朱杰兵,吕思清,汪 斌,祝永锁

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010)

0 引 言

随着我国经济的快速发展,大规模的工程建设逐步向西部山区推进,隧道工程越来越多面临着大埋深、高地应力、高地温、高渗透压力等特殊的地质环境。这些恶劣的地质条件,极易导致隧道施工与运维过程中产生塌方冒顶、突水涌泥等重大灾害,造成人员伤亡、严重经济损失和恶劣社会影响。深部隧道工程的突涌水灾变机理与安全防控技术已成为地下隧道工程建设中亟待解决的重大技术难题。

当下,针对隧道工程的突涌水防控问题的研究主要依靠理论分析、数值模拟、现场监测及物理模型试验等手段来实现。其中,物理模型试验具有直观形象等优点,对于发现新现象、探索新规律、揭示新机理和验证新理论,具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。依据相似原理,将隧道及周边工程围岩按照一定的比例缩尺,并模拟高地应力、高地温、高渗透压等复杂地质环境,在模型中开挖支护,研究隧道突涌水演化过程,为工程建设与运营提供技术支撑。

国内外已有较多的隧道工程采用了模型试验的方法研究其突涌水机理,如北岗隧道[1]、青岛胶州湾海底隧道[2](F4-4断层)、湖北保宜高速尚家湾隧道[3-4]、成兰铁路龙门山隧道[5]、江西永莲隧道[6-8](F2断层带)、广西岑溪隧道[9]、歇马隧道[10](YK7+400—YK7+445段)、利万高速齐岳山隧道[11-12]、巴南至涪陵新屋基隧道[13]、雅康高速飞仙关隧道[14](K23+658—K23+883里程段)、青岛地铁3号线保河区间隧道[15]、成兰铁路跃龙门隧道[16]等。

尽管开展隧道物理模型试验研究的成果较为丰硕,但在模型中如何模拟及观测突涌水过程仍是目前研究的热点与难点问题。本文主要结合近年来已有的隧道突涌水物理模型试验成果,对国内外基于模型试验的隧道突涌水研究现状进行了总结梳理,对该方向下一步可能的发展方向进行了展望。

1 代表性期刊论文统计分析

隧道突水突泥和涌水涌泥是指在隧道等地下工程中,地下水分散流动,并沿裂隙或岩溶管道流出的现象[17]。突水突泥灾害成因的重要来源是岩溶地形和地质构造,其中,50%来自岩溶地形,40%来自地质构造,而地质构造则主要是断层构造[18]。隧道突涌水灾变现象是一种动力破坏过程,它是水流贯通浸泡或水压作用于不稳定岩体而引起的突发性隧道灾变现象。

隧道突涌水一直以来是隧道工程建设过程中重大安全问题,许多学者采用了物理缩尺模型试验的方法对该问题进行研究。例如,周毅等[4]就充填型岩溶管道渗透失稳突水问题,进行三维流固耦合模型试验,模拟了长大裂隙形成、扩展成导水管道并贯通及突水全过程,对岩溶管道突水的灾变机理加以解释。王德明等[7]、张庆松等[8]就断层破碎带隧道突水突泥问题,研制出大型三维地质模型试验系统及考虑断层破碎带的流固耦合模型试验相似材料,进行了模型试验,获取了无支护条件下的洞周位移、渗压、应力应变等随时间变化的规律。潘东东等[11]李术才等[12]针对承压隐伏溶洞突水过程致灾问题,研制出专用流固耦合相似材料,开展了不同充填水压条件下隧道开挖的流固耦合模型试验,并结合数值模拟相互印证,研究了隧道开挖诱发隔水岩体破裂,导致承压隐伏溶洞突水灾变演化机制。

据参考文献[1]—文献[16]和参考文献[19]—文献[52]分析,得到:近20 a来有关隧道突涌水物理模型试验代表性论文数量变化趋势,如图1所示;近20 a来相关代表性期刊及论文数量统计,如表1所示。可看出,对该问题研究的代表性论文数量在2012年开始激增,论文数量达到顶峰时期主要集中在2016—2021年,并且研究成果主要发表在《岩石力学与工程学报》等一流期刊上。诸多学者针对不同围岩参数、不同开挖方式及不同服役环境,考虑流固耦合问题开展了缩尺模型试验,模拟原型隧道在开挖过程中可能遇到的突涌水灾害现象,研究其灾变机理、诱发机制及岩石承载力、稳定性等问题。

