頂部隱伏溶洞對深埋隧道圍巖穩定性影響的離散元數值研究

張曉景，雷曉丹

(1.山西省交通規劃勘察設計院有限公司,山西 太原 030032；2.太原學院建筑工程系，山西 太原 030032)

0 引 言

我國西南地區，是典型的喀斯特地貌，巖溶分布廣泛。受地形及規劃等不可控因素影響，很多新建隧道都不可避免地穿越巖溶區，地下水和溶洞的存在成為隧道施工建設及后期運營的的重大隱患，容易引發“突泥、涌水、坍塌”等工程事故甚至地質災害。而巖溶區地質的復雜性、溶洞位置的不確定性及形狀大小的不規則性，隱伏溶洞的不可視性，周邊圍巖變形過大甚至失穩，更增加了超前預報和隧道設計的難度。各類復雜溶洞對隧道圍巖變形和穩定性的影響研究迫在眉睫。

張玉石等以貴陽城市軌道交通1#線為背景，研究表明：隧道頂部溶洞的存在使初期支護的軸力增加，溶洞洞徑越大，離隧道越近，軸力越大。彭中凌等通過有限元ANSYS數值研究發現：隨著頂部溶洞與隧洞距離的增大，隧洞各特征點的豎向位移增大，水平位移減小；隨著溶洞變大，隧洞各特征點豎向位移減小而水平位移增大。靳航以霍永高速為背景，構建了MIDAS/GTS數值模型，研究發現：頂部溶洞的存在使拱頂下沉顯著，溶洞半徑越大，圍巖變形越大；并提出了相應的應對策略，以降低施工及運營過程中的安全風險。

目前的研究多為巖溶對隧道圍巖受力及變形影響的定性分析，而圍巖變形的演化過程及破壞機制研究較為缺乏。本文構建了PFC2D顆粒離散元數值模型，對無溶洞環境和頂部溶洞環境隧道開挖過程中圍巖變形及破壞的最終形態進行對比研究，并從細觀角度剖析了頂部溶洞環境下圍巖破壞的演化過程。

1 離散元數值模型構建

1.1 初始地應力場形成

參考張玉石的研究，設置圍巖力學參數見表1。采用粒徑膨脹法生成初始地應力場幾何模型：在72 m×78.5 m的box區域內，生成0.02～0.04 m的ball顆粒；為平衡計算機性能與效率與計算值準確性的矛盾，將重點研究區域ball粒徑擴大5倍，非重點研究區域擴大10倍，使其在重力作用下達到平衡狀態，如圖1。

圖1 初始地應力場形成

1.2 粘結模型及微觀參數選取

PFC2D中，平行連接模型可以模擬顆粒之間的拉力、壓力、剪切力及顆粒相對旋轉或剪切引起的彎矩。顆粒的相對運動，使連接產生相互作用力，當應力值達到相應允許值時，連接破壞并產生微裂紋，可以較好地模擬隧道圍巖材料。

1.3 方案設計

隧道開挖采用水平距離12 m，高度8.5 m的高速公路兩車道直墻式斷面。模型水平寬度取6倍洞徑，隧道埋深50 m，距離底部邊界20 m。頂部溶洞簡化處理為半徑為3 m的圓形斷面，位于隧道拱頂3 m處。

本文設置無溶洞模型，如圖2a，和頂部溶洞模型，如圖2b，對比分析探究溶洞隧道圍巖的影響。

圖2 離散元數值模型生成

1.4 監測系統形成

為實時監測圍巖的變形，在隧道周邊設置如圖3所示的位移監測點，并通過PFC2D的crk_item函數模塊，對隧道圍巖產生的微裂紋進行追蹤統計，便于研究圍巖變形演化過程。

圖3 圍巖變形監測點分布

2 結果分析

2.1 溶洞對隧道圍巖變形的影響

(1)無溶洞模型隧道圍巖變形

圖4為無溶洞環境時隧道開挖后圍巖變形云圖。隧道開挖后，初始地應力場發生改變，應力重新分布，圍巖產生向隧道內部的變形。

圖4 無溶洞模型隧道開挖后圍巖變形云圖

隧道側壁產生較大的水平位移，豎向位移基本為0；底部和拱頂產生較大的豎向位移，拱頂中間位置位移最大，呈橢圓形向外擴散，底部中間位置位移最大，影響范圍呈三角形分布。

(2)頂部溶洞模型隧道圍巖變形

圖5為頂部溶洞模型隧道開挖后圍巖的位移云圖。易見，頂部溶洞對隧道開挖后的位移場分布有明顯影響。

圖5 頂部溶洞模型隧道開挖后圍巖變形云圖

圍巖水平方向位移主要發生在隧道圍巖側壁和頂部溶洞側壁，溶洞引起的位移場變化和隧道開挖引起的位移場變化整體向外擴散，產生較大變形的范圍明顯變大；隧道底部豎向位移與無溶洞模型差別不大，拱頂豎向位移卻有明顯不同，受溶洞影響，呈方型分布。

