隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值模擬

曹林衛(wèi)， 黃明利， 楊澤， 管強

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；3.中鐵十一局集團第五工程有限公司， 重慶 400037)

中國巖溶分布廣泛，約占國土面積的1/3，在巖溶地層中修建隧道極易遭遇溶洞、暗河等不良地質(zhì)，突涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，不僅會導(dǎo)致重大的經(jīng)濟損失和項目進度推遲，甚至?xí)斐扇藛T傷亡、隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞和惡劣的社會影響[1-5]。在高壓富水隱伏溶洞突涌水問題研究中，隧道與隱伏溶洞間圍巖安全厚度及其穩(wěn)定性是研究的重點。隧道與隱伏溶洞間預(yù)留足夠安全厚度是預(yù)防突涌水災(zāi)害發(fā)生的有效手段。

郭佳奇等[6]采用理論分析和數(shù)值計算的方法，建立了隧道與側(cè)部中、小尺度充填溶腔間巖柱安全厚度的預(yù)測模型。孫周[7]采用有限元軟件ADINA分析了影響安全距離的因素，在此基礎(chǔ)上，采用多元線性回歸的方法進行擬合，得到了隧道與隱伏溶洞安全距離預(yù)測模型。張毅等[8]采用FLAC3D有限元軟件分析了溶腔大小、位置及壓力對圍巖穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為溶腔會引起隧道施工過程圍巖收斂變形和應(yīng)力增大。高壇等[9]利用MIDAS GTS對武漢地鐵隧道與溶洞安全距離的影響因素進行數(shù)值正交試驗，確定了各因素對安全距離的影響規(guī)律，并采用非線性多元回歸分析建立了隧道與溶洞安全距離預(yù)測模型。郭瑞等[10]以大方隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬方法研究了溶洞位置、大小及其與隧道距離等因素對隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響規(guī)律，認(rèn)為隧道穩(wěn)定性最不利的溶洞位置是隧道側(cè)部溶洞。陳禹成等[11]采用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件進行了隱伏溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律模擬，得到了不同位置隱伏溶洞對隧道圍巖應(yīng)力場、位移場的影響規(guī)律。管鴻浩[12]結(jié)合工程實踐，利用有限差分軟件研究了不同情況的側(cè)部充水溶洞對隧道圍巖位移的影響規(guī)律。綜上所述，相關(guān)研究都僅將隧道與隱伏溶洞間圍巖作為突涌水的防突層，尚沒有開展在隧道平行導(dǎo)洞擴挖導(dǎo)致圍巖安全厚度不足情況下將圍巖+注漿結(jié)石體、襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖及其穩(wěn)定性的研究。

為此，針對新圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴挖施工穿越2#高壓富水溶洞工程實例，采用巖石真實破裂過程分析軟件(realistic failure process analysis， RFPA)開展隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值計算，揭示復(fù)合圍巖破裂突水災(zāi)變演化規(guī)律，探討不同厚度和類型復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)的抗水壓能力，為新圓梁山隧道穿越2#溶洞合理選擇臨時二次襯砌參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

新圓梁山隧道由既有圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴挖修建而成，穿越毛壩向斜。毛壩向斜段隧道洞身附近發(fā)育有3個高壓富水充填型溶洞，其中2#溶洞具有溶洞規(guī)模大、水壓高、水量大、涌水與地表降雨關(guān)聯(lián)性強等特點，對施工影響最大。新圓梁山隧道施工期間進行洞內(nèi)水壓測試，正洞水壓為3.013 MPa，平行導(dǎo)洞水壓為2.016 MPa。在隧道YDK340+285～YDK340+395里程范圍對2#溶洞進行鉆探探測，溶洞空間分布特征如圖1所示。利用三維精準(zhǔn)探測數(shù)據(jù)結(jié)果，通過軟件形象模擬2#溶洞發(fā)育情況，創(chuàng)建三維模型如圖2所示。

