隧道施工中巖溶災(zāi)害演變的顆粒流模擬研究

劉歡，陳發(fā)達(dá)，王祥，劉凱

（1.貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴陽 550012；2.貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴陽 550081）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)日益增加。城市軌道工程投資巨大，且施工過程中風(fēng)險較高。尤其對于巖溶發(fā)育的西南地區(qū)，隧道開挖過程中涌水涌泥、巖溶塌陷、地面沉降等風(fēng)險事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

為了最大程度上降低隧道施工過程中巖溶災(zāi)害發(fā)生頻率，需要了解巖溶對隧道穩(wěn)定性的影響。趙明階等[1-2]在二維彈塑性分析的基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件模擬隧道的開挖過程，研究了隧道頂部溶洞在不同大小和距離的情況下對圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了不同溶洞大小和距離時隧道各個部位釋放位移的變化規(guī)律。王廷伯等[3]采用離散元軟件PFC 2D模擬了巖溶地區(qū)隧道工程施工中，隧道開挖前及隧道開挖后位于隧道周邊不同位置處巖溶空洞對隧道穩(wěn)定性的影響。黃俊峰等[4]采用有限元軟件MIDAS/GTS模擬了各種空間位置下的巖溶和隧道，通過對比分析各種情況下隧道襯砌應(yīng)力、彎矩及錨桿軸力受巖溶空腔的影響大小，為隧道襯砌及錨桿設(shè)計(jì)提供了一定的參考。本文依托貴陽市軌道交通2號線金嶺路站至金朱西路站區(qū)間隧道，采用顆粒流分析軟件PFC 3D模擬隧道施工過程中巖溶坍塌災(zāi)害演變過程，研究溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。對地鐵隧道施工風(fēng)險管控具有指導(dǎo)意義。

2 顆粒流分析模型

2.1 PFC 3D顆粒流軟件

顆粒流離散元法基于牛頓第二定律建立，是一種適于分析非連續(xù)體的分析方法。PFC 3D以圓球作為研究主體，從細(xì)觀的角度對非連續(xù)性材料進(jìn)行數(shù)值模擬。與其他基于連續(xù)介質(zhì)理論的數(shù)值模擬方法相比，PFC 3D不需要定義材料的本構(gòu)關(guān)系，材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)主要由顆粒間接觸關(guān)系決定。模型建立時，需通過材料物理試驗(yàn)得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后建立數(shù)值模型，不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，得到與實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近的數(shù)值試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，此時的細(xì)觀參數(shù)即可用于該材料的模擬計(jì)算。

PFC 3D 5.0提供了多種顆粒接觸模型，針對本文研究的隧道開挖過程中隧道頂部溶洞災(zāi)害演變過程，顆粒與顆粒之間的接觸采用平行黏結(jié)模型，顆粒與墻體之間的接觸采用線性模型。平行黏結(jié)模型為通過顆粒間的彈性作用關(guān)系模擬黏結(jié)材料的力學(xué)行為，平行黏結(jié)的存在可以在顆粒與顆粒之間傳遞力和力矩。平行黏結(jié)可以看作是接觸面上的一組彈簧，以接觸點(diǎn)為中心并且具有恒定的法向剛度和切向剛度。平行黏結(jié)形成后，在接觸處發(fā)生相對運(yùn)動時，黏結(jié)材料就會產(chǎn)生力和力矩。該力和力矩與黏結(jié)材料周圍的最大法向應(yīng)力和切向應(yīng)力相關(guān)。當(dāng)最大法向應(yīng)力或最大切向應(yīng)力超過其相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度，平行黏結(jié)即斷裂，黏結(jié)材料與其力、力矩及剛度等也將不復(fù)存在。線性模型是基于彈性理論建立的，顆粒與顆粒之間的接觸力與相對位移之間為線性關(guān)系，即接觸剛度是一個常量。線性模型通過相互平行的線性分量提供彈性摩擦行為，而阻尼分量提供黏滯行為，兩個分量作用于極小的范圍。該模型通過定義法向剛度和切向剛度，并假定接觸剛度相互串聯(lián)，用以計(jì)算聯(lián)合剛度。

2.2 項(xiàng)目背景

貴陽市軌道交通2號線金嶺路站至金朱西路站區(qū)間，線路全長652.75 m，勘察起點(diǎn)里程樁號YDK14+375.300，終點(diǎn)里程YDK15+028.050。線路區(qū)間內(nèi)全部為暗挖區(qū)間礦山法隧道，隧洞高7.118 m，寬6.62 m，為雙線雙洞隧道。