溶洞與隧道之間的圍巖變形受溶洞和隧道開挖的雙重影響最為嚴重，且位移方向發生突變。此處圍巖受力復雜，是最為薄弱的部分。

(3)溶洞對隧道圍巖變形的影響

表2為圍巖監測點在隧道開挖后的水平和豎向位移。易知，頂部溶洞對隧道圍巖位移的影響較大：水平位移最大影響點為監測點4，即隧道側壁，頂部溶洞模型較無溶洞模型位移增加17 mm；豎向位移最大影響點為監測點5，即拱頂位置，頂部溶洞模型較無溶洞模型位移增加18 mm。綜合分析后可知，頂部溶洞的存在使初始地應力場發生變化，從而對隧道開挖過程中的圍巖變形產生較大影響，拱頂或接近拱頂位置影響最大，很容易產生隧道坍塌，對施工人員的生命安全造成極大威脅。

表2 不同數值模型隧道圍巖變形監測

2.2 溶洞對隧道圍巖破壞形態的影響

(1)溶洞對隧道圍巖破壞最終形態的影響

圖6為無溶洞模型和頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的最終形態。無溶洞模型由于圍巖強度較高，隧道開挖后，僅在隧道底部局部位置產生拉裂紋，且裂紋基本不擴展，圍巖能夠自穩，計算最大不平衡力收斂。而頂部溶洞模型中，隨著隧道開挖，圍巖穩定性下降，隧道與溶洞之間的圍巖裂紋逐步擴展發生壓剪破壞，并有落塊產生。

圖6 隧道圍巖破壞最終形態

綜上，頂部溶洞的存在對隧道圍巖穩定性影響顯著。在有隱伏溶洞的地質環境中進行隧道開挖時，溶洞和隧道間的圍巖受力復雜且應力集中，容易發生壓剪破壞，導致隧道圍巖坍塌。

(2)頂部溶洞模型隧道圍巖破壞演化過程

圖7為頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的演化過程，從a圖到d圖依次經歷了裂紋出現、裂紋增多、裂紋貫通、落塊產生的發展過程。隧道開挖后，裂紋首先出現在溶洞底部和隧道拱頂，之后逐漸向中間發展，最后貫通破壞。溶洞和隧道拱頂間的圍巖主要是壓剪破壞，裂紋發展呈“X”形裂紋。

圖7 隧道圍巖破壞演化過程

圖8為隧道開挖后，圍巖裂紋數隨著計算時步增加的變化過程，與圖7演化過程一一對應。易見，隧道圍巖破壞呈現階段性特征：第一階段，隨著隧道開挖，裂紋數增長迅速；第二階段，裂紋數基本維持隧道開挖后裂紋數不變，曲線平緩；第三階段，當計算時步為11 000步時，裂紋出現第二階段的快速增長，裂縫貫通，拱頂圍巖破壞。

圖8 圍巖裂紋數增加過程

在頂部溶洞環境下，拱頂圍巖的破壞過程較為快速，尤其是第三階段裂紋的急劇發展，很容易被施工人員忽視，產生塌方等工程事故。

3 結 論

本文構建了PFC2D顆粒離散元數值模型，對無溶洞環境和頂部溶洞環境隧道開挖過程中圍巖變形和穩定性進行了對比研究，并剖析了頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的演化過程，得出下列結論：

(1)頂部無溶洞時，隧道開挖將引起隧道側壁的水平位移和拱頂及底部的豎向位移；頂部溶洞的存在對隧道圍巖位移場分布有明顯影響，對隧道拱頂或接近拱頂位置的位移影響較大，溶洞引起的位移場變化和隧道開挖引起的位移場變化整體向外擴散，較大圍巖變形的范圍明顯擴大。

(2)頂部無溶洞時，隧道開挖后僅在隧道底部局部位置出現拉裂紋，但圍巖仍可自穩；頂部溶洞的存在使溶洞和隧道間的圍巖產生應力集中，導致隧道圍巖坍塌。

(3)隧道頂部有溶洞時，隧道開挖后，裂紋首先出現在溶洞底部和隧道拱頂，后逐漸向中間發展，最后貫通破壞。溶洞和隧道拱頂間的圍巖發生壓剪破壞，裂紋發展為“X”型雙剪裂紋。隧道開挖后較長時間的圍巖穩定后拱頂圍巖的破壞需要引起施工人員的重點注意。