巖盤型溶洞對隧道圍巖穩定性的影響研究

楊泓全,許煜林,米樂民,張如玥

(1.廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.重慶交通大學,重慶 404100;3.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

我國巖溶區域分布廣闊,給交通工程建設帶來了嚴峻挑戰[1]。巖溶區域的地下工程常遭遇極為復雜的巖溶地質條件。巖溶地區的隧道施工不僅需要注意施工過程中突發的涌水、突泥情況,更需要解決隧道圍巖的變形與失穩問題。在巖溶發育地區修建隧道時,隧道與高壓含水溶洞之間的圍巖穩定性關系到突水事故的發生概率[2]。如果隧道的開挖導致隧道與高壓含水溶洞的距離太近,防突層的強度可能無法抵御巖溶水和開挖擾動的共同作用,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,如果為預留防突層而增加過多厚度,則會增加工程造價,給后續治理工作帶來不便。因此,理解巖溶地區隧道圍巖的應力應變規律,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,巖溶地質施工面臨多種地質耦合作用,其發生災害機理非常復雜,工程建設施工風險高,而隧道頂部溶洞具有災害突發性強、破壞性大等危險因素。為揭示隧道頂部巖盤型溶洞對隧道圍巖穩定性的影響,本文基于多物理場耦合作用機理,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耦合分析,為巖溶隧道安全設計、施工及運營提供理論支撐與判定依據[3]。

1 巖盤型溶洞隧道圍巖穩定性數值模擬

本文采用COMSOL Multiphysics軟件進行分析,模型的基本假設是:圍巖巖體視為連續性均質體,流體為不可壓縮流體,固體介質服從太沙基固結原理,地下水在滲流路徑中的力學行為服從達西定律,采用摩爾-庫侖模型的實體單元、流固耦合模型進行分析。

1.1 計算模型參數的選取

模型計算參數由隧道圍巖物理參數、溶腔內的水壓力強度、隧道與溶腔間的巖盤厚度、溶洞的半徑組成,具體參數如表1所示。

表1 模型圍巖計算參數表

1.2 模型邊界條件

選取長×寬為100 m×100 m的矩形模型為計算范圍,假設隧道埋深為300 m,在模型上邊界施加6 MPa自重應力。建立的隧道數值模型見圖1。

圖1 計算模型示意圖

1.3 監測點的布置

數值模擬的監測點布置在隧道的拱頂A、拱腰B、拱腳C以及底板中心點D,分析6個監測點對應的應力、位移以及孔隙水壓力的變化情況,具體如圖2所示。

圖2 隧道監測點布置圖

2 不同巖盤厚度的富水溶洞對隧道圍巖穩定性的影響

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

表2 不同巖盤厚度時隧道圍巖與溶腔參數表

2.1 隧道圍巖變形規律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來研究不同巖盤厚度對隧道圍巖的變形規律,得出不同巖盤厚度下的隧道圍巖位移云圖以及圍巖監測點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測點位移對比曲線圖

從圖3可以得出:隨著巖盤厚度L的不斷增大,隧道拱頂監測點的位移在逐步減小,且不論巖盤厚度怎樣變化,隧道拱頂的位移總是最大的,所以在施工過程中遭遇溶洞在隧道頂部時應重點監測隧道拱頂的位移變化并及時做好支護。

從圖4可以看出,隧道拱頂監測點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個監測點的位移值趨勢也是逐漸減小,拱頂監測點隨巖盤厚度的增大,其位移下降得最快,當巖盤厚度從3 m增加到5 m時,拱頂處圍巖位移值下降趨勢非常大。當巖盤厚度從5 m增加到11 m后,拱頂監測點的圍巖位移值下降趨勢逐步變緩。

2.2 圍巖應力變化規律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來研究不同巖盤厚度對隧道圍巖應力場的影響,得出不同巖盤厚度影響下拱腳處圍巖von Miese應力變化如下頁圖5所示。

圖5 不同巖盤厚度影響下拱腳處圍巖von Miese應力變化曲線圖

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法承受其承載力,將在隧道拱腳處先發生失穩滲透破壞。從隧道頂部溶洞在不同巖盤厚度影響下各個監測點圍巖應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,拱腳的圍巖應力在逐漸增大。在巖盤厚度從9 m減少到3 m的過程中,拱腳圍巖的應力在急劇地增大,在此過程中可能會達到圍巖的極限承載力值;而當巖盤厚度從9 m增加到11 m的過程中,隧道拱腳的應力變化不大。

