充水溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬*

曹潔 左宇軍 李偉 顏林艷 李冰峰

(1.貴州大學礦業(yè)學院 貴陽 550025； 2.貴州大學貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室 貴陽 550025； 3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實驗室 貴陽 550025；4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心 貴陽 550025)

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充水溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬*

曹潔1，2，3，4左宇軍1，2，3，4李偉1，2，3，4顏林艷1，2，3，4李冰峰1，2，3，4

(1.貴州大學礦業(yè)學院 貴陽 550025； 2.貴州大學貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室 貴陽 550025； 3.貴州省優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用工程實驗室 貴陽 550025；4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心 貴陽 550025)

為探討充水溶洞中水壓對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，利用巖石破壞過程滲流-應(yīng)力-損傷耦合分析軟件F-RFPA2D，對隧道底部含充水溶洞的圍巖破壞過程進行數(shù)值模擬研究，并與巖體中存在裂隙時隧道圍巖的破壞過程作對比。結(jié)果表明，水壓的增加使溶洞與隧道間的巖體逐漸產(chǎn)生裂紋，并不斷延伸，最終使隧道與充水溶洞貫通；巖體中裂隙的存在改變了裂紋的擴展方向，加速了隧道底部圍巖的破壞進程；實際工程中應(yīng)將隧道底部圍巖垂直方向上的位移變化作為事故發(fā)生的前兆，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，避免事故的發(fā)生。

充水溶洞 水壓變化 裂隙 數(shù)值模擬 破裂過程

0 引言

當前，地下工程建設(shè)已成為了巖溶區(qū)工程建設(shè)的發(fā)展趨勢，而巖溶區(qū)普遍存在的節(jié)理裂隙、斷層等不良的地質(zhì)條件給隧道建設(shè)工程帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。巖溶區(qū)建設(shè)過程中，隧道周圍常存在不同大小的溶洞，隧道的開挖改變了隧道與溶洞間巖體應(yīng)力的大小，而溶洞中的水壓進一步影響著應(yīng)力場的變化，當隧道揭露充水溶腔時會引發(fā)突水突泥等災(zāi)害，引發(fā)安全事故[2]。因此，研究充水溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響有著較為重要的實際意義。

許多專家學者對巖溶區(qū)隧道穩(wěn)定性影響進行了研究。趙明階等[3-5]利用ANSYS軟件，分析了不同大小、位置、距離的溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。對于巖溶區(qū)隧道穩(wěn)定性的研究，針對空溶洞的研究較多，而對考慮溶洞中水壓變化的研究較少，對于充水溶洞的研究主要集中在超前地質(zhì)預(yù)報、施工中的整治技術(shù)和措施的研究[6-9]，缺乏對充水溶洞中水壓對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究，且對于巖體含裂隙時充水溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究較少，而裂隙的存在對隧道圍巖穩(wěn)定性有顯著的影響。

本文利用滲流-應(yīng)力-損傷耦合分析系統(tǒng)F-RFPA2D[10-11]，將巖石視為非均勻性材料，對隧道底部充水溶洞水壓變化時圍巖的破裂過程進行數(shù)值模擬，并與巖體含裂隙時隧道圍巖破裂情況作對比，研究水壓裂紋的延伸、擴展及貫通機制。

1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)選取

以某隧道建設(shè)工程為例，該隧道穿越的地層巖性為厚-中厚層灰?guī)r，巖石強度較低，巖溶強烈發(fā)育，巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育。隧道處于巖溶地下水季節(jié)變動帶，雨季水位較高，水量及其豐富，存在突水突泥災(zāi)害問題，尤其雨季突水危害較大。結(jié)合該隧道建設(shè)中遇到的巖溶災(zāi)害問題，采用二維平面應(yīng)變模型，尺寸為75 m×75 m，網(wǎng)格劃分為400×400個單元。具體參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

