強(qiáng)降雨條件下巖溶地質(zhì)環(huán)境因素對(duì)隧道安全性的影響序列研究

彭 奇， 劉國(guó)峰， 楊 騰， 陳 立

(1. 中建五局土木工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000;2. 湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

0 引言

中國(guó)是世界上喀斯特地貌的主要分布國(guó)家，巖溶地質(zhì)廣泛分布于我國(guó)西南及華南珠江流域地區(qū)。巖溶區(qū)域的地質(zhì)條件極其復(fù)雜，施工難度較大，工程地質(zhì)災(zāi)害后果非常嚴(yán)重。

對(duì)于巖溶區(qū)隧道工程的研究，近年來(lái)主要集中在2個(gè)方面： 1)對(duì)于災(zāi)害防治的研究，如郭佳奇等[1]對(duì)突水災(zāi)害的防治原則和措施進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，周棟梁等[2]提出了巖溶隧道底板安全厚度的計(jì)算方法； 2)對(duì)災(zāi)害發(fā)生根源的研究或?qū)?zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)手段的研究[3]，主要集中在對(duì)新型探測(cè)手段的發(fā)掘和基于經(jīng)典力學(xué)模型的數(shù)值分析[4-6]，以及對(duì)于地理信息系統(tǒng)[7-8]的構(gòu)建等方面。巖溶區(qū)隧道工程的安全性與巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境因素密切相關(guān)，而巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境構(gòu)成復(fù)雜、層次多樣，其諸多地質(zhì)環(huán)境因素對(duì)隧道工程安全性的影響存在一定的主次關(guān)系。在實(shí)際隧道工程地質(zhì)災(zāi)害的研究和治理中采用“以主要矛盾為主，次要矛盾為輔”的理念，能產(chǎn)生事半功倍的效果。目前，對(duì)巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)境因素的研究往往依托具體工程，如單長(zhǎng)兵等[9]以西南地區(qū)某溶洞隧道為工程背景，指出孔隙水壓力是隧道涌水的主要原因； 楊寅靜[10]依托宜萬(wàn)鐵路沿線(xiàn)巖溶隧道，指出巖溶直徑、巖溶與隧道間距等因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響具有一定的規(guī)律性。這種根據(jù)具體工程現(xiàn)象展開(kāi)的研究，其結(jié)果難免存在一定的片面性。

基于以上研究，本文室內(nèi)試驗(yàn)考慮溶洞的布置形態(tài)、溶洞的尺寸、隧道圍巖節(jié)理面傾角、溶洞與隧道之間的距離等因素。通過(guò)對(duì)上述4個(gè)主要因素的綜合考慮、交叉設(shè)計(jì)，對(duì)巖溶隧道工程的地質(zhì)環(huán)境因素影響序列進(jìn)行了較為全面的研究，并對(duì)巖溶區(qū)隧道主要工程地質(zhì)災(zāi)害(涌水、坍塌)在降雨條件下發(fā)生的圍巖力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了探索。

1 工程概況

本文研究依托京珠高速粵境北端韶關(guān)境內(nèi)的洋碰公路隧道工程，隧道所處地貌單元為中低山丘，屬構(gòu)造剝蝕地貌。隧道區(qū)域山巒起伏、溝谷深切、植被茂密，最高山峰在隧道右側(cè)，標(biāo)高為556 m，谷底標(biāo)高為132 m。山脈大體呈北東—南西走向。隧道沿山體半山腰穿過(guò)，地形上呈兩頭低、中間高，縱斷面為一單峰狀，最低標(biāo)高為240 m。隧道進(jìn)口坡度較緩，為灰?guī)r風(fēng)化剝蝕地貌(灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1)，山丘多呈渾圓狀，為第四系坡積層，覆蓋厚度較大。隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生多次涌水涌泥、滲漏等病害，雖已進(jìn)行多次治理，但水平導(dǎo)洞中涌水涌泥、地表巖溶塌陷、隧道滲漏、襯砌脫落等病害仍在發(fā)生，威脅到隧道的安全運(yùn)行。

