考慮壓力溶腔影響的巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析

張 毅， 王 琪

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064； 2.河南省收費還貸高速公路管理中心，河南 鄭州 450000； 3.河南省三門峽至淅川高速公路項目有限公司， 河南 三門峽 472200)

1 研究背景

巖溶地貌是我國西南地區(qū)分布最廣泛的類型之一，在這些地區(qū)修建隧道時需要著重關(guān)注隧道施工安全問題。研究表明，巖溶地貌多分布有富水溶腔，隧道施工過程中稍有不慎就可能發(fā)生溶腔坍塌、突泥涌水等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全[1]。隧道施工安全主要與圍巖受力變形相關(guān)[2]，關(guān)于巖溶地區(qū)的隧道施工安全問題，學(xué)者們也已經(jīng)做了大量的研究[3-7]，張玉偉等[8]假定溶腔處于拱頂上方，考慮溶腔壓力建立了簡化力學(xué)模型，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和變分原理分析了防突層最小安全厚度；莫陽春等[9]假定隧道仰拱處存在溶洞，采用Flac3D分析了溶腔存在對圍巖穩(wěn)定性的影響；李利平等[10]提出了巖溶隧道裂隙水突水機(jī)制，考慮巖溶隧道常見施工病害，提出了注漿治理措施[11]；郭佳奇等[12]以常見的中小型溶腔為例，分析了隧道左側(cè)溶腔與隧道臨空面圍巖的穩(wěn)定性；王勇等[13]等用支持向量機(jī)方法建立了隧道拱頂溶洞防突層的最小安全厚度分析模型；Pesendorfer[14]等研究了巖溶地區(qū)深埋隧道的圍巖裂隙水遷移規(guī)律，并分析了對隧道圍巖的影響規(guī)律。

可以看出，現(xiàn)有文獻(xiàn)多采用理論或數(shù)值手段研究巖溶溶腔的穩(wěn)定性問題，著重關(guān)注了溶腔與隧道間防突層最小安全厚度，但是對于高壓溶腔存在對隧道施工圍巖整體穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)受力變化的影響問題關(guān)注較少，基于以上認(rèn)識，本文依托某巖溶隧道實際情況，采用數(shù)值模擬手段研究溶腔大小、溶腔壓力及溶腔位置對隧道施工圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)受力的影響情況，系統(tǒng)分析各因素條件下巖溶隧道施工圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)受力變形情況，研究結(jié)果可為富水巖溶地區(qū)隧道建設(shè)提供借鑒。

2 數(shù)值分析

2.1 工程概況

某隧道為貴州省道-新高速控制性工程，隧道采用上下分離的雙洞型式，隧道全長為896 m，最大埋深約120 m，隧道穿越喀斯特巖溶地貌，隧址區(qū)揭露地層為第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土、碎石、塊石，奧陶統(tǒng)湄潭組(01 m)泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，勘測資料顯示圍巖節(jié)理較為發(fā)育，洞口段節(jié)理發(fā)育更明顯。隧道上方地表水比較豐富，沖溝發(fā)育，地下水多為松散裂隙水、溶腔裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水，大氣降水是地下裂隙水的主要補(bǔ)給，鉆孔勘探表明水位埋深約1.1～45.7 m，鉆孔CSK37發(fā)現(xiàn)較為發(fā)育的溶腔，內(nèi)有充填物，洞徑約為1.1 m，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪，YK155+700右67 m發(fā)育有溶腔，常年存水， ZK156+030右45 m發(fā)育無水溶洞，洞口尺寸為5 m×2 m，深度約5～6 m。根據(jù)隧道地質(zhì)勘測資料推斷，隧道穿越地層存在大小不等的溶洞，隧道地質(zhì)概況見圖1所示。