(a)巖體不存在裂隙 (b)巖體存在裂隙

圖1 數(shù)值模型加載示意圖

本文分別分析隧道圍巖中存在裂隙和不存在裂隙兩種情況下水壓變化的充水溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。試樣按照圖1所示的方式加載。模型中隧道為直墻圓拱形，矩形部分尺寸為8 m×6 m，將溶洞簡化成圓形斷面，直徑為5 m，溶洞距隧道4 m。圖1(b)中，裂隙長度為2.24 m，裂隙與水平方向夾角為26.6°。首先在水平和垂直方向上分別對模型施加靜載荷P1=P2=6.2 MPa，以模擬初始地應(yīng)力。充水溶洞中水壓會隨著降水量的變化而變化，因此溶洞中的水壓按0.05 MPa/步進行遞增，直到隧道圍巖發(fā)生破壞。分析隧道圍巖的破壞過程，了解其破裂特征，制定相應(yīng)的預(yù)防處理措施，以避免事故的發(fā)生。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 隧道圍巖應(yīng)力場及破壞區(qū)域的變化

充水溶洞在隧道底部時，巖體中不存在裂隙和存在裂隙兩種情況下模型受載后的剪應(yīng)力分布如圖2所示。所受剪應(yīng)力集中程度越大對應(yīng)分布圖中顏色越亮。隧道圍巖中不存在裂隙時，溶洞與隧道之間的巖體及隧道底腳處的應(yīng)力集中程度較大。圖2(a)中，充水溶洞中水壓不斷增加的過程中，隧道和溶洞周圍的應(yīng)力逐漸增加。當加載到第80步時，由于隧道底腳處應(yīng)力高度集中，底腳與溶洞間巖體開始產(chǎn)生破裂。隨著水壓的增加，溶洞與隧道間的裂紋繼續(xù)延伸。當加載到第85步時，即溶洞中水壓達到4.25 MPa時，溶洞與隧道間的裂紋快速擴展并最終與隧道發(fā)生貫通，隧道發(fā)生嚴重破壞。

圖2(b)為巖體中存在裂隙時充水溶洞對隧道圍巖破壞過程的數(shù)值模擬結(jié)果。隨著水壓的不斷增加，隧道圍巖間的應(yīng)力逐漸增大，當加載到第15步，即水壓為0.75 MPa時，裂紋最先出現(xiàn)在應(yīng)力集中的裂隙端部，并沿著裂隙近法向延伸，直至與隧道貫通。隨著加載的進行，次生裂紋從裂隙端部萌生并沿著裂隙方向擴展、貫通。

(a)巖體不存在裂隙 (b)巖體存在裂隙

巖體中裂隙的存在改變了隧道與溶洞間巖體的應(yīng)力分布。在相同加載條件下，巖體中存在裂隙時隧道圍巖更容易發(fā)生破壞，裂紋最先沿著裂隙的近法向延展，可見裂隙的存在加速了隧道圍巖的破壞進程，且改變了裂紋擴展方向。

隧道底部存在充水溶洞模型在受載后隧道破壞時的聲發(fā)射圖(見圖3)中，圓的顏色表示巖石的破壞模式，灰色表示拉伸破壞，白色表示剪切破壞。圓的半徑越大表示聲發(fā)射能量越大。由圖可知，當隧道底部圍巖發(fā)生破壞時，聲發(fā)射的數(shù)量較大，且圍巖的破壞主要為拉伸破壞，隧道產(chǎn)生拉伸破壞的位置與宏觀的裂紋位置一致。

(a)巖體不存在裂隙 (b)巖體存在裂隙

圖3 充水溶洞在隧道底部圍巖破壞時的聲發(fā)射圖

2.2 充水溶洞對隧道底部圍巖位移的影響分析

隧道底部圍巖X，Y方向位移隨單元號變化曲

線如圖4所示。圖中曲線拐點越明顯，說明隧道底部圍巖在該單元處的破壞越嚴重。由于充水溶洞中水壓的不斷增加使隧道與溶洞間圍巖的應(yīng)力逐步增加，當達到圍巖所能承受的最大應(yīng)力時，圍巖開始產(chǎn)生破裂。圖4(a)，(b)中，第1、第15加載步時，X和Y方向的位移曲線均較為平滑，無明顯拐點，隧道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。當加載到第80步時，41單元處X和Y方向上位移增加，有明顯的拐點，而各單元Y方向位移均有顯著變化，說明隧道底部圍巖在第41單元處產(chǎn)生裂紋，破壞了隧道的穩(wěn)定性。第85加載步時，41單元處X和Y方向位移變化量顯著增加,有明顯拐點，說明在該單元處產(chǎn)生嚴重破壞，即圍巖中產(chǎn)生的裂紋發(fā)生延展。

