腔內(nèi)水的流動(dòng),溶腔底部的泥砂也隨著突(涌)水向溶腔底部的突(涌)水口處運(yùn)移,淤塞在突(涌)水通道;當(dāng)外界水壓力和內(nèi)部水壓力達(dá)到平衡時(shí),泥砂在潰水口處沉積下來(lái),阻塞了通道,使得潰水量減少直至停止。由于山體巖溶水動(dòng)態(tài)多變,是一個(gè)很不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡,但一旦外部進(jìn)行強(qiáng)排水處理,將再次破壞內(nèi)外水壓力平衡,當(dāng)追排水(出口搶險(xiǎn)期間抽水)的安全水壓差超過(guò)極限臨界,溶腔底部的泥砂形成的隔水層將會(huì)再次被沖毀,再次發(fā)生潰水。綜合分析馬鹿箐隧道PDK255+978溶腔的空間形態(tài)、存水性質(zhì)(來(lái)源、補(bǔ)給)和溶腔填充物表明:該溶腔頂板標(biāo)高1013.75m,底板標(biāo)高948.17m,溶腔內(nèi)穩(wěn)定水文標(biāo)高1104.05m。區(qū)域排泄點(diǎn)第一級(jí)排泄口(蝌螞口)地下河出口高程989m是發(fā)育于三疊系薄層碳酸巖中水平循環(huán)帶和深部循環(huán)帶交界處的、呈水平發(fā)育的巨型溶腔,該溶腔堆積著夾礫石,局部夾碎石、塊石,并有個(gè)別巨石的淤質(zhì)黏土。當(dāng)隧道施工貫穿溶腔后,填充物(包括經(jīng)注漿加固的填充物)短暫穩(wěn)定后,在水壓作用下潰決,巨量的地下水夾雜泥砂、礫石和巨石,在瞬間涌入隧道坑道,巨大的水力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,在隧道坑道內(nèi)高速運(yùn)移,誘發(fā)潰水災(zāi)害。由于溶腔底部部位于深部循環(huán)帶,且為填充物淤積,在潰水發(fā)生前,溶腔下部的地下水與區(qū)域地下水系統(tǒng)水力聯(lián)系不緊密,因此,第一次潰水(“1.21”潰水)的水源為年代較為久遠(yuǎn)的溶腔封存水。隧道與溶腔貫通后,改變了地下徑流的排泄路徑,隧道進(jìn)口泄水洞底標(biāo)高(917.69m)遠(yuǎn)低于區(qū)域地下河排泄出口,隧道坑道的排水作用更為暢通,隧道潰水對(duì)周圍地下水系的襲奪明顯,溶腔與地下水系水力聯(lián)系緊密,溶腔內(nèi)水位受排水和降雨共同影響,在隧道泄水和降雨地下水補(bǔ)給的共同作用下,水位變化頻繁。水位的頻繁變化及填充物的反復(fù)淤塞和疏通,是巖溶潰水反復(fù)發(fā)生的主要原因。3分析與數(shù)值模擬對(duì)金陵空洞洪水流量的影響3.1圍巖抗壓強(qiáng)度計(jì)算的一般過(guò)程巖溶潰水不是天然發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,它是伴隨人類的工程活動(dòng)而產(chǎn)生的次生災(zāi)害。其災(zāi)害源是儲(chǔ)集在溶腔中的巨量地下水和充填物(泥砂、礫石、巨石等)。其發(fā)生的必要條件是災(zāi)害源進(jìn)入隧道坑道的通道必須暢通。在隧道掘進(jìn)過(guò)程中,隱伏溶腔與隧道周邊圍巖的巖體(原巖或注漿加固圈)受到不斷切削,當(dāng)腔壁圍巖厚度達(dá)到極限巖盤厚度時(shí),腔壁受力達(dá)到極限平衡狀態(tài),若隧道再次進(jìn)尺則這種平衡將被打破,導(dǎo)致腔壁薄弱位置應(yīng)力集中,在溶腔儲(chǔ)水的高水頭壓力下作用下發(fā)生潰決,從而發(fā)生巖溶潰水。地下水對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生水力劈裂時(shí),圍巖應(yīng)力場(chǎng)的特征參數(shù)可用式(1)計(jì)算:式中:λ為側(cè)壓力系數(shù);σH為水平應(yīng)力;σv為豎向應(yīng)力。當(dāng)0<λ<1時(shí),一般以豎向應(yīng)力為主應(yīng)力場(chǎng)。圍巖結(jié)構(gòu)面抵抗地下水壓力剪應(yīng)力應(yīng)滿足的條件可用式(2)表示:式中:σθ為隧道壁切向應(yīng)力,MPa;α為揭露隧道內(nèi)不利結(jié)構(gòu)面的傾角,(°);φ為巖石(巖體)、結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角,(°)。