Xingyu Zhu, Zhiqiang Zhang, Hang Yu, Hong Ge. Water inrush disasters behavior in weakly cemented red-bed tunnels using 3DEC–Flow coupled modelTunnelling and Underground Space Technology, 2026, 170(107380). 中科院1区TOP，JCR1区。

论文摘要

三叠系巴东组红层具有层状结构和弱胶结特性，在隧道开挖扰动与富水条件下易发生渐进破坏，即使在正常地下水位下也可能因结构面弱化、完整性丧失和强度劣化引发水涌灾害。研究发现，水 - 力耦合作用下的层状弱胶结红床隧道会发生层间渗流、裂隙贯通和沿结构面剥离，外部爆破扰动可能诱发掌子面劣化失稳。本文开发了粘结块体模型（BBM）- 裂隙流耦合模型，表征地下水沿结构面和裂隙的渗流过程，重现了工程扰动与地下水渗流下掌子面水力贯通、渗流破坏至水涌灾害的全过程。结果表明，层状和弱胶结特性显著降低岩体抗弯刚度、减小结构面抗剪强度并强化层间效应。龙港隧道案例显示，将层厚从 1.0m 减至 0.3m，裂隙区扩大 38.2%，涌水量增加 112.8%；采用排灌 - 注浆联合控制措施可有效降低掌子面水压、减轻渗流损伤、提升岩体强度，保障施工安全。

主要创新点

研究背景与核心问题

研究背景：

• 工程风险突出：弱胶结红层在我国西南广泛分布，层状结构、胶结薄弱、遇水软化的特性导致隧道施工中水涌灾害频发（如龙港隧道最大涌水量达 956.2m³/h），威胁施工安全。

• 现有研究不足：传统数值模型多基于连续介质假设，无法准确模拟裂隙主导的渗流和岩体离散破坏；灾害影响因素（层厚、倾角）的量化关系不明确；单一防控措施（仅排水或仅注浆）针对性差、效果有限。

• 理论与工程脱节：缺乏能同时表征岩体力学破坏与地下水渗流耦合效应的工具，难以指导现场精准防控。

核心问题/目标：

• 揭示弱胶结红床隧道水涌灾害的耦合演化机制，明确关键触发节点；

• 量化岩层厚度、倾角对裂隙扩展、涌水量及围岩稳定性的影响规律；

• 开发适用于弱胶结红床的水 - 力耦合模拟方法，实现灾害全过程重现；

• 提出针对性强、效果可靠的工程防控措施，并通过现场试验验证。

研究方法

• 现场调研与测试：以龙港隧道（总长 2542m，最大埋深 462m）为案例，通过地质勘察、大地电磁法物探、掌子面揭露观测和涌水量监测，明确灾害诱发结构（单斜构造）、水文地质条件及灾害特征。

• 室内力学与渗流试验：对红床岩样进行单轴 / 三轴压缩、巴西劈裂、渗透破坏试验，获取岩体与结构面的强度参数（黏聚力、内摩擦角）、变形参数（弹性模量、泊松比）及渗流参数（渗透系数、水力开度），为数值模型标定提供基础数据。

• 3DEC-Flow 耦合数值模拟：建立 BBM - 裂隙流三维耦合模型（尺寸 90m×30m×90m），采用全断面开挖方案（循环进尺 2m），模拟开挖过程中岩体裂隙演化、围岩位移、地下水渗流速度及水压分布的动态变化。

• 影响因素分析：设置不同岩层厚度（0.3m、0.5m、1.0m）和倾角（15°、30°、45°）工况，对比分析裂隙区范围、涌水量、围岩位移等指标的变化规律。

• 防控措施模拟与现场验证：设计 “无措施、仅排水、仅注浆、排灌 - 注浆协同” 四种方案，通过数值模拟对比水压分布和裂隙范围；结合龙港隧道 ZK67+110、ZK66+950 断面的现场防控实践，验证协同措施的有效性。

主要结论