2 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

公路隧道圍巖相對(duì)于巖溶山體而言體積極小，在不發(fā)生極端地質(zhì)演變的情況下不會(huì)導(dǎo)致巖溶山體發(fā)生大尺度的位移[11]。基于以上認(rèn)識(shí)，將室內(nèi)試驗(yàn)框架模型設(shè)計(jì)為整體剛性模型[12]，如圖1所示。處于一定圍巖環(huán)境中的公路隧道，與其相應(yīng)的圍巖具有一體化的聯(lián)系，在荷載作用下同時(shí)發(fā)生彈塑性形變，因此將隧道襯砌模型設(shè)計(jì)為一般彈塑性體。由于模型的縮放比例(1∶100)較大，試驗(yàn)中襯砌模型采用實(shí)際形狀和筒狀體產(chǎn)生的試驗(yàn)效果差別較小，為了降低襯砌成型難度，在試驗(yàn)中隧道襯砌模型直接采用筒狀體，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芰W(xué)分析(單位： Pa)

圖2 隧道襯砌模型

巖溶區(qū)山體本身的地質(zhì)特征利于降雨滲透和侵蝕，而試驗(yàn)中所選取的隧道襯砌圍巖相對(duì)于完整的巖溶山體而言是一個(gè)降雨滲透過(guò)程的中間體。因此，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷装暹M(jìn)行了特殊的透水設(shè)計(jì)，以確保模擬降雨在圍巖中的滲透通過(guò)。

3 試驗(yàn)材料和方案

本試驗(yàn)是對(duì)隧道及其圍巖內(nèi)巖溶地質(zhì)狀況進(jìn)行模擬的地質(zhì)力學(xué)室內(nèi)模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)研究中常用的長(zhǎng)度比尺為1∶50或1∶120，越接近原始尺度的模型試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)越接近真實(shí)情況(如1∶1的足尺試驗(yàn))，但試驗(yàn)投入也隨之倍增；試驗(yàn)時(shí)尺度縮放比例遞增，數(shù)據(jù)與真實(shí)狀況的接近程度也隨之遞減。因此，在試驗(yàn)中模型尺寸的選用必須同時(shí)考慮相似比尺的合理性和經(jīng)濟(jì)性原則2方面因素。綜上所述，本試驗(yàn)采用1∶100比尺進(jìn)行設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)依據(jù)相似材料理論設(shè)計(jì)，模擬5倍隧道直徑以?xún)?nèi)的隧道圍巖狀況。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校运淼酪r砌出發(fā)至模型頂部、底部、側(cè)部均為5倍隧道直徑距離，為了降低模型制作難度，對(duì)5倍距離之外的部分進(jìn)行填充，使其呈現(xiàn)空間立方體形態(tài)。隧道襯砌圍巖(灰?guī)r)相似材料質(zhì)量配合比為水泥∶細(xì)砂∶黏土∶重晶石粉∶水=1∶12.67∶2.67∶8.67∶3.87；襯砌相似材料的質(zhì)量配合比為水泥∶細(xì)砂∶黏土∶重晶石粉∶水=1∶4.25∶1∶3.25∶2。試驗(yàn)材料與工程現(xiàn)場(chǎng)材料的基本物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表1和表2，隧道模型相似常數(shù)見(jiàn)表3。

表1隧道襯砌圍巖(灰?guī)r)與其相似材料力學(xué)參數(shù)對(duì)比

Table 1 Comparison of mechanical parameters between tunnel lining surrounding rock (limestone) and similar materials

材料容重/(kg/m3)單軸抗壓強(qiáng)度/MPa泊松比彈性模量/GPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)灰?guī)r 2 100500.32550035相似材料2 1600.490.320.054.9235