由圖1可以看出，YDK340+285～YDK340+335范圍溶洞主要分布在襯砌右側(cè)，距離平行導(dǎo)洞襯砌的最小距離為5 m，平行導(dǎo)洞擴挖后，隧道可能揭穿側(cè)部溶腔；在YDK340+345～YDK340+395范圍，溶洞分布在襯砌周圍，平行導(dǎo)洞擴挖后，隧道將穿越溶洞。由此可見，2 #溶洞段平行導(dǎo)洞擴挖施工將導(dǎo)致隧道與周邊隱伏溶洞間無剩余圍巖或圍巖安全厚度不足。隧道擴挖施工存在極大地突涌水風(fēng)險。

中數(shù)據(jù)為鉆探鉆孔與溶洞邊界相交時的長度和鉆孔總長度圖1 2#溶洞空間分布Fig.1 Distribution of no.2 karst cave

圖2 2#溶洞三維模型Fig.2 3D models of no.2 karst cave

在既有平行導(dǎo)洞擴挖施工過程中，保證隧道與溶洞之間圍巖(防突層)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。防突層厚度越大，其穩(wěn)定性越好。當(dāng)隧道與周邊溶腔間防突層厚度不足時，需進行帷幕注漿加固，將圍巖與注漿結(jié)石體視作復(fù)合圍巖開展抗水壓能力研究；對于擴挖施工過程中隧道與溶腔間無圍巖情況，在雨季來臨前，為了安全起見，可根據(jù)需要先行施作臨時二次襯砌。此時，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖開展抗水壓能力研究。目前，采用常規(guī)的力學(xué)分析方法難以解決上述工程問題。數(shù)值分析方法因其具有適應(yīng)性強、能考慮各種復(fù)雜條件等優(yōu)勢，近年來發(fā)展較快，應(yīng)用十分廣泛。采用RFPA數(shù)值分析方法對隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力進行研究。

2 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖破裂突水?dāng)?shù)值模擬

2.1 計算模型

假設(shè)平行導(dǎo)洞擴挖后，隧道與側(cè)部隱伏溶腔間剩余3 m厚圍巖，此時圍巖安全厚度可能不足，需在平行導(dǎo)洞擴挖前對溶腔充填物進行帷幕注漿加固。假設(shè)注漿加固厚度為5 m，平行導(dǎo)洞擴挖后，將3 m厚圍巖與5 m厚的注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。將溶洞簡化為含水空洞，考慮到平行導(dǎo)洞擴挖的影響范圍，數(shù)值計算模型寬度取為3倍洞徑，即計算模型尺寸為100 m×100 m。數(shù)值計算時不考慮泄水支洞和既有線的影響。數(shù)值計算模型按平面應(yīng)變問題考慮，模型共劃分為400×400=160 000個單元。模型的上邊界和左右邊界處施加均布荷載邊界條件，下邊界施加豎直位移約束條件。數(shù)值計算模型如圖3所示。

p為豎向自重應(yīng)力；A、B、C、D為測點編號圖3 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model for water pressure resistance of surrounding rock and grouting-reinforced rock mass

隧道埋深500 m，圍巖自重平均值為20 kN/m3，故外加均布荷載p為10 MPa。假定側(cè)壓力系數(shù)λ=1.5，隧道內(nèi)徑為10 m，平行導(dǎo)洞內(nèi)徑為5 m。模型均質(zhì)度m表征材料的均勻性，m值越大，材料的宏觀性質(zhì)就越均勻[13]，考慮到模型最小單元的尺寸為25 cm，可取m=80。巖石材料的抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度，故而使用修正后的庫侖準(zhǔn)則包含拉伸截斷作為單元破壞的強度判據(jù)。

模型計算第一步為既有平行導(dǎo)洞注漿后穩(wěn)壓，含水空洞內(nèi)壁施加水壓荷載來模擬溶腔內(nèi)的水壓力作用。含水空洞初始水壓為0.1 MPa，單步增量為0.01 MPa。模型計算第二步為既有平行導(dǎo)洞擴挖施工。隨后將溶腔內(nèi)水壓逐步升高直到復(fù)合圍巖發(fā)生破裂突水為止。

2.2 參數(shù)選取

隧道穿越2#溶洞所處地層巖性主要為灰?guī)r。根據(jù)地質(zhì)勘測報告結(jié)合施工現(xiàn)場鉆孔取樣的試驗結(jié)果，最終確定數(shù)值計算模型中圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