2.3 圍巖孔隙水壓力變化規律

分別取巖盤厚度L為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m來研究不同巖盤厚度對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力的云圖,隧道開挖后的圍巖孔隙水壓力下降并發生了重分布,使孔隙水在隧道圍巖水壓力差的作用下滲透到隧道內;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,其中隧道拱頂的孔隙水壓力的下降趨勢最為顯著。

圖7 圍巖孔隙水壓力對比曲線圖

3 不同富水溶洞水壓對隧道圍巖穩定性的影響

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

表3 不同溶洞水壓時隧道圍巖與溶腔參數表

3.1 隧道圍巖變形規律

根據數值模擬模型中各個監測點的位移情況,得到隧道周邊輪廓圍巖監測點沉降值對比曲線如圖8所示。

圖8 不同影響下水壓隧道圍巖各監測點沉降值對比曲線圖

由圖8可知,在隧道拱頂溶洞內的水壓逐漸增大的情況下,隧道拱頂沉降值的變化趨勢最為明顯,其他幾個監測點的沉降值變化趨勢都在增大。

3.2 圍巖應力應變規律

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

圖9 不同水壓影響下拱腳處圍巖應力對比曲線圖

3.3 圍巖孔隙水壓力變化規律

通過對不同水壓下隧道頂部溶洞與隧道巖體的滲流場進行模擬,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測點孔隙水壓力的變化,如圖10所示。

圖10 不同水壓影響下各監測點孔隙水壓力對比曲線圖

由圖10可知,在隧道開挖后,隧道周邊的圍巖出現了壓力較低的區域,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的趨勢最為突出,但是隧道周邊圍巖的低壓區域卻在逐漸變小。

4 不同洞經富水溶洞對隧道圍巖穩定性的影響

選取在隧道頂部的富水溶洞來研究隧道與溶洞大小對圍巖穩定性的影響,模擬時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,其他圍巖參數為定值,具體圍巖參數如表4所示。

表4 不同洞徑下隧道圍巖與溶腔參數表

4.1 隧道圍巖變形規律

模擬分析在隧道頂部存在不同洞徑的溶洞對隧道周邊圍巖位移場的影響規律,各個監測點的沉降值變化情況如圖11所示。

圖11 不同洞徑影響下監測點位移對比曲線圖

由圖11可知,隨著溶洞洞徑的不斷增大,各個監測點的圍巖沉降值都在逐漸地增大。

4.2 圍巖應力變化規律

對隧道頂部溶洞在不同洞徑下對隧道圍巖的應力場的影響進行分析,得到隧道圍巖周邊的應力分布情況如下頁圖12、圖13所示。

圖12 不同洞徑影響下圍巖應力云圖

圖13 不同洞徑影響下拱腳處圍巖應力對比曲線圖

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

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力在逐漸增大,當洞徑達到9 m以后,隧道拱腳處的圍巖應力急劇增加,這表明當隧道頂部溶洞洞徑達到一定數值后,隧道拱腳處的圍巖應力可能會大于圍巖本身的承載力范圍,從而發生隧道突泥涌水災害。

5 結語

隧道頂部溶洞是一種常見的地質災害,對隧道施工建設具有嚴重的危險性,可能導致隧道發生拱頂圍巖塌陷、突泥涌水等災害,造成施工工期的延誤和成本的增加。本文針對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圍巖穩定性的影響進行了分析,可以得到以下結論:

(1)隧道頂部溶洞與隧道間的巖盤厚度對圍巖穩定性有影響,隨著巖盤厚度的逐漸增大,隧道圍巖中的應力、孔隙水壓力以及沉降位移值都逐步減小,而當巖盤減小到一定厚度時,隧道圍巖可能會發生塌方和突泥涌水災害。因此,在隧道開挖工程中應及時做好超前預報以減少災害的發生。

(2)隧道圍巖的應力、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,因此在施工過程中要及時準確地探測拱頂溶洞的規模,通過鉆孔確定溶洞內的水壓并做好釋能降壓的準備。