表2隧道襯砌材料與其相似材料力學(xué)參數(shù)對(duì)比

Table 2 Comparison of mechanical parameters between tunnel lining materials and similar materials

材料容重/(kg/m3)單軸抗壓強(qiáng)度/MPa泊松比彈性模量/GPaC40 2 200400.232.5相似材料2 1800.410.20.327

表3 隧道模型相似常數(shù)

試驗(yàn)的工況設(shè)置見(jiàn)表4，采用參量交叉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。節(jié)理面傾角取30°、45°、60° 3種情況，溶洞直徑取6、9 m 2種情況，溶洞與隧道距離取6、12、18 m 3種情況，溶洞縱向間距均為60 m(以上均為試驗(yàn)縮放之前的足尺)。所考慮的隧道巖溶地質(zhì)因素為節(jié)理面傾角、溶洞直徑、溶洞與隧道間距、溶洞的縱向間距，以及2種溶洞的布置形態(tài)(見(jiàn)圖3)： 通過(guò)水平面和豎直面的豎向正交布置(簡(jiǎn)稱(chēng)截面1)和通過(guò)45°和135°傾斜面的斜向布置(簡(jiǎn)稱(chēng)截面2)。

表4不同工況下的隧道襯砌圍巖參數(shù)

Table 4 Parameters of tunnel lining surrounding rock under different conditions

工況節(jié)理面傾角/(°)溶洞直徑/m溶洞與隧道間距/m溶洞縱向間距/m1606660260912603459660430612605456186063091860

d為溶洞直徑；δ為溶洞與隧道襯砌之間的距離。

圖3 2種溶洞布置形態(tài)(單位： mm)

Fig. 3 Two kinds of layouts of karst caves (unit: mm)

根據(jù)工程實(shí)地測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)置節(jié)理面間距。在隧道襯砌圍巖的核心區(qū)域(5倍隧道掘進(jìn)直徑范圍)內(nèi)，節(jié)理面間距設(shè)置為隧道襯砌直徑的70%；在襯砌圍巖次級(jí)區(qū)域，為了保證圍巖中節(jié)理面兩側(cè)圍巖發(fā)生微小相對(duì)移動(dòng)的可能性[13]，同時(shí)反映出在實(shí)際工程中，隨著與隧道距離的增大，節(jié)理面施加于隧道襯砌的影響逐漸減小的現(xiàn)象，節(jié)理面間距從隧道內(nèi)徑的70%逐步增大到300%，如圖4所示。

圖4 節(jié)理面間距設(shè)置(單位： mm)

在公路隧道中發(fā)生的涌水和坍塌，主要是由于降雨過(guò)程中隧道襯砌圍巖的孔隙水壓力和土壓力發(fā)生了劇烈變化[14-15]。因此，試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容為孔隙水壓力和土壓力，測(cè)試元件的參數(shù)見(jiàn)表5和表6，測(cè)試元件的埋設(shè)位置見(jiàn)圖5和圖6。

對(duì)于降雨量的設(shè)置，在參照2017年7月初氣象記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行理想化處理。每隔1 h集中降雨8 mm，持續(xù)24 h，日降雨量為192 mm。試驗(yàn)采用立方體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，故未?duì)地表徑流的動(dòng)力荷載影響加以分析。降雨量設(shè)置為8 mm/h，與實(shí)際降雨量相比有所減少，以滿(mǎn)足能夠在坡頂形成地表積水但不形成地表徑流的狀態(tài)，這是因?yàn)閷?shí)際降雨誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害中，隧道圍巖主要受到坡體滲流而非地表徑流的影響[16]。

表5 孔隙水壓力傳感器參數(shù)

表6 土壓力傳感器參數(shù)