溶洞充填區(qū)裂隙發(fā)育，含有大量粉細(xì)砂和碎石，且以粉細(xì)砂為主。通過帷幕注漿可大幅度提高溶洞充填區(qū)的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力，從而提高溶腔充填物的穩(wěn)定性及承載能力。根據(jù)計算公式、研究結(jié)論及工程經(jīng)驗，確定注漿結(jié)石體參數(shù)，如表2所示。

表1 圍巖參數(shù)Table 1 Parameters of surrounding rock

表2 注漿結(jié)石體參數(shù)Table 2 Parameters of grouting-reinforced rock mass

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 損傷模式分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，提取出典型步驟的應(yīng)力云圖，如圖4所示?？梢钥闯?，由于溶腔初始狀態(tài)有0.1 MPa水壓，既有平行導(dǎo)洞開挖前及溶洞周邊分布著環(huán)狀應(yīng)力帶，此時溶腔與平行導(dǎo)洞間復(fù)合圍巖未出現(xiàn)裂紋擴展。在既有平行導(dǎo)洞擴挖施工后，隧道周邊應(yīng)力平衡被打破，出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，此外，復(fù)合圍巖中出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，最終在應(yīng)力場和滲流場的耦合作用下達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著溶洞內(nèi)水壓力的升高，在復(fù)合圍巖外層的注漿結(jié)石體萌生了一條微裂紋。隨著注漿結(jié)石體的應(yīng)力集中進一步加大，一條宏觀裂紋不斷擴展貫通至復(fù)合圍巖內(nèi)層的圍巖體。此時溶腔水壓通過裂隙作用于圍巖。隨著溶腔內(nèi)水壓力持續(xù)升高，最后，一條連接溶腔底部與隧道拱底的主裂紋擴展貫通，復(fù)合圍巖整體向隧道內(nèi)部塌陷。

2.3.2 聲發(fā)射分析

巖石單元發(fā)生脆性破壞釋放的彈性能以聲發(fā)射的形式對外釋放，因此可以根據(jù)巖石的聲發(fā)射特性來觀察巖石破裂過程。加載過程典型加載步的聲發(fā)射圖如圖5所示。

不難看出，在平行導(dǎo)洞剛擴挖成隧道后，復(fù)合圍巖并沒有出現(xiàn)破壞單元。隨后溶腔內(nèi)水壓不斷升高，當(dāng)溶腔內(nèi)水壓升高至1.0 MPa時，復(fù)合圍巖外層的注漿結(jié)石體開始出現(xiàn)壓剪單元，受壓單元的分布沿著溶腔內(nèi)向隧道方向擴展。這一現(xiàn)象反映在最小主應(yīng)力圖上即為注漿結(jié)石體出現(xiàn)裂紋并且開始從溶腔內(nèi)部向隧道方向擴展。溶腔內(nèi)水壓進一步升高導(dǎo)致注漿結(jié)石體上壓剪單元的數(shù)量激增，最

圖4 典型步驟應(yīng)力云圖Fig.4 Stress diagrams of typical steps

終注漿結(jié)石體發(fā)生受壓破壞。溶腔內(nèi)水壓沿著注漿結(jié)石體破裂的裂隙作用于復(fù)合圍巖內(nèi)層的圍巖體。緊接著，圍巖體出現(xiàn)了拉剪破壞單元。當(dāng)溶腔內(nèi)水壓達到2.2 MPa時，圍巖體形成的主裂紋主要是由拉剪性破壞導(dǎo)致的。

加載過程聲發(fā)射能量與溶腔水壓關(guān)系如圖6所示。

紅色表示此時受拉；白色表示此時受壓圖5 典型步驟聲發(fā)射圖Fig.5 Acoustic emission diagrams of typical steps

由圖6可知，每當(dāng)圍巖單元出現(xiàn)大的破壞時，都會有大量的聲發(fā)射能量和次數(shù)。因此，工程中可通過對巖體聲發(fā)射現(xiàn)象的監(jiān)測來預(yù)測或判斷圍巖的破壞情況。