圖1 隧道穿越區(qū)地質(zhì)概況

2.2 模擬工況

根據(jù)依托工程條件，隧址區(qū)多發(fā)育有大小不等的溶腔，溶腔內(nèi)可能存在裂隙水也可能為無水干洞。由于地層圍巖中溶腔分布的隨機(jī)性，隧道開挖過程可能遇到任何情況的溶洞，溶腔可能位于隧道的任何位置，因此模擬工況的制定主要考慮溶腔位置、溶腔大小和溶腔壓力3個影響因素。溶腔位置主要考慮拱頂、邊墻和仰拱處，溶腔大小分別假定斷面為4 m×4 m和8 m×8 m，縱向長度為8 m，溶腔壓力分別考慮無水的0和富水的0.4 MPa，溶腔與隧道的相對距離取為5 m，模擬工況見表1所示。為了便于數(shù)值模型建立，溶腔假定為規(guī)則形狀，圖2以拱頂處溶腔為例給出了溶腔與隧道的關(guān)系。

表1 模擬工況

圖2 拱頂處溶腔與隧道關(guān)系

2.3 數(shù)值模型與參數(shù)

根據(jù)設(shè)計資料，隧道路面為單向雙車道，所建模型隧道跨度取為12.9 m，隧道高度取為10.1 m，隧道埋深設(shè)定為35 m。為降低模型邊界效應(yīng)，模型邊界設(shè)定為：左右兩側(cè)取4倍隧道洞徑，仰拱以下取兩倍隧道洞徑，隧道拱頂取至地表面，模型縱向取30 m。首先采用ANSYS軟件建立平面模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三維模型通過平面模型拉伸得到，然后將建立的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Flac3D中進(jìn)行計算，模型由30 780個單元和34 192個節(jié)點組成，圖3為所建模型效果圖。模型約束條件為，左右兩側(cè)施加X水平約束，底部設(shè)置豎直Z方向約束，地表面為自由變形面，模型中存在的溶腔通過NULL模型來模擬。

圖3 數(shù)值模型

模型中的圍巖材料本構(gòu)關(guān)系采用自帶的摩爾-庫倫(M-C)理想彈塑性模型，隧道一次支護(hù)和二次襯砌都取為實體單元，本構(gòu)關(guān)系取為彈性模型，隧道周邊地層應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力影響。模型中所用材料參數(shù)均通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗確定，最終模型參數(shù)見表2所示，F(xiàn)lac3D數(shù)值計算過程一般采用體積模量K和剪切模量G，轉(zhuǎn)換公式為[15]：K=E/3(1-2μ),G=E/2(1+μ)。

表2 模型計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖收斂變形

圍巖變形能夠間接反映圍巖穩(wěn)定性，實際施工中一般通過圍巖變形監(jiān)測來反饋指導(dǎo)現(xiàn)場施工。因此本文也關(guān)注溶腔存在時對隧道施工中圍巖變形的影響，監(jiān)測斷面為溶腔中部下方斷面，沿隧道周邊設(shè)置4個監(jiān)測點，分別在拱頂、兩側(cè)邊墻和仰拱處，拱頂和仰拱主要監(jiān)測豎向變形，兩側(cè)邊墻監(jiān)測水平變形，4個監(jiān)測點均以向內(nèi)的收斂變形為正。監(jiān)測點布置示意圖見圖4。

