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

彭 奇， 劉國峰， 楊 騰， 陳 立

(1. 中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410000;2. 湘潭大學土木工程與力學學院， 湖南 湘潭 411105)

0 引言

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

對于巖溶區(qū)隧道工程的研究，近年來主要集中在2個方面： 1)對于災(zāi)害防治的研究，如郭佳奇等[1]對突水災(zāi)害的防治原則和措施進行了系統(tǒng)總結(jié)，周棟梁等[2]提出了巖溶隧道底板安全厚度的計算方法； 2)對災(zāi)害發(fā)生根源的研究或?qū)?zāi)害監(jiān)測和預(yù)報手段的研究[3]，主要集中在對新型探測手段的發(fā)掘和基于經(jīng)典力學模型的數(shù)值分析[4-6]，以及對于地理信息系統(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)成復雜、層次多樣，其諸多地質(zhì)環(huán)境因素對隧道工程安全性的影響存在一定的主次關(guān)系。在實際隧道工程地質(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]依托宜萬鐵路沿線巖溶隧道，指出巖溶直徑、巖溶與隧道間距等因素對隧道結(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。通過對上述4個主要因素的綜合考慮、交叉設(shè)計，對巖溶隧道工程的地質(zhì)環(huán)境因素影響序列進行了較為全面的研究，并對巖溶區(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)生的圍巖力學機制進行了探索。

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)，標高為556 m，谷底標高為132 m。山脈大體呈北東—南西走向。隧道沿山體半山腰穿過，地形上呈兩頭低、中間高，縱斷面為一單峰狀，最低標高為240 m。隧道進口坡度較緩，為灰?guī)r風化剝蝕地貌(灰?guī)r物理力學參數(shù)見表1)，山丘多呈渾圓狀，為第四系坡積層，覆蓋厚度較大。隧道在運營過程中發(fā)生多次涌水涌泥、滲漏等病害，雖已進行多次治理，但水平導洞中涌水涌泥、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行。

2 室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?/h2>

公路隧道圍巖相對于巖溶山體而言體積極小，在不發(fā)生極端地質(zhì)演變的情況下不會導致巖溶山體發(fā)生大尺度的位移[11]。基于以上認識，將室內(nèi)試驗框架模型設(shè)計為整體剛性模型[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，在荷載作用下同時發(fā)生彈塑性形變，因此將隧道襯砌模型設(shè)計為一般彈塑性體。由于模型的縮放比例(1∶100)較大，試驗中襯砌模型采用實際形狀和筒狀體產(chǎn)生的試驗效果差別較小，為了降低襯砌成型難度，在試驗中隧道襯砌模型直接采用筒狀體，如圖2所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ涂蚣芰W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，而試驗中所選取的隧道襯砌圍巖相對于完整的巖溶山體而言是一個降雨滲透過程的中間體。因此，對試驗?zāi)Ｐ偷装暹M行了特殊的透水設(shè)計，以確保模擬降雨在圍巖中的滲透通過。

3 試驗材料和方案

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

試驗依據(jù)相似材料理論設(shè)計，模擬5倍隧道直徑以內(nèi)的隧道圍巖狀況。在試驗?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5倍距離之外的部分進行填充，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∶細砂∶黏土∶重晶石粉∶水=1∶4.25∶1∶3.25∶2。試驗材料與工程現(xiàn)場材料的基本物理力學參數(shù)對比情況見表1和表2，隧道模型相似常數(shù)見表3。

表1隧道襯砌圍巖(灰?guī)r)與其相似材料力學參數(shù)對比

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參數(shù)對比

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)

試驗的工況設(shè)置見表4，采用參量交叉實驗設(shè)計方法。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)(見圖3)： 通過水平面和豎直面的豎向正交布置(簡稱截面1)和通過45°和135°傾斜面的斜向布置(簡稱截面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)工程實地測量統(tǒng)計結(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)生微小相對移動的可能性[13]，同時反映出在實際工程中，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，試驗的測試內(nèi)容為孔隙水壓力和土壓力，測試元件的參數(shù)見表5和表6，測試元件的埋設(shè)位置見圖5和圖6。

