巖盤型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究

楊泓全,許煜林,米樂(lè)民,張如玥

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.重慶交通大學(xué),重慶 404100;3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

我國(guó)巖溶區(qū)域分布廣闊,給交通工程建設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。巖溶區(qū)域的地下工程常遭遇極為復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件。巖溶地區(qū)的隧道施工不僅需要注意施工過(guò)程中突發(fā)的涌水、突泥情況,更需要解決隧道圍巖的變形與失穩(wěn)問(wèn)題。在巖溶發(fā)育地區(qū)修建隧道時(shí),隧道與高壓含水溶洞之間的圍巖穩(wěn)定性關(guān)系到突水事故的發(fā)生概率[2]。如果隧道的開挖導(dǎo)致隧道與高壓含水溶洞的距離太近,防突層的強(qiáng)度可能無(wú)法抵御巖溶水和開挖擾動(dòng)的共同作用,從而使地下水在高壓作用下涌入隧道,造成巨大的損失。反之,如果為預(yù)留防突層而增加過(guò)多厚度,則會(huì)增加工程造價(jià),給后續(xù)治理工作帶來(lái)不便。因此,理解巖溶地區(qū)隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,掌握施工安全臨界距離具有重要的工程意義和必要性。

在巖溶地區(qū),巖溶地質(zhì)施工面臨多種地質(zhì)耦合作用,其發(fā)生災(zāi)害機(jī)理非常復(fù)雜,工程建設(shè)施工風(fēng)險(xiǎn)高,而隧道頂部溶洞具有災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大等危險(xiǎn)因素。為揭示隧道頂部巖盤型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,本文基于多物理場(chǎng)耦合作用機(jī)理,開展了不同溶腔水壓、不同巖盤厚度、不同洞徑的條件下多場(chǎng)耦合分析,為巖溶隧道安全設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)提供理論支撐與判定依據(jù)[3]。

1 巖盤型溶洞隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

本文采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行分析,模型的基本假設(shè)是:圍巖巖體視為連續(xù)性均質(zhì)體,流體為不可壓縮流體,固體介質(zhì)服從太沙基固結(jié)原理,地下水在滲流路徑中的力學(xué)行為服從達(dá)西定律,采用摩爾-庫(kù)侖模型的實(shí)體單元、流固耦合模型進(jìn)行分析。

1.1 計(jì)算模型參數(shù)的選取

模型計(jì)算參數(shù)由隧道圍巖物理參數(shù)、溶腔內(nèi)的水壓力強(qiáng)度、隧道與溶腔間的巖盤厚度、溶洞的半徑組成,具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型圍巖計(jì)算參數(shù)表

1.2 模型邊界條件

選取長(zhǎng)×寬為100 m×100 m的矩形模型為計(jì)算范圍,假設(shè)隧道埋深為300 m,在模型上邊界施加6 MPa自重應(yīng)力。建立的隧道數(shù)值模型見圖1。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

數(shù)值模擬的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道的拱頂A、拱腰B、拱腳C以及底板中心點(diǎn)D,分析6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、位移以及孔隙水壓力的變化情況,具體如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 不同巖盤厚度的富水溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

選取在隧道頂部的富水溶洞來(lái)研究隧道與溶洞之間的巖盤厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,模擬時(shí)選取巖盤厚度L按3 m、5 m、7 m、9 m、11 m變化,其他因素為定值,圍巖參數(shù)如表2所示。

表2 不同巖盤厚度時(shí)隧道圍巖與溶腔參數(shù)表

2.1 隧道圍巖變形規(guī)律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來(lái)研究不同巖盤厚度對(duì)隧道圍巖的變形規(guī)律,得出不同巖盤厚度下的隧道圍巖位移云圖以及圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同巖盤厚度影響下隧道圍巖位移云圖

圖4 不同巖盤厚度影響下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比曲線圖

從圖3可以得出:隨著巖盤厚度L的不斷增大,隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移在逐步減小,且不論巖盤厚度怎樣變化,隧道拱頂?shù)奈灰瓶偸亲畲蟮?所以在施工過(guò)程中遭遇溶洞在隧道頂部時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)隧道拱頂?shù)奈灰谱兓⒓皶r(shí)做好支護(hù)。