圖5 孔隙水壓力測(cè)試位置

圖6 土壓力測(cè)試位置

模擬降雨采用人工集中噴灑的方式，并在圍巖模型頂部設(shè)置尺板進(jìn)行測(cè)量，如圖7所示。為了有效地模擬隧道襯砌作為滲流沖擊對(duì)象的特征，以及避免水分在模型底部匯集從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，試驗(yàn)采用高效的模型底部透水設(shè)計(jì)，如圖8和圖9所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)襯砌圍巖模型的宏觀(guān)狀態(tài)進(jìn)行全天候的影像捕捉，如圖10所示。

圖7 人工噴灑模擬降雨

圖8 模型底板透水設(shè)計(jì)

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)體

圖10 全天候影像捕捉

4 圍巖因素對(duì)巖溶隧道安全性影響序列分析

4.1 孔隙水壓力影響序列分析

巖溶區(qū)隧道工程，由于圍巖良好的透水性，大部分工況下的孔隙水壓力整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。工況5、6(溶洞與隧道間距較大的工況)的孔隙水壓力變化比較明顯，且工況5比工況6表現(xiàn)更加顯著；而2個(gè)測(cè)試截面的孔隙水壓力差異性也較明顯。

孔隙水壓力發(fā)展趨勢(shì)如圖11所示，其中1-0°位置的1表示截面1，0°表示0°測(cè)點(diǎn)位置，下同。由圖11可知，工況5、6的截面1表現(xiàn)為孔隙水壓力增大； 截面2的大多數(shù)測(cè)點(diǎn)處于負(fù)壓狀態(tài)。圖11(a)中的孔隙水壓力變化區(qū)間為200～250 kPa，圖11(b)中的孔隙水壓力變化區(qū)間為20～30 kPa，圖11(a)的孔隙水壓力變化區(qū)間約為圖11(b)的10倍; 同理可知，圖11(c)的孔隙水壓力變化區(qū)間約為圖11(d)的10倍，圖11(a)和(b)的孔隙水壓力變化區(qū)間又分別為圖11(c)和(d)的10倍，即截面1的孔隙水壓力變化區(qū)間約為截面2的10倍，0°測(cè)點(diǎn)位置的孔隙水壓力變化區(qū)間約為180°位置的10倍。

(a) 1-0°位置孔隙水壓力

(b) 2-0°位置孔隙水壓力

(c) 1-180°位置孔隙水壓力

(d) 2-180°位置孔隙水壓力

以圖例“K21-0”為例，其中，“K”表示孔隙水壓力； “2”表示工況2(見(jiàn)表4)； “1”表示截面1(見(jiàn)第1節(jié))； “0”表示0°測(cè)點(diǎn)位置(見(jiàn)圖7)。下同。

圖11孔隙水壓力發(fā)展趨勢(shì)

Fig. 11 Development trend of pore water pressure

孔隙水壓力的2種基本表現(xiàn)(孔隙水壓力增大和負(fù)壓狀態(tài))對(duì)工程的影響截然不同?？紫端畨毫υ龃髮?dǎo)致襯砌圍巖的有效應(yīng)力減小，同時(shí)對(duì)筒狀襯砌產(chǎn)生向心壓力，從力學(xué)結(jié)構(gòu)上講有利于隧道襯砌的穩(wěn)定，但在工程中由于混凝土材料的內(nèi)部缺陷性，將增大涌水發(fā)生的概率； 而出現(xiàn)負(fù)壓則表明該處襯砌圍巖孔隙水壓力處于真空狀態(tài)，會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生離心拉力，由于筒狀(在實(shí)際工程中為拱狀)結(jié)構(gòu)抗拉能力較弱，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將承受破壞的風(fēng)險(xiǎn)，即坍塌發(fā)生的概率增大但涌水發(fā)生的概率降低。