圖4 隧道圍巖監(jiān)測點布置圖

圖5為不同工況條件下各測點圍巖的收斂變形規(guī)律。對比圖5中工況1至工況3可看出，溶腔位于隧道拱頂上方時，隨著開挖進(jìn)行，各測點的收斂變形趨勢由增加逐漸趨于穩(wěn)定，測點1(拱頂)處收斂變形最明顯，測點2和測點3(兩側(cè)邊墻)相對較小，測點4(仰拱)受影響最不明顯；溶腔體積越大，隨開挖引起的收斂變形越大，溶腔體積為4 m×4 m×8 m時(工況1)，拱頂沉降僅為11.5 mm，溶腔體積為8 m×8 m×8 m時(工況2)，拱頂沉降增大到21 mm，兩側(cè)邊墻處收斂變形也隨溶腔體積增大有所增加，但增加值小于拱頂處，仰拱處收斂變形受拱頂溶腔體積大小的影響不大；溶腔中存在壓力時也會造成收斂變形明顯增大，溶腔中壓力為0.4 MPa時(工況3)，隧道拱頂收斂變形達(dá)到17.5 mm，同時兩側(cè)邊墻收斂變形也有所增加，仰拱處變形影響較??；對比圖5中工況1、工況4和工況5可看出，溶腔位置不同對隧道周邊各測點收斂變形影響不同，溶腔位于左側(cè)邊墻時(工況4)，測點2(左邊墻)處收斂變形最明顯，達(dá)到了12.8 mm，測點1(拱頂)處收斂變形次之，為9 mm，測點3(右邊墻)和測點4(仰拱)處收斂變形較小，說明左側(cè)邊墻處溶腔主要對隧道左邊墻和拱頂?shù)氖諗孔冃斡绊懨黠@；當(dāng)溶腔位于隧道仰拱處時(工況5)，隧道拱頂處收斂變形最大達(dá)到8 mm，仰拱處次之為6.5 mm，兩側(cè)邊墻最小，說明仰拱處溶腔對隧道影響相對較小。整體來看，溶腔位于隧道拱頂上方時對隧道的影響最大，主要影響隧道拱頂和兩側(cè)邊墻的收斂變形，溶腔位于邊墻時，對隧道的影響次之，主要引起溶腔一側(cè)邊墻的收斂變形增加，溶腔位于仰拱處時，對隧道的影響最小，會引起隧道拱頂和仰拱處收斂變形略微增加。因此巖溶隧道施工中，應(yīng)著重關(guān)注隧道拱頂上方溶腔對隧道的影響，且溶腔體積越大、溶腔內(nèi)水壓力越大對隧道影響越明顯，施工穿越巖溶溶腔主要是監(jiān)測隧道拱頂?shù)氖諗孔冃?，確保施工安全。

圖5 不同工況圍巖收斂變形

3.2 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力變化主要影響支護(hù)受力情況，沿隧道圍巖徑向的應(yīng)力作用最明顯，因此本文主要關(guān)注圍巖徑向應(yīng)力，應(yīng)力測點同收斂變形測點(圖4)，拱頂和仰拱處主要提取豎向應(yīng)力，兩側(cè)邊墻主要提取水平應(yīng)力。圖6為不同工況下隧道開挖過程圍巖應(yīng)力變化情況。對比圖6中工況1至工況3可看出，溶腔位于隧道拱頂上方時，隨著隧道開挖過程，各測點的圍巖應(yīng)力值逐漸增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定，且溶腔位于隧道拱頂上方時，對隧道拱頂?shù)膰鷰r應(yīng)力影響最明顯，兩側(cè)邊墻次之，對仰拱處圍巖應(yīng)力影響最弱；溶腔體積大小對各測點圍巖應(yīng)力影響也較為明顯，當(dāng)溶腔體積較小時(工況1)，拱頂處圍巖應(yīng)力值最大僅為1 530 kPa，溶腔體積增大時(工況2)，隧道拱頂圍巖應(yīng)力值達(dá)到2 250 kPa，兩側(cè)邊墻處應(yīng)力值也有所增加，但相比于拱頂處增加不明顯，仰拱圍巖應(yīng)力值受影響不大；溶腔內(nèi)存在水壓力時，各測點的圍壓應(yīng)力值也有所增加，溶腔內(nèi)水壓力為0.4 MPa時(工況3)，拱頂處圍巖應(yīng)力值達(dá)到3 360 kPa，兩側(cè)邊墻圍巖應(yīng)力也相應(yīng)增大，達(dá)到了1 150 kPa，仰拱處圍巖應(yīng)力增加不明顯，說明溶腔體積和溶腔壓力均會對圍巖應(yīng)力產(chǎn)生影響，但溶腔位于拱頂上方時，主要影響隧道拱頂和兩側(cè)邊墻，對隧道仰拱影響有限；對比圖6中工況1、工況4和工況5，溶腔位置不同，對隧道周邊各測點圍巖應(yīng)力的影響也不同，當(dāng)溶腔位于隧道左邊墻時(工況4)，左邊墻處圍巖應(yīng)力變化最明顯，最大達(dá)到1 480 kPa，其次為拱頂處，圍巖應(yīng)力值達(dá)到1 100 kPa，仰拱測點圍巖應(yīng)力也有所增加，但增加幅值不明顯；當(dāng)溶腔位于隧道仰拱處時(工況5)，主要引起拱頂和仰拱處圍巖應(yīng)力值增加，兩側(cè)邊墻圍巖應(yīng)力值較小，說明隧道仰拱處的溶腔對隧道整體圍巖應(yīng)力的影響相對較小。整體來看，溶腔位于隧道拱頂上方時對隧道影響最大，兩側(cè)邊墻處的溶腔影響次之，仰拱處溶腔對隧道影響最小，且溶腔體積越大、溶腔內(nèi)存在水壓力時，對隧道圍巖應(yīng)力作用越明顯。