2.3.3 位移分析

平行導(dǎo)洞擴挖后，隧道內(nèi)部會產(chǎn)生水平收斂，通過對圍巖收斂變形進行檢測，可判斷圍巖的穩(wěn)定性。在圖1所示的數(shù)值計算模型中，于隧道內(nèi)部兩側(cè)分別設(shè)置兩個監(jiān)測點，測點編號為A、B、C、D。不同測點水平收斂位移與溶腔水壓關(guān)系曲線如圖7所示。

可以看出，由于平行導(dǎo)洞擴挖卸荷造成應(yīng)力釋放，在平行導(dǎo)洞剛擴挖時，A、B、C、D 4個測點均發(fā)生一定的水平位移，靠近溶腔的B點的水平收斂位移最大，且之后B點位移均為最大。這說明在巖溶區(qū)修建隧道，如果隧道施工中一側(cè)的水平收斂值一直大于另一側(cè)，此時應(yīng)該注意該側(cè)存在隱伏有壓溶洞的風(fēng)險。對于A、C測點，由于其位置距離溶腔較遠(yuǎn)，受溶腔水壓影響較小，在平行導(dǎo)洞擴挖后一直到隧道右側(cè)復(fù)合圍巖破壞，其測值基本穩(wěn)定不變。對于B、D測點，其位移曲線大致可以分為5個階段：緩慢增長期、加速期、穩(wěn)定期、突躍期、劇增期。平行導(dǎo)洞擴挖初期，B、D兩點位移緩慢增加；在溶腔水壓達到1MPa時，B、D兩點位移突然增加，這與注漿結(jié)石體的破壞有關(guān)；而后測點位移進入穩(wěn)定期，期間位移幾乎不增加；當(dāng)溶腔內(nèi)水壓達到1.5 MPa時，B、D測點位移出現(xiàn)略微突增，在溶腔內(nèi)水壓達到2.2 MPa時，B、D兩點位移曲線進入劇增期，說明復(fù)合圍巖發(fā)生了破裂失穩(wěn)。因此，在巖溶隧道施工中，如果一側(cè)位移收斂出現(xiàn)加速發(fā)展的情況，應(yīng)警惕該側(cè)發(fā)生突涌水災(zāi)害的可能，應(yīng)盡快采取相應(yīng)的工程措施防止突涌水災(zāi)害發(fā)生。

圖7 測點水平位移與溶腔水壓關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of monitoring points’ horizontal displacements and water pressure in karst cave

3 防突層圍巖抗水壓能力分析

3.1 模擬工況

根據(jù)以往的計算結(jié)果和工程實踐可知，當(dāng)隧道周邊存在隱伏溶洞時，隧道、隱伏溶洞洞徑的增大及隧道與溶洞之間距離的減少，都會導(dǎo)致隧道周邊距隱伏溶洞最近點的相對位移增大，其中隧道與隱伏溶洞的距離對隧道安全的影響最為顯著。研究巖溶區(qū)隧道與溶洞間的圍巖安全厚度，確保二者間圍巖的穩(wěn)定性對于保證巖溶區(qū)隧道施工及運營的安全具有重要意義。

針對新圓梁山隧道側(cè)面含隱伏溶腔，為研究隧道與溶洞間不同厚度圍巖的抗水壓能力，建立計算模型如圖8所示。圍巖厚度依次取為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m，模型開挖方式、溶腔水壓施加方式及圍巖參數(shù)同上。

圖8 防突層圍巖抗水壓能力數(shù)值計算模型Fig.8 Numerical calculation model for water pressure resistance of inrush prevention surrounding rock

3.2 計算結(jié)果分析

對不同厚度圍巖的抗水壓能力進行數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果如表3所示，圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線如圖9所示。

表3 不同厚度圍巖抗水壓能力Table 3 Water pressure resistance of different thicknesses rock

圖9 圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve of rock thicknesses and water pressure resistance

由表3和圖9可知，圍巖厚度為1 m時只能抵抗0.15 MPa水壓，圍巖厚度為2 m時已經(jīng)能抵抗0.6 MPa水壓，是圍巖厚度為1 m時抗水壓能力的4倍。圍巖厚度增加至10 m時，抗水壓能力已經(jīng)達到3.1 MPa，抗水壓能力為1 m厚圍巖抗水壓能力的20倍。圍巖越厚，其抗水壓能力越強，且曲線斜率幾乎沒有改變。這一方面是因為圍巖越厚，其承載能力越大，另一方面是因為溶腔對圍巖穩(wěn)定性的影響會隨著溶腔與隧道距離的增加而減弱。