如圖4(c)，(d)所示，第1加載步時，隧道底部圍巖X和Y方向的位移曲線無明顯拐點，說明隧道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。當加載到第15步時，各單元X和Y方向的位移發(fā)生了明顯的變化，均在第7單元處有明顯拐點，說明水壓的增加導致隧道圍巖在第15步時發(fā)生破裂，裂紋出現(xiàn)在第7單元處。隨著加載步增加，各單元的Y方向位移變化量顯著增加，說明此時隧道底部圍巖發(fā)生了嚴重破壞。

(a)巖體不存在裂隙時，X方向位移 (b)巖體不存在裂隙時，Y方向位移

(c)巖體存在裂隙時，X方向位移 (d)巖體存在裂隙時，Y方向位移

溶洞中水壓不斷增加的過程中，圍巖垂直方向上的位移變化較大。實際工程中應(yīng)將隧道底部圍巖在垂直方向上的位移變化作為事故發(fā)生的前兆，制定相應(yīng)的預(yù)防處理措施，以避免事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)溶洞中水壓力的作用改變了隧道與溶洞間巖體的應(yīng)力分布，溶洞與隧道間的巖體逐漸產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷延展，最終致使隧道與充水溶洞發(fā)生貫通，造成底板突水。

(2)巖體中存在裂隙時，裂紋最先出現(xiàn)在應(yīng)力集中的裂隙端部，并沿著裂隙近法向延伸，最終與隧道發(fā)生貫通。隨著水壓的增加，沿著裂隙方向萌生次生裂紋，次生裂紋繼續(xù)延伸最終與隧道底板發(fā)生貫通。巖體中裂隙的存在加快了隧道圍巖的破壞進程，并改變了裂紋的擴展路徑。

(3)實際工程中應(yīng)將隧道底部圍巖垂直方向上的位移變化作為事故發(fā)生的前兆，制定相應(yīng)的預(yù)防處理措施，以避免事故的發(fā)生。

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Numerical Simulation on the Influences of Water Filling Cave on the Stability of Tunnel Surrounding Rock

CAO Jie1,2,3,4ZUO Yujun1,2,3,4LI Wei1,2,3,4YAN Linyan1,2,3,4LI Bingfeng1,2,3,4

(1.MiningCollege,GuizhouUniversityGuiyang550025)

To explore the water pressure effects on the stability of surrounding rocks in water filling cave, software RFPA2D-Flow (Two-dimensional Real Failure Process Analysis) is applied to conduct numerical studies on the surrounding rock failure of water filling caves under the bottom of the tunnel and also it is compared with that on surrounding rocks from tunnel of only fracture existed in rock mass. The results show that, with the increase of hydraulic pressure, cracks are gradually produced in the rock mass between cave and tunnel, extended and expanded, which finally leads a transfixion from tunnel to water filling cave, and directions of crack growth can be changed by original fracture exist in rock mass, which accelerates the failure process of the surrounding rock under the bottom of tunnel. In actual engineering, if there will be a significant increase of amount on displacement change in the vertical direction appear in the surrounding rock under the bottom of tunnel, it should be thought of as a sign of disaster, and protective measures also should be taken in case of major accidents.

water filling cave change of water pressure fracture numerical simulation failure process

國家“十二五”科技支撐項目課題(2012BAB08B06)，貴州省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃重大項目(JZ字[2014]2005)，貴州省自然科學研究重點項目(黔教科2010003)，貴州大學研究生創(chuàng)新基金(研理工2015068)。

曹潔，女，1990年生，貴州遵義人，碩士研究生，從事巖石力學及礦山災(zāi)害防治方面的研究。

2015-10-01)