當(dāng)隧道施工遇到溶腔位于隧道拱頂上方且溶腔內(nèi)存水時，建議首先進(jìn)行預(yù)處理再施工；溶腔位于隧道兩側(cè)邊墻時，可根據(jù)具體實際情況判定是否需要處理；當(dāng)溶腔位于隧道仰拱處且溶腔體積大而無水時，可不采取處理措施，加強(qiáng)施工期圍巖變形及應(yīng)力監(jiān)測即可。

3.3 支護(hù)接觸壓力

溶腔對隧道施工完成后支護(hù)受力也會產(chǎn)生影響，本文還關(guān)注施工完成后不同工況下隧道圍巖與初支及初支與二襯之間的接觸壓力，評價溶腔存在對隧道支護(hù)系統(tǒng)受力的影響。表3分別給出不同工況下支護(hù)受力情況，其中壓應(yīng)力為正值。由表3可以看出，溶腔位于拱頂上方時(工況1～2)，拱頂處初支受力較大，邊墻次之，仰拱最小，且溶腔體積越大，各測點初支受力也越大，溶腔內(nèi)存在水壓力時(工況3)，同樣會增加各測點的初支受力；溶腔位于左邊墻時(工況4)，左邊墻和拱頂初支受力最大，仰拱和右邊墻初支受力較小；溶腔位于仰拱時(工況5)，拱頂和仰拱處初支受力較大，兩側(cè)邊墻受力較小，說明溶腔存在會使得初期支護(hù)受力不均，靠近溶腔處測點初支受力一般有所增大，隧道拱頂上方存在溶腔且溶腔較大或存在水壓力時，會明顯增大隧道拱頂初支接觸壓力，不利于初支的整體受力，溶腔位于仰拱時對隧道初支整體受力影響較小。各工況二次初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸壓力相對較小，滿足二襯作為安全儲備的要求。

圖6 不同工況圍巖應(yīng)力

表3 不同工況下初支和二襯壓力kPa

4 結(jié) 論

(1)巖溶隧道溶腔會引起隧道施工過程圍巖收斂變形和應(yīng)力增大，溶腔大小、溶腔位置及溶腔壓力均會對收斂變形和應(yīng)力產(chǎn)生影響。溶腔越大、溶腔存在壓力會造成靠近溶腔測點的收斂變形和應(yīng)力值明顯增加，溶腔位于拱頂時對隧道整體受力影響最大，溶腔位于邊墻時對隧道影響次之，溶腔位于仰拱時對隧道影響最小。

(2)隧道施工遇到溶腔位于隧道拱頂上方且溶腔內(nèi)存水時，建議首先進(jìn)行預(yù)處理再施工，溶腔位于隧道兩側(cè)邊墻時，可根據(jù)具體實際情況判定是否需要處理，當(dāng)溶腔位于隧道仰拱處且溶腔體積大而無水時，可不采取處理措施，加強(qiáng)施工期圍巖變形及應(yīng)力監(jiān)測即可。

(3)巖溶溶腔會對隧道初期支護(hù)受力產(chǎn)生不利影響，靠近溶腔一側(cè)的初支受力明顯增大，溶腔越大、溶腔內(nèi)存在壓力對初支受力影響越明顯，施工中可考慮增加溶腔處初支的強(qiáng)度。