4 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力分析

4.1 模擬工況

防突層圍巖抗水壓能力研究結(jié)果顯示，如果需要抵抗3 MPa水壓，圍巖厚度需要達到10 m。當(dāng)新圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴挖后圍巖厚度不足10 m時，如果需要抵抗3 MPa水壓力，則需對溶腔充填物進行帷幕注漿加固，此時將開挖后剩余圍巖與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。為研究圍巖+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖抗水壓能力，圍巖厚度依次取為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m。對于每種圍巖厚度，分別進行不同帷幕注漿范圍數(shù)值模擬計算，注漿結(jié)石體厚度依次取為3、4、5、6、7、8、9、10 m。計算模型如圖3所示、開挖方式、溶腔水壓施加方式、圍巖參數(shù)同上。

4.2 計算結(jié)果分析

對圍巖+注漿結(jié)石體組成的不同厚度復(fù)合圍巖的抗水壓能力進行數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果如表4所示，復(fù)合圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線如圖10所示。

由表4和圖10可知，圍巖厚度越大，注漿結(jié)石體厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越高。注漿結(jié)石體厚度一定時，復(fù)合圍巖抗水壓能力隨著圍巖厚度增加而增加，其變化曲線可以分為3個階段：增長期、平穩(wěn)期、加速期。圍巖厚度在3 m以內(nèi)時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加明顯增大；當(dāng)圍巖厚度在3～4 m時，抗水壓能力增速減緩；當(dāng)圍巖厚度達到4 m以上時，抗水壓能力增加趨勢逐漸增大?？傮w而言，復(fù)合圍巖厚度越大，其抗水壓能力越強，且隨著復(fù)合圍巖厚度的增加，溶洞與隧道的距離越遠(yuǎn)，溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響越弱。當(dāng)圍巖厚度達到9 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力均已經(jīng)達到3.0 MPa以上。

表4 不同厚度復(fù)合圍巖抗水壓能力Table 4 Water pressure resistance of different thicknesses composite surrounding rock

圖10 復(fù)合圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves of composite surrounding rock thicknesses and water pressure resistance

5 襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力分析

5.1 模擬工況

隧道襯砌結(jié)構(gòu)對圍巖有穩(wěn)定和支護作用，鐵路和公路隧道與水工隧洞不同，它還需要保持干燥無水的運營環(huán)境。以新圓梁山隧道2#溶洞側(cè)部溶腔為例，當(dāng)平行導(dǎo)洞擴挖后與溶腔間無剩余圍巖時，只有注漿結(jié)石體抵抗溶腔內(nèi)水壓。在雨季時，溶腔內(nèi)水壓可能增高，突水風(fēng)險增加。為安全起見，在擴挖隧道輪廓外進行帷幕注漿的同時，還需要先行施作臨時二次襯砌，此時將臨時二次襯砌+初期支護+注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。對臨時二次襯砌+初期支護+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖的抗水壓能力進行研究，建立數(shù)值計算模型如圖11所示。模型中注漿結(jié)石體厚度定為5 m，初期支護厚度為0.2 m，二次襯砌厚度依次取0、0.4、0.8、1.0、1.2 m。模型開挖方式、溶腔水壓施加方式、圍巖參數(shù)同上。

模型中初期支護和二次襯砌的參數(shù)采用等效剛度加權(quán)平均法計算。密度和彈性模量的等效計算公式分別為

(1)

(2)

式中：ρsteel、ρcon、ρe分別為鋼筋密度、混凝土密度和襯砌結(jié)構(gòu)的等效密度；Asteel、Acon、Atotal分別為鋼筋斷面面積、混凝土斷面面積和襯砌結(jié)構(gòu)斷面總面積；Esteel、Econ、Ee分別為鋼筋彈性模量、混凝土彈性模量和襯砌結(jié)構(gòu)的等效彈性模量。