由上述分析可知，孔隙水壓力主要受到節(jié)理面傾角和溶洞布置形態(tài)的影響，且節(jié)理面傾角的作用要強(qiáng)于溶洞布置形態(tài)，其他試驗(yàn)控制因素對(duì)于巖溶區(qū)隧道孔隙水壓力影響較弱。節(jié)理面傾角的影響機(jī)制為：巖溶節(jié)理圍巖體系中，滲流水主要通過(guò)節(jié)理面在巖體的內(nèi)部流動(dòng)[17]，節(jié)理面傾角越大，孔隙水壓力受降雨的影響越顯著。溶洞布置形態(tài)的影響機(jī)制為： 當(dāng)溶洞處于隧道襯砌的豎直方向時(shí)，將在襯砌的主應(yīng)力方向(在不遭受劇烈地質(zhì)演變的情況下，隧道襯砌的主應(yīng)力方向?yàn)樨Q直方向)施加直接影響。

另外，孔隙水壓力對(duì)于涌水和坍塌發(fā)生概率的影響是相反的，即從孔隙水壓力的角度出發(fā)，隧道的選址不可能同時(shí)將涌水和坍塌發(fā)生的概率降至最低。

4.2 土壓力與溶洞布置形態(tài)的相關(guān)性

土壓力分布表現(xiàn)出明顯的與隧道襯砌圍巖參量相關(guān)的特征，土壓力發(fā)展趨勢(shì)如圖12所示。由圖12可知，在1-0°位置，工況5條件下的襯砌存在受拉傾向，其他工況下的襯砌則存在不同程度的受壓； 在2-0°位置，工況6條件下的土壓力表現(xiàn)為顯著波動(dòng)，其他工況下的土壓力則表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定； 在1-90°位置，工況1、6條件下的襯砌顯著受拉； 在2-90°位置，不同工況下的襯砌受力差異較大； 在1-180°位置，工況6條件下的襯砌受拉持續(xù)增大； 在2-180°位置，不同工況下的襯砌受力發(fā)展趨勢(shì)比較顯著； 在1-225°位置，工況6條件下的土壓力表現(xiàn)為顯著波動(dòng)；在2-225°位置，不同工況下的襯砌受力差異較大；在315°位置，不同工況下的襯砌表現(xiàn)出顯著的受力差異。

從土壓力的波動(dòng)程度和數(shù)量區(qū)間的角度看，在迎向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向(315°～135°位置)，截面2的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于截面1；在背向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向(135°～315°位置)，截面1的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于截面2。

(a) 1-0°位置土壓力 (b) 2-0°位置土壓力

(c) 1-90°位置土壓力 (d) 2-90°位置土壓力

(e) 1-180°位置土壓力 (f) 2-180°位置土壓力

(g) 1-225°位置土壓力 (h) 2-225°位置土壓力

(i) 1-315°位置土壓力 (j) 2-315°位置土壓力

圖例中“T”表示土壓力。

圖12土壓力發(fā)展趨勢(shì)

Fig. 12 Development trend of earth pressure

4.3 土壓力影響序列分析

為了清晰地描述各巖溶地質(zhì)因素對(duì)巖溶隧道襯砌的影響效果，將圖12中各工況數(shù)據(jù)變化的主要趨勢(shì)表現(xiàn)在以節(jié)理面傾角(θ)、溶洞直徑(d)、溶洞與隧道間距(l)為坐標(biāo)的三維立體空間內(nèi)。

對(duì)迎向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向的土壓力進(jìn)行分析，如圖13所示。溶洞直徑較小的條件下，當(dāng)間距與傾角之間大致符合l<-0.4θ+30時(shí)，1-0°位置的襯砌頂部所受土壓力有明顯增大趨勢(shì)； 反之，則表現(xiàn)為受拉。溶洞直徑較大的條件下，各工況下襯砌頂部均表現(xiàn)為受壓，且隨著節(jié)理面傾角增大、溶洞與隧道間距變小，襯砌頂部受壓強(qiáng)度會(huì)小幅度增大。在2-90°位置，隨著節(jié)理面傾角增大，土壓力會(huì)發(fā)生變化： 傾角為30°的2個(gè)工況下的襯砌表面均表現(xiàn)為小幅度受拉； 傾角為45°的2個(gè)工況下的襯砌表面受力性質(zhì)已呈現(xiàn)差異，一個(gè)為受拉，另一個(gè)為受壓； 傾角為60°的2個(gè)工況與45°工況相比，襯砌表面受力差異繼續(xù)增大，即隨著節(jié)理面傾角增大，相同節(jié)理面傾角的工況受力差異將會(huì)增大。其中，溶洞直徑是襯砌表面土壓力最顯著的影響因素，隨著溶洞直徑增大，襯砌受壓將會(huì)增大；其次為節(jié)理面傾角，隨著節(jié)理面傾角變大，襯砌受壓將會(huì)減小。