表1 近20 a来代表性期刊及论文数量

图1 近20 a有关隧道突涌水物理模型试验代表性论文数量Fig.1 Number of representative papers on physical model tests of tunnel water inrush in recent 20 years

笔者认为,随着我国隧道建设逐步向西部山区的推进,突涌水问题愈发突出,对隧道突涌水演化过程的致灾机理及安全控制技术开展研究愈发迫切;

另外,由于相似材料制作技术、模型反力加载技术及试验过程中的高精度测试技术的日趋完善,精细模拟隧道突涌水实时演化过程成为可能,工程需求及科技进步的双重作用推动了该方向的进展。

2 突涌水灾变物理模型试验设计

2.1 模型外形及尺寸选择

模型的外形及尺寸选择与模型制作费用密切相关,制作模型时,依据工程实际特点及研究重点,将次要因素进行适当简化,对主导因素严格缩尺模拟是一种常见的模型设计理念。

从2010年至今,在采用模型试验模拟隧道突涌水演化过程中,大多采用了长方体及圆柱体模型试样。大多数长方体模型可由反力系统施加二维或三维荷载。而圆柱体模型则一般只能施加平面应变或者平面应力荷载。一般认为,长方体模型比圆柱体模型能较好地还原实际的应力状态;但从经济性角度,圆柱体模型制作及外水压的施加更加便捷,模型反力框架应力分布更合理,与长方体模型比较,更能节省成本。

根据参考文献[1]—文献[16]、文献[19]—文献[30]和参考文献[32]—文献[52]分析,得到2010年以来代表性期刊论文内模型外形的选择统计结果,见图2。从图2可知,长方体模型试验的数量远多于圆柱体模型。这表明,采用长方体模型,可以在二维及三维应力状态下模拟原型开挖的同时,研究开挖过程及开挖后突涌水灾变机制问题。而选用圆柱体模型,则主要关注与突涌水灾变相关的水力学问题研究,外部边界应力条件不必准确模拟。例如开展防突岩盘安全厚度相关研究[16]、破碎多孔岩石在渗流过程中的颗粒运移规律相关研究[19]。

图2 2010年以来代表性期刊论文内模型外形统计Fig.2 Statistics of the shape of models in representative journal papers since 2010

模型尺寸由缩尺比例决定,同样也是制约模型制作的一大因素。大尺寸模型的试验模拟过程受缩尺扰动的影响较小,能够较真实地还原原型隧道围岩灾变过程,但制作困难、成本较高;而小比尺的模型,缩尺效应会增大,以致试验难以得到理想、合理的结果,但其制作方便、成本低、易成型。

由于长方体模型数量远多于圆柱体模型,长方体模型尺寸大小分布更具普遍性。参考文献[53]—文献[55],以6 m3作为划分长方体模型试样尺寸分布的标准,以2 m3作为划分圆柱体模型试样尺寸分布的标准。根据文献[1]—文献[16]、文献[19]—文献[30]和文献[32]—文献[52]分析,得到2010年以来研究隧道突涌水代表性模型试样尺寸的统计结果,如图3所示。

图3 2010年以来代表性期刊论文内模型尺寸统计Fig.3 Dimension statistics of models in representative journal papers since 2010

可见,大部分模型尺寸并不大,在能够模拟原型灾变演化目的要求下,制作小体积模型更加适用。另外,由于近年来大型物理模型试验组合式装备的研制和大吨位反力系统的研制成功,2016—2021年间大型物理模型三维加载试验明显增多,对突涌水灾害演化过程研究也更加细化、更为合理。

2.2 模型相似理论

为了开展突涌水灾变过程的物理模型试验,应考虑流固耦合条件下的相似问题。诸多学者就流固耦合条件下相似准则进行了系统研究。部分文献[2,56-58]的研究表明,基于连续介质流固耦合数学模型,有式(1)成立,即

