周 毅 ，鄧 輝 ，徐 靜

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 6 10059）

0 引言

巖溶是在可溶巖區(qū)隧道工程建設(shè)中一種常見的地質(zhì)災(zāi)害之一［1］。目前的研究主要還是集中在溶洞對(duì)隧道圍巖形態(tài)變化和圍巖變形破壞機(jī)理的研究，以及隧道四周存在溶洞時(shí)隧道穩(wěn)定性的研究這兩個(gè)方面［2-9］。對(duì)于隧道前方存在高壓充水溶洞時(shí)，隧道施工穩(wěn)定性及安全厚度確定方面的用數(shù)值模擬方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究尚未見報(bào)道。基于目前研究現(xiàn)狀，本文以敘（永）大（村）鐵路某巖溶隧道為工程背景進(jìn)行研究。

1 工程概況

隧道所在位置為瀘州市古藺縣石屏鄉(xiāng)，交通較為不便。該區(qū)屬低山—低中山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌，斜坡溝谷、山間凹地地形，山高谷深，地形起伏較大，相對(duì)高差約300m，植被發(fā)育，人煙稀少，巖溶地貌特征明顯，地表溶蝕嚴(yán)重，多見溶蝕洼地，溶洞、暗河發(fā)育較多，相互連接，形成一個(gè)龐大的地下水徑流系統(tǒng)。

區(qū)域溫暖潮濕，雨量充沛，區(qū)內(nèi)溝槽及沖溝較發(fā)育，地表徑流多為季節(jié)性流水，旱季多斷流，少量溝槽、魚塘及水庫雖常年有水，但水量受季節(jié)影響變化大，主要由大氣降水補(bǔ)給。

區(qū)內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+pl4），第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Qdl+el4），志留系下統(tǒng)龍馬溪、石牛欄組（S1l+s）頁巖、灰?guī)r地層，奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）灰?guī)r地層，奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）頁巖、灰?guī)r地層。

隧道地段位于古藺復(fù)式背斜北西翼，斷裂構(gòu)造發(fā)育，全線共穿過四條斷層。

區(qū)域地下水類型主要有松散巖土類孔隙型潛水，巖溶水和基巖裂隙水，均主要大氣降水補(bǔ)給。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

根據(jù)文獻(xiàn)［10］敘大鐵路某隧道施工圖和文獻(xiàn)［11］敘大鐵路隧道襯砌斷面及鋼架支護(hù)參考圖，該巖溶隧道最大埋深為348m，隧道斷面高度為6.6m，斷面寬度為5.2m，隧道襯砌厚度為30cm。充水溶洞被簡(jiǎn)化為一個(gè)半徑為5.9m的球形體。根據(jù)文獻(xiàn)［12］地下洞室圍巖范圍大約為其橫斷面最大尺寸的3～5倍，因此，我們?nèi)∧Ｐ推拭娉叽鐬椋?25m≤x≤25m，-25m≤z≤25m，-27m≤y≤16m，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型斷面圖Fig.1 Sectional view of the numericalmode

2.2 材料參數(shù)選取

模型中圍巖采用理想彈塑性材料；開挖采用了Null模型；襯砌支護(hù)噴射混凝土層采用實(shí)體單元，彈性本構(gòu)模型；計(jì)算過程中采用了FLAC3D提供的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則；初始應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)施加。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Parameter value of surrounding rock and supporting structure

2.3 模型求解

本次模擬Ⅲ級(jí)圍巖在充水溶洞水壓為2MPa（200m水柱）條件下隧道開挖過程，確定隧道安全厚度，具體過程如下：

（1）邊界條件和初始應(yīng)力的確定。模型四周除頂部邊界均施加法向約束，頂部表面施加上部巖體自重應(yīng)力，溶洞內(nèi)表面作用2MPa法向水壓，計(jì)算模型在自重應(yīng)力作用下的初始應(yīng)力狀態(tài)。

（2）隧道開挖。計(jì)算開始時(shí)，隧道掌子面距高壓溶洞21.1m，隧道沿Y軸正方向開挖，前面部分采用全斷面開挖，每次進(jìn)尺3m，每次開挖后馬上進(jìn)行支護(hù)，再進(jìn)行下次開挖，臨近溶洞部分開挖尺寸有所減少，每次進(jìn)尺0.5m，直至隧道圍巖失穩(wěn)破壞。圖2為所模擬隧道圍巖在破壞失穩(wěn)前一施工步其沿隧道軸線（Y軸方向）方向上的位移云圖。此時(shí)掌子面距溶洞1.1m，從圖上可看到此時(shí)隧道掌子面中心處沿隧道軸線上的位移量最大，可達(dá)10.0mm。