圖11 襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓數(shù)值計算模型Fig.11 Numerical calculation model for water pressure resistance of lining structure and grouting-reinforced rock mass

初期支護為網(wǎng)噴20 cm厚的CF25鋼纖維混凝土，然后使用H200型鋼架支護，鋼架在縱向的間隔為50 cm；二次襯砌為C30混凝土。支護結(jié)構(gòu)換算后計算參數(shù)如表5所示。

表5 支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of support structure

5.2 計算結(jié)果分析

對不同二次襯砌厚度下復(fù)合圍巖的抗水壓能力進行數(shù)值模擬研究，計算結(jié)果如表6所示。二次襯砌厚度與復(fù)合圍巖的抗水壓能力關(guān)系如圖12所示。

相關(guān)研究結(jié)果顯示[14]，隧道外5 m厚注漿結(jié)石體的抗水壓能力為0.35 MPa。由表6和圖12可知，在隧道外圍注漿結(jié)石體厚度為5 m情況下，只施作初期支護，就可使復(fù)合圍巖抗水壓能力從0.35 MPa提高至0.68 MPa，為原抗水壓能力的1.94倍；當(dāng)隧道施作0.4 m厚的臨時二次襯砌結(jié)構(gòu)后，復(fù)合圍巖的抗水壓能力已經(jīng)達到1.51 MPa。由此可見，初期支護和二次襯砌的施作可以極大地提高隧道結(jié)構(gòu)和注漿加固圈的抗水壓能力，并且襯砌厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越強。當(dāng)二次襯砌厚度達到1.2 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力可提高至4.44 MPa。

表6 不同二次襯砌厚度下復(fù)合圍巖抗水壓能力Table 6 Water pressure resistance of composite surrounding rock under different secondary lining thicknesses

圖12 二次襯砌厚度與復(fù)合結(jié)構(gòu)抗水壓能力關(guān)系圖Fig.12 Relation curve of secondary lining thicknesses and water pressure resistance of composite structure

6 結(jié)論

結(jié)合新圓梁山隧道工程背景，開展了隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論。

(1)針對平行導(dǎo)洞擴挖施工導(dǎo)致隧道與溶洞間圍巖安全厚度不足的情況，將圍巖與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖，獲取了水壓加載過程中復(fù)合圍巖應(yīng)力、聲發(fā)射和位移變化特征：復(fù)合圍巖破壞分為兩個階段，首先是外層注漿結(jié)石體裂紋萌生、擴展直至破壞，隨后水壓力直接作用在內(nèi)層圍巖上；在注漿結(jié)石體破壞和圍巖破壞時均出現(xiàn)大量聲發(fā)射現(xiàn)象；靠近溶洞側(cè)圍巖水平位移變化最大，具有緩慢增長期、加速期、穩(wěn)定期、突躍期、劇增期5個階段。

(2)僅有圍巖作為防突層時，防突層的抗水壓能力隨著圍巖厚度的增加呈近似線性增加，當(dāng)圍巖厚度達到10 m時，其抗水壓能力達到3.1 MPa。

(3)對于圍巖+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖，圍巖厚度越大，注漿結(jié)石體厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越高。注漿結(jié)石體厚度一定時，圍巖厚度小于3 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加明顯增大，當(dāng)圍巖厚度在3～4 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨圍巖厚度增大增加趨勢放緩；當(dāng)圍巖厚度大于4 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加快速增加。當(dāng)圍巖厚度為9 m時，不同厚度注漿結(jié)石體的復(fù)合圍巖的抗水壓能力均大于3.0 MPa。

(4)對于襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖，在注漿結(jié)石體厚度保持不變時，施作初期支護和二次襯砌均能顯著提升復(fù)合圍巖抗水壓能力。當(dāng)注漿結(jié)石體厚度為5 m時，僅施作初期支護，復(fù)合圍巖的抗水壓能力提升近1倍；二次襯砌厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越強；當(dāng)二次襯砌厚度達到1.2 m時，復(fù)合圍巖的抗水壓能力可提高至4.44 MPa，為新圓梁山隧道穿越2 #溶洞施工合理選擇臨時二次襯砌參數(shù)提供了依據(jù)。