(a) 1-0°位置土壓力分析

(b) 2-90°位置土壓力分析

圖中1—6表示工況，下同。

圖13迎向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向土壓力分析

Fig. 13 Analysis of earth pressure toward natural decline direction of joint

對(duì)背向節(jié)理體自然下滑方向進(jìn)行分析。在1-180°位置，隨著溶洞與隧道間距和溶洞直徑的增大，襯砌表面呈受拉增大的趨勢(shì)，如圖14(a)所示；在2-225°位置，圍巖參數(shù)組合在空間坐標(biāo)系中向工況6所在位置發(fā)展時(shí)，襯砌表面同樣呈受拉增大的趨勢(shì)，如圖14(b)所示。

(a) 1-180°位置土壓力特征

(b) 2-225°位置土壓力特征

Fig. 14 Analysis of earth pressure against natural decline direction of joint

綜上所述，巖溶地質(zhì)因素與土壓力之間存在復(fù)雜的影響關(guān)系。首先，土壓力受到溶洞截面分布狀態(tài)的影響； 其次，隨著節(jié)理面傾角增大、溶洞直徑增大，普遍存在土壓力減小的趨勢(shì)； 溶洞與隧道間距則不能單獨(dú)發(fā)揮影響。

5 結(jié)論與建議

1)孔隙水壓力主要受到節(jié)理面傾角和溶洞布置形態(tài)的影響，且節(jié)理面傾角的作用要強(qiáng)于溶洞布置形態(tài)。豎向正交布置溶洞截面孔隙水壓力變化區(qū)間約為斜向布置截面的10倍，而襯砌0°測(cè)點(diǎn)位置孔隙水壓力變化區(qū)間約是180°測(cè)點(diǎn)位置的10倍?？紫端畨毫?duì)于涌水和坍塌發(fā)生概率的影響存在相反特征，從孔隙水壓力的角度出發(fā)，當(dāng)涌水風(fēng)險(xiǎn)降低，理論上會(huì)增大坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

2)土壓力受到多種巖溶地質(zhì)因素共同作用。在迎向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向(315°～135°位置)，豎向溶洞布置的襯砌穩(wěn)定性?xún)?yōu)于斜向布置； 在背向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向(135°～315°位置)則相反。襯砌土壓力影響序列依次為： 溶洞布置形態(tài)、節(jié)理面傾角、溶洞直徑、溶洞與隧道間距。

3)節(jié)理面傾角和溶洞直徑的增大，均會(huì)引起土壓力的減小。溶洞距離和傾角之間符合l<-0.4θ+30時(shí)，襯砌頂部有明顯的受壓增大趨勢(shì)。但溶洞距離對(duì)隧道襯砌表面的土壓力并不單獨(dú)構(gòu)成影響。

本文研究只考慮了2種溶洞布置形態(tài)，且2種形態(tài)均為對(duì)稱(chēng)布置，因此只能得到溶洞形態(tài)差異的影響特征，而不能得到更詳盡的溶洞具體方位的影響特征； 本文的試驗(yàn)時(shí)間尺度有限，而在工程實(shí)踐中，圍巖的流變特征對(duì)隧道工程安全性的影響是巨大的。在后續(xù)工作中，應(yīng)逐步解決上述2個(gè)問(wèn)題。