(1)

相应地,可以导出如下相似关系。

模型相似

CG=Cλ;

(2)

几何相似

Cu=Cl;

(3)

重力相似

CE=CγCl;

(4)

应力相似

Cσ=CγCl;

(5)

惯性力(时间)相似

(6)

源汇项相似

(7)

贮水系数相似

(8)

渗透系数相似

(9)

渗流量相似

(10)

式中:CG为剪切弹性模量相似比尺;Cu为位移相似比尺;Cl为几何相似比尺;Cλ为拉梅常数相似比尺;Ce为体积应变相似比尺;Cγ为重度相似比尺;Cρ为密度相似比尺;Ct为时间相似比尺;CE为弹性模量相似比尺;Cσ为应力相似比尺;Cw为源汇项相似比尺;Cs为贮水系数相似比尺;Ck为渗透系数相似比尺;Cq为渗水量相似比尺。

考虑到上述相似准则未考虑应力对渗透系数的影响,而自然界中的流固耦合渗流问题常常伴随着高地应力条件。文献[57]内,基于幂律模型,建立了高地应力下的渗透系数、渗流量及流速的相似准则:

渗透系数相似

(11)

渗流量相似

(12)

流速相似

(13)

式中:a为表示裂隙分布密度的分维数,完整岩体a≤1[59];Cv为流速相似比尺。

2.3 模型试验相似材料

选择合适的相似材料是地质力学模型试验的重点难题之一,决定着模型试验的缩尺是否合理以及试验成果的代表性。用于模型试验的相似材料需要满足强度及模量等参数严格相似的要求。为此,模型相似材料的研制一般遵循如下条件:选用颗粒胶结型材料,可保证相似材料的结构致密,且内摩擦角较大;调整骨料的级配,可改变材料的重度与孔隙率;选用弱胶结剂,可使得材料强度降低;选用易于挥发的有机溶剂,可加快材料干燥,使得模型快速成型;选用廉价易得的材料,可降低成本等[60]。表2列出了近年与隧道突涌水灾变相关的代表性工程案例相似材料的选用方案,可供参考。

表2 国内近年相关研究代表性工程案例相似材料统计Table 2 Statistics of similar materials for representative engineering cases in China in recent years

基于表2及相关文献的检索后,分析认为:胶结剂的选用材料主要有白水泥、石膏、石蜡油、凡士林、松香和乳胶等,骨料的选用材料主要有砂、重晶石粉及滑石粉等,调节剂的选用材料主要有硅油、石膏、乳胶、凡士林与氯化石蜡等,渗透系数调节剂主要选用硅油,软化系数调节剂主要选用石膏。不同的相似材料须对应通过试验确定的相应配比,才能有效地模拟原型材料。选用多种材料作为骨料、胶结剂及调节剂等,则制备的相似材料性能更能有效满足相似原理,从而有效满足缩尺的要求。

2.4 水压加载方案

开展隧道突涌水灾变缩尺物理模型试验需要考虑水压的施加与密封等难题,如何合理施加外水压力也是该类模型试验的研究重点。

诸多隧道物理模型试验采用了不同的方式加水压,如北岗隧道[1]缓慢加水于模型地表四周;雅康高速公路飞仙关隧道[14]则采用渗流试验槽,利用水泵和给水排水溢流箱等试验装置给模型加水;广西岑溪大隧道[9]和青岛地铁3号线保河区间隧道[15]使用PVC材料分别制作的圆柱形蓄水池和导水装置蓄水或加水;青岛胶州湾海底隧道(F4-4断层)[2]则使用水位自动提升加载装置加载水压;湖北保宜高速尚家湾隧道[3-4]、成兰铁路线龙门山隧道[5]、江西永莲隧道(F2 断层破碎带)[6-8]和歇马隧道[10]等模型试验则利用水压加载系统加载水压,包括提升水头、利用气压、高压水泵以及空气压缩机和压力水泵相结合等方式加水压。