從圖4可以看出,隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖位移值變化是最大的,隨著隧道頂部溶洞的巖盤厚度的變化,其位移變化趨勢(shì)也是最明顯的。隨著隧道頂部溶洞的巖盤厚度不斷增大,6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值趨勢(shì)也是逐漸減小,拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨巖盤厚度的增大,其位移下降得最快,當(dāng)巖盤厚度從3 m增加到5 m時(shí),拱頂處圍巖位移值下降趨勢(shì)非常大。當(dāng)巖盤厚度從5 m增加到11 m后,拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖位移值下降趨勢(shì)逐步變緩。

2.2 圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來(lái)研究不同巖盤厚度對(duì)隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響,得出不同巖盤厚度影響下拱腳處圍巖von Miese應(yīng)力變化如下頁(yè)圖5所示。

圖5 不同巖盤厚度影響下拱腳處圍巖von Miese應(yīng)力變化曲線圖

由圖5可知,在不同巖盤厚度的變量情況下,隧道圍巖應(yīng)力的最大值在隧道拱頂處。由此可知,隨著巖盤厚度的不斷減小,隧道與溶洞間的圍巖將無(wú)法承受其承載力,將在隧道拱腳處先發(fā)生失穩(wěn)滲透破壞。從隧道頂部溶洞在不同巖盤厚度影響下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化曲線可以看出,隨著溶洞與隧道的巖盤厚度逐漸減少,拱腳的圍巖應(yīng)力在逐漸增大。在巖盤厚度從9 m減少到3 m的過(guò)程中,拱腳圍巖的應(yīng)力在急劇地增大,在此過(guò)程中可能會(huì)達(dá)到圍巖的極限承載力值;而當(dāng)巖盤厚度從9 m增加到11 m的過(guò)程中,隧道拱腳的應(yīng)力變化不大。

2.3 圍巖孔隙水壓力變化規(guī)律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來(lái)研究不同巖盤厚度對(duì)隧道圍巖孔隙水壓力的影響,如圖6所示。

圖6 不同巖盤厚度影響下圍巖孔隙水壓力云圖

從圖6可以看出:相比隧道開挖前初始應(yīng)力的云圖,隧道開挖后的圍巖孔隙水壓力下降并發(fā)生了重分布,使孔隙水在隧道圍巖水壓力差的作用下滲透到隧道內(nèi);隨著溶洞水壓力保持不變,在不同隧道與溶洞的間距下圍巖的孔隙水壓力分布情況大致保持不變。

從圖7可以看出:在不同巖盤厚度影響下,在溶洞水壓保持不變的情況下,圍巖孔隙水壓力的最大值發(fā)生在隧道底板處;隨著隧道與溶洞間巖盤厚度不斷地增大,隧道周邊圍巖孔隙水壓力都在逐步變小,其中隧道拱頂?shù)目紫端畨毫Φ南陆第厔?shì)最為顯著。

圖7 圍巖孔隙水壓力對(duì)比曲線圖

3 不同富水溶洞水壓對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

選取隧道頂部富水溶洞來(lái)研究不同富水溶洞水壓對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響,其變量值溶洞水壓P按0 MPa、0.25 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa變化來(lái)模擬,其他因素為定值,圍巖參數(shù)如表3所示。

表3 不同溶洞水壓時(shí)隧道圍巖與溶腔參數(shù)表

3.1 隧道圍巖變形規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬模型中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移情況,得到隧道周邊輪廓圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 不同影響下水壓隧道圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值對(duì)比曲線圖

由圖8可知,在隧道拱頂溶洞內(nèi)的水壓逐漸增大的情況下,隧道拱頂沉降值的變化趨勢(shì)最為明顯,其他幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值變化趨勢(shì)都在增大。

3.2 圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

對(duì)不同水壓力下隧道頂部溶洞對(duì)隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行分析,得到應(yīng)力變化情況如圖9所示。從圖9中可以看出,隨著溶洞水壓不斷增大,隧道輪廓圍巖應(yīng)力都在逐漸地增大,并且在隧道的拱腳出現(xiàn)最大值;溶洞水壓達(dá)到0.2 MPa以后,隧道拱腳處的圍巖應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸增大。