隧洞區(qū)巖層傾角較緩，層間結(jié)合差，隧洞區(qū)地下水位較高，巖溶發(fā)育等級為強(qiáng)發(fā)育，洞頂及側(cè)壁均為薄～中厚層中風(fēng)化灰?guī)r，隧道圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道右線里程YDK14+700處發(fā)育一埋深9 m，高為6 m的溶洞，溶洞內(nèi)充填軟塑狀紅黏土。

2.3 隧道及溶洞模型

采用PFC3D建立三維隧道及溶洞模型。選取該段巖溶發(fā)育隧道，采用概化模型進(jìn)行研究，首先建立圍巖模型，圍巖高度30 m，隧道軸線方向長度15 m，橫剖面方向長度20 m。溶洞及隧道均簡化為圓形，溶洞埋深9 m，直徑6 m；隧道埋深16 m，直徑7 m。

2.3.1 模型細(xì)觀參數(shù)選取

參考徐金明等[5]對于石灰?guī)r細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，顆粒與顆粒之間接觸采用平行黏結(jié)模型，顆粒與墻體之間接觸采用線性接觸模型，并考慮地下水對圍巖的影響，將參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減，確定石灰?guī)r細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 石灰?guī)r細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

溶洞模擬時，溶洞內(nèi)填充紅黏土，參考彭國園等[6]對紅黏土細(xì)觀力學(xué)特性的顆粒流模擬，顆粒與顆粒間接觸采用接觸黏結(jié)模型，確定紅黏土細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 紅黏土細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

2.3.2 模型建立

采用以上圍巖參數(shù)建立圍巖模型30 m×20 m×15 m，共生成顆粒400 438個，顆粒半徑服從均勻分布。使用刪除顆粒命令刪除部分顆粒，生成溶洞，并在溶洞內(nèi)生成紅黏土填充，溶洞形成后在初始地應(yīng)力作用下達(dá)到平衡。刪除隧道部分顆粒，模擬隧道開挖。在隧道底部及側(cè)壁各布置測量球，用于監(jiān)測在巖溶災(zāi)害演變過程中隧道圍巖各位置處的位移變化情況。

2.4 模擬結(jié)果分析

隧道開挖后，圍巖應(yīng)力場發(fā)生變化，拱頂部位最先開始出現(xiàn)變形破壞，變形發(fā)展到一定程度后拱頂圍巖發(fā)生垮塌，隨著垮塌不斷發(fā)展，溶洞與隧道貫通，溶洞周圍巖土體發(fā)生松動，在重力作用下，松動巖土體及溶洞內(nèi)部分紅黏土塌落到隧道中，形成巖溶災(zāi)害，演變過程如圖1a～圖1d所示。

圖1 巖溶災(zāi)害演變過程

開挖隧道后，隧道周圍巖體出現(xiàn)應(yīng)力集中，巖體產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度，巖體即發(fā)生破壞。災(zāi)害演變過程中，通過布置的測量球，分別對隧道左側(cè)壁、右側(cè)壁及拱底圍巖變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測。圖2分別表示隧道拱底豎向位移、左側(cè)壁水平位移及右側(cè)壁水平位移隨計(jì)算時步變化規(guī)律，由位移曲線可知，開挖一定時間后各位移曲線趨于平緩，為更清楚顯示位移變化規(guī)律，截取計(jì)算時間為0～8 000步的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。圖2a中拱底豎向位移在3 300步以內(nèi)增速較快，圍巖變形處于迅速發(fā)展階段，最大位移為10 mm，4 000步以后位移基本保持不變，圍巖變形處于穩(wěn)定階段。圖2b中左側(cè)壁水平位移在3 500步以內(nèi)增速較快，圍巖變形處于迅速發(fā)展階段，5 000步以后位移基本保持不變，圍巖變形處于穩(wěn)定階段，最大水平位移為70 mm。圖2c中右側(cè)壁水平位移在3 500步以內(nèi)增速較快，圍巖變形處于迅速發(fā)展階段，5 000步以后位移基本保持不變，圍巖變形處于穩(wěn)定階段，最大位移為62 mm。通過對比發(fā)現(xiàn)，拱底豎向位移相對側(cè)壁水平位移較小，圍巖變形主要發(fā)生在隧道拱頂及側(cè)壁。

圖2 巖溶災(zāi)害演變過程

3 結(jié)論及建議

1）通過PFC 3D對隧道施工過程中巖溶坍塌災(zāi)害演變過程的模擬，演示了當(dāng)隧道頂部存在溶洞時，隧道開挖過程中巖溶坍塌災(zāi)害發(fā)生的過程。

2）通過對巖溶坍塌災(zāi)害發(fā)生過程中隧道拱頂及側(cè)壁圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測，得到災(zāi)害發(fā)生過程中隧道圍巖變形破壞規(guī)律，位移最大值發(fā)生在側(cè)壁位置。該研究為隧道施工過程中災(zāi)害治理及圍巖變形研究及支護(hù)設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。