對于降雨量的設(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。試驗采用立方體試驗?zāi)Ｐ停饰磳Φ乇韽搅鞯膭恿奢d影響加以分析。降雨量設(shè)置為8 mm/h，與實際降雨量相比有所減少，以滿足能夠在坡頂形成地表積水但不形成地表徑流的狀態(tài)，這是因為實際降雨誘發(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 孔隙水壓力測試位置

圖6 土壓力測試位置

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)置尺板進行測量，如圖7所示。為了有效地模擬隧道襯砌作為滲流沖擊對象的特征，以及避免水分在模型底部匯集從而對實驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響，試驗采用高效的模型底部透水設(shè)計，如圖8和圖9所示。在試驗過程中，對襯砌圍巖模型的宏觀狀態(tài)進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

圖9 試驗?zāi)Ｐ蛯嶓w

圖10 全天候影像捕捉

4 圍巖因素對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個測試截面的孔隙水壓力差異性也較明顯。

孔隙水壓力發(fā)展趨勢如圖11所示，其中1-0°位置的1表示截面1，0°表示0°測點位置，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)測點處于負壓狀態(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°測點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(見表4)； “1”表示截面1(見第1節(jié))； “0”表示0°測點位置(見圖7)。下同。

圖11孔隙水壓力發(fā)展趨勢

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壓狀態(tài))對工程的影響截然不同。孔隙水壓力增大將導致襯砌圍巖的有效應(yīng)力減小，同時對筒狀襯砌產(chǎn)生向心壓力，從力學結(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)負壓則表明該處襯砌圍巖孔隙水壓力處于真空狀態(tài)，會對襯砌產(chǎn)生離心拉力，由于筒狀(在實際工程中為拱狀)結(jié)構(gòu)抗拉能力較弱，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將承受破壞的風險，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于溶洞布置形態(tài)，其他試驗控制因素對于巖溶區(qū)隧道孔隙水壓力影響較弱。節(jié)理面傾角的影響機制為：巖溶節(jié)理圍巖體系中，滲流水主要通過節(jié)理面在巖體的內(nèi)部流動[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)的影響機制為： 當溶洞處于隧道襯砌的豎直方向時，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)力方向為豎直方向)施加直接影響。

另外，孔隙水壓力對于涌水和坍塌發(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，其他工況下的土壓力則表現(xiàn)為相對穩(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；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)定性優(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)定性優(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

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)為坐標的三維立體空間內(nèi)。

對迎向節(jié)理間圍巖體自然下滑方向的土壓力進行分析，如圖13所示。溶洞直徑較小的條件下，當間距與傾角之間大致符合l<-0.4θ+30時，1-0°位置的襯砌頂部所受土壓力有明顯增大趨勢； 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，襯砌頂部受壓強度會小幅度增大。在2-90°位置，隨著節(jié)理面傾角增大，土壓力會發(fā)生變化： 傾角為30°的2個工況下的襯砌表面均表現(xiàn)為小幅度受拉； 傾角為45°的2個工況下的襯砌表面受力性質(zhì)已呈現(xiàn)差異，一個為受拉，另一個為受壓； 傾角為60°的2個工況與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

對背向節(jié)理體自然下滑方向進行分析。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，如圖14(a)所示；在2-225°位置，圍巖參數(shù)組合在空間坐標系中向工況6所在位置發(fā)展時，襯砌表面同樣呈受拉增大的趨勢，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； 溶洞與隧道間距則不能單獨發(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°測點位置孔隙水壓力變化區(qū)間約是180°測點位置的10倍。孔隙水壓力對于涌水和坍塌發(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)，當涌水風險降低，理論上會增大坍塌風險。

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)定性優(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，均會引起土壓力的減小。溶洞距離和傾角之間符合l<-0.4θ+30時，襯砌頂部有明顯的受壓增大趨勢。但溶洞距離對隧道襯砌表面的土壓力并不單獨構(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)均為對稱布置，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； 本文的試驗時間尺度有限，而在工程實踐中，圍巖的流變特征對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個問題。