分析相关文献后认为,开展流固耦合的物理模型试验,水压主要加载方式有2种,分别见图4(a)、图4(b)。对于较小缩尺比例的模型,可在模型顶部放置水池模拟无限水源固定水头的水池,以缩尺还原隧道顶部的水源,模型边界则采用防水材料包裹,见图4(a)。对于较大缩尺比例的渗水模拟模型或突水模拟模型,水池提供的水压难以满足缩尺比例的要求,此时的水压加载方式则须采用水压加载设备或水压加载系统对顶部密封的模型加压。加压方式包括压力泵或抬升水槽(提高水头)方式,见图4(b)。

图4 常见水压加载方式Fig.4 Common hydraulic loading modes

对于溶腔突涌水模型的水压加载,目前国内外多是于模型试样中预制与加压器相连的溶腔来进行模拟,见图4(c)。

高水压下的隧道物理模型水力耦合试验研究中,水压的加载装置、稳压装置及水压密封方法等为缩尺物理模型试验能否取得成功的关键所在。对于水压密封,则主要须严格密封模型试验装置的缝隙和接缝。为此,装配结构具有严格契合的尺寸且接缝处密闭才能有效保证水压密封。

对于可视化试验箱的密封,可采用高黏海绵胶带来黏结玻璃的接缝,采用玻璃胶涂抹于外侧来黏结密封,并采用整体式防爆膜贴于玻璃内侧加强黏结和密封的程度。如青岛胶州湾海底隧道(F4-4断层)[2]和湖北保宜高速尚家湾隧道[3-4]模型试验采取的密封方式。

对于水环境下静力加载的水压加载密封方式,静力加载与系统密封会产生矛盾,即加载时加压板的移动和变形与水压密封之间产生冲突。当以静力→密封→水压的顺序加载时,先静力加载完成,稳定后可选用硅酮结构胶密封加压板及试验箱体间的缝隙,再行加载水压,如湖北保宜高速尚家湾隧道[3-4]模型试验。

对于成兰铁路线龙门山隧道模型试验采用的深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统[5],当以水压代替围压时,可采用密封圈密封底板、筒体及顶盖间的缝隙,且需同时使用多层密封圈于顶盖、密封螺套及固定压板间,最终压紧螺套密封。

3 结论与展望

本文针对隧道突涌水灾变问题模型试验的研究热点问题进行了系统梳理与评述。首先,从近20 a来发表的期刊论文数量及来源进行了统计分析;其次,围绕隧道突涌水灾变物理模型试验设计方法,重点对模型外形与尺寸选择、流固耦合相似准则的确定、相似材料的研制、水压加载选择等方面内容进行系统研究。结论如下:

(1)随着我国隧道建设逐步向西部山区的推进,突涌水问题愈发突出,2016—2021年期间,该方向的期刊论文数量逐渐达到顶峰,工程的迫切需求及科技进步的双重作用推动了该方向研究的进展。统计分析也表明,综合考虑研究的侧重点及模型的造价是选择适宜的模型外观及模型尺寸的必须要考虑的重要因素。

(2)基于流固耦合的相似理论,选择合适的相似材料是该类模型试验成果是否具有代表性的关键。已有国内学者提出了考虑流固耦合作用的相似准则;以此为基础,定性提出相似材料选择方法;但流固耦合是一个复杂的力学过程,很难套用,针对具体问题,还需要针对性开展研究工作。

(3)水压的加载装置、稳压装置及水压密封方法、断层、溶洞等的模拟方式是隧道物理模型水力耦合试验设计必不可少的内容。模型试验中的水压加载方式目前主要包括静水池提供水压和压力泵或抬升水槽(提高水头)等,但结合应力边界条件,如何做好水压密封尚没有成熟技术。

(4)实际的地下工程建设往往存在含温度场的多场耦合作用,而考虑温度场的物理模型试验相似准则尚缺乏研究;另外,隧道内的涌水涌泥与突水突泥具有不同的定义与灾变机理,在开展隧道模型试验时,区分涌水涌泥与突水突泥之间的渐变过程及决定性要素方面的研究成果也较少;这两方面的内容可能成为未来关注的重点。