圖2 圍巖在破壞前一施工步Y(jié)軸向位移云圖Fig.2 Y axis displacement contour of surrounding rock before broken

（3）確定此種情況下臨近有壓溶洞隧道圍巖的安全厚度。圖3為模型開挖至溶洞前0.6m處，計(jì)算時(shí)步為58760時(shí)，圍巖沿隧道軸線方向上的位移云圖，從圖上可以清楚地看到掌子面中心處沿隧道軸線上的位移已達(dá)1.4m，與上一計(jì)算步驟相比，其位移量巨增，達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且計(jì)算步驟不收斂，因此可以認(rèn)為此時(shí)隧道圍巖已失穩(wěn)破壞。從而確定了此種情況下隧道最小安全厚度為1.1m。

圖3 圍巖在破壞時(shí)Y軸向位移云圖Fig.3 Y axis displacement contour of surrounding rock when broken

3 模擬結(jié)果及分析

采用上述方法，作者對(duì)不同圍巖級(jí)別（分別為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖），不同水壓條件下隧道安全厚度進(jìn)行了模擬，確定了不同情況下隧道最小安全厚度值（表2）。

表2 掌子面安全厚度數(shù)值模擬值表Table 2 Safe thickness value of working face

3.1 不同圍巖條件下隧道安全厚度變化規(guī)律

從表2中可以清楚的看到，在水壓相同的條件下，隨著圍巖級(jí)別的變差，巖體力學(xué)強(qiáng)度降低，巖體更容易破壞，隧道安全厚度值增大；溶洞水壓越大，這種變化更加劇烈，如1MPa水壓時(shí)，Ⅴ級(jí)圍巖比Ⅳ級(jí)圍巖條件下安全厚度增加了約0.5m，而在4MPa水壓時(shí)，其增量竟達(dá)3m。

3.2 不同水壓條件隧道安全厚度變化規(guī)律

表中數(shù)據(jù)表明相同的圍巖級(jí)別條件下，水壓的增大對(duì)隧道應(yīng)力的影響較大，較大的應(yīng)力促使圍巖更容易破壞，隧道安全厚度值變大；圍巖級(jí)別越差，安全厚度的變化越明顯。圖4為同圍巖級(jí)別條件下安全厚度與溶洞水壓的關(guān)系曲線。

圖4 同圍巖條件安全厚度與溶洞水壓的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between safe thickness and water pressure under same surrounding rock condition

從圖4可見，隧道安全厚度值隨著水壓的增大而不均勻的增加，兩者的關(guān)系近似于對(duì)數(shù)關(guān)系。

綜上所述，圍巖級(jí)別的降低，水壓的增大都會(huì)增大隧道安全厚度，在兩者對(duì)其的影響作用中又以水壓的影響更為突出，當(dāng)溶洞水壓增大時(shí)，隧道安全厚度的增加量較圍巖變差時(shí)其增量變化更大。

4 結(jié)論

通過用FLAC有限差分方法模擬高壓充水巖溶隧道安全厚度，得到了一些認(rèn)識(shí)，形成結(jié)論如下：

（1）圍巖級(jí)別和溶洞水壓都影響著隧道安全厚度的取值，圍巖級(jí)別的不同通過巖體強(qiáng)度參數(shù)的高低來影響安全厚度，圍巖級(jí)別越低，安全厚度越大；而溶洞水壓通過影響巖體應(yīng)力來影響安全厚度，水壓越大，安全厚度越大。

（2）從安全厚度值表中可以發(fā)現(xiàn)，隧道安全厚度對(duì)圍巖級(jí)別和溶洞水壓這兩種因素的敏感程度不同，其對(duì)前者的敏感程度不如后者，因此，在實(shí)際工作中，如果已知溶洞水壓屬高水壓力時(shí)，施工中更要注意。

（3）值得一提的是本文中模型在模擬過程中，當(dāng)圍巖破壞前幾個(gè)時(shí)步起我們采用的是0.5m/次的開挖進(jìn)尺量，實(shí)際施工中一般會(huì)更大些，在更大的進(jìn)尺過程中，由于圍巖應(yīng)力劇烈變化，應(yīng)變來不及跟上應(yīng)力的變化而導(dǎo)致圍巖提早破壞，因此，實(shí)際隧道施工安全厚度的尺度將增大。

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