此時(shí)σθ<R,R為巖體抗壓強(qiáng)度,其意義是隧洞壁切向應(yīng)力小于巖體抗壓強(qiáng)度;cm的初始意義表示結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)強(qiáng)度,但在此處表示是隧道洞壁在切向應(yīng)力作用下,結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。在低圍壓下軟弱結(jié)構(gòu)面主要表現(xiàn)為剪切破壞,此時(shí),隧道圍巖巖體、結(jié)構(gòu)面本身抗剪切強(qiáng)度可用式(3)計(jì)算:巖體或結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度:式中:c′為結(jié)構(gòu)面的凝聚力;σ為隧道埋深所對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力。根據(jù)劈裂力學(xué)原理,當(dāng)隧道開挖穩(wěn)定后,隧道圍巖巖體、結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于地下水壓力產(chǎn)生的剪向應(yīng)力,否則,該處就產(chǎn)生潰水。以上考慮的僅僅是靜水壓力和地下水壓力作用的影響,事實(shí)上,地下水的流動(dòng)還有可能使裂隙中的充填物發(fā)生變形和位移,使過(guò)水通道發(fā)生變化,潰水量及規(guī)模有所改變。除此之外,動(dòng)水壓力作用還能使裂隙面上的充填物發(fā)生變形和位移,尤其是剪切變形和位移,由此導(dǎo)致裂隙的再擴(kuò)展,從而使裂隙或裂紋的連通性增強(qiáng)。擴(kuò)展裂紋(或新產(chǎn)生的分支裂紋)使高壓富水帶和隧道空間直接連通后,局部隔水帶的水力屏障作用被突破,地下水高壓突出,造成災(zāi)害。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),沒有直接揭露巖溶管道或斷層的潰水常常會(huì)滯后于隧道的施工,即隧道施工通過(guò)某部位時(shí)并沒有發(fā)生大的潰水,而當(dāng)隧道施工經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,地下水才突破隔水層突入隧道內(nèi),其發(fā)生機(jī)理往往是巖體的水力劈裂的作用力作用都能使巖體發(fā)生水力劈裂,使裂隙的連通性增加,張開度增大,從而增大滲透能力。3.2填充物流固耦合控制機(jī)理對(duì)于隧道穿越有厚層填充物(即填充物厚度大于隧道的開挖高度)的情況。將基于流固耦合理論,針對(duì)填充物不同厚度、不同水壓力和不同開挖寬度時(shí)的穩(wěn)定情況,采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析,為溶腔的風(fēng)險(xiǎn)控制和相應(yīng)的工程措施提供參考依據(jù)。3.2.1溶腔充水空間的數(shù)值計(jì)算數(shù)值模擬中,計(jì)算范圍應(yīng)取至模擬對(duì)象典型部位尺寸周圍足夠大的區(qū)域,才能精確地得出模擬對(duì)象的工作狀態(tài)。類似數(shù)值模擬研究表明,計(jì)算范圍為5倍模擬對(duì)象尺寸時(shí),其分析誤差不足1%,計(jì)算范圍為3倍模擬對(duì)象尺寸時(shí),其分析誤差不足5%。為了消除應(yīng)力邊界和位移邊界效應(yīng),三維計(jì)算模型的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置50m×50m×80m。結(jié)合溶腔實(shí)際形狀,模擬計(jì)算中溶腔充水空間尺寸底邊為20m×10m。根據(jù)馬鹿箐隧道工程地質(zhì)資料,數(shù)值模擬采用的Ⅲ級(jí)圍巖巖體材料參數(shù)及填充物的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1所示。3.2.2沉積層厚度對(duì)圍巖大主應(yīng)力的影響1)隧道掘進(jìn)過(guò)程中,隱伏溶腔和隧道周邊圍巖的巖體受到不斷切削,當(dāng)腔壁圍巖厚度達(dá)到極限巖盤厚度時(shí),腔壁受力達(dá)到極限平衡狀態(tài),若隧道再次進(jìn)尺則這種平衡將被打破,導(dǎo)致腔壁薄弱位置應(yīng)力集中,隧道與溶腔塑性區(qū)的貫通和圍巖在拉剪應(yīng)力下產(chǎn)生的破壞,使溶腔儲(chǔ)水的高水頭壓力作用下發(fā)生突然潰決,從而發(fā)生巖溶潰水。2)隧道開挖寬度及溶腔水壓一定時(shí),溶腔沉積層厚度越大,溶腔與隧道之間塑性區(qū)的貫穿可能性和掌子面的法向位移隨著沉積層厚度的增加而減小。隨著沉積層厚度的增加,掌子面法向位移逐漸減小