圖9 不同水壓影響下拱腳處圍巖應(yīng)力對(duì)比曲線圖

3.3 圍巖孔隙水壓力變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)不同水壓下隧道頂部溶洞與隧道巖體的滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬,得到隧道圍巖中的孔隙水壓力分布情況,研究不同水壓影響下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的變化,如圖10所示。

圖10 不同水壓影響下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力對(duì)比曲線圖

由圖10可知,在隧道開挖后,隧道周邊的圍巖出現(xiàn)了壓力較低的區(qū)域,圍巖中的孔隙水壓力隨著溶洞水壓的逐步增大,其中隧道拱頂孔隙水壓力增長(zhǎng)的趨勢(shì)最為突出,但是隧道周邊圍巖的低壓區(qū)域卻在逐漸變小。

4 不同洞經(jīng)富水溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

選取在隧道頂部的富水溶洞來(lái)研究隧道與溶洞大小對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,模擬時(shí)選取富水溶洞的洞徑為變量,洞徑R按3 m、6 m、9 m、12 m、15 m變化,其他圍巖參數(shù)為定值,具體圍巖參數(shù)如表4所示。

表4 不同洞徑下隧道圍巖與溶腔參數(shù)表

4.1 隧道圍巖變形規(guī)律

模擬分析在隧道頂部存在不同洞徑的溶洞對(duì)隧道周邊圍巖位移場(chǎng)的影響規(guī)律,各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值變化情況如圖11所示。

圖11 不同洞徑影響下監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比曲線圖

由圖11可知,隨著溶洞洞徑的不斷增大,各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖沉降值都在逐漸地增大。

4.2 圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

對(duì)隧道頂部溶洞在不同洞徑下對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行分析,得到隧道圍巖周邊的應(yīng)力分布情況如下頁(yè)圖12、圖13所示。

圖12 不同洞徑影響下圍巖應(yīng)力云圖

圖13 不同洞徑影響下拱腳處圍巖應(yīng)力對(duì)比曲線圖

從圖12可以看出:在不同洞徑下,隧道圍巖的應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在拱腳處,而且隧道周邊圍巖的應(yīng)力隨著溶洞半徑的逐步增大而增大,所以,當(dāng)隧道施工開挖遭遇頂部溶洞時(shí),隧道周邊圍巖需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)與治理。

從圖13可以看出:隨著隧道頂部溶洞洞徑的逐步增大,隧道拱腳處的圍巖應(yīng)力在逐漸增大,當(dāng)洞徑達(dá)到9 m以后,隧道拱腳處的圍巖應(yīng)力急劇增加,這表明當(dāng)隧道頂部溶洞洞徑達(dá)到一定數(shù)值后,隧道拱腳處的圍巖應(yīng)力可能會(huì)大于圍巖本身的承載力范圍,從而發(fā)生隧道突泥涌水災(zāi)害。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道頂部溶洞是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)隧道施工建設(shè)具有嚴(yán)重的危險(xiǎn)性,可能導(dǎo)致隧道發(fā)生拱頂圍巖塌陷、突泥涌水等災(zāi)害,造成施工工期的延誤和成本的增加。本文針對(duì)隧道頂部溶洞在不同洞徑、不同溶洞水壓以及不同巖盤厚度下對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)隧道頂部溶洞與隧道間的巖盤厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性有影響,隨著巖盤厚度的逐漸增大,隧道圍巖中的應(yīng)力、孔隙水壓力以及沉降位移值都逐步減小,而當(dāng)巖盤減小到一定厚度時(shí),隧道圍巖可能會(huì)發(fā)生塌方和突泥涌水災(zāi)害。因此,在隧道開挖工程中應(yīng)及時(shí)做好超前預(yù)報(bào)以減少災(zāi)害的發(fā)生。

(2)隧道圍巖的應(yīng)力、沉降位移以及孔隙水壓力隨著溶洞水壓和洞徑的逐步增大而增大,因此在施工過(guò)程中要及時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)拱頂溶洞的規(guī)模,通過(guò)鉆孔確定溶洞內(nèi)的水壓并做好釋能降壓的準(zhǔn)備。