許勝,李嘉雨,張會(huì)剛,毛邦燕,喻洪平

(1.中鐵二院勞模(專家)地質(zhì)創(chuàng)新工作室，成都 610031;2中鐵二院地勘院，成都 610031)

1 引言

我國巖溶分布廣泛，巖溶區(qū)面積達(dá)1.37×106km2，占國土面積的21%，是世界上巖溶面積分布最大的國家之一[1]。而我國南方地區(qū)由于降雨充沛、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、地表起伏大、植被豐富，導(dǎo)致我國南方大型巖溶時(shí)有發(fā)育。而隨著西南山區(qū)大規(guī)模高速鐵路與高等級(jí)公路建設(shè)的廣泛開展，隧道工程將難免的通過這些巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的地區(qū)[2-6]。而在這些巖溶區(qū)域，暗河變化多端、大型特大型巖溶時(shí)有發(fā)育、溶洞自身穩(wěn)定性存疑，為高速鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了很大挑戰(zhàn)。特別是特大型巖溶溶洞處于巖溶演變的中后期(重力崩塌階段)，常常發(fā)生難以預(yù)測(cè)的突發(fā)性掉塊、落石、變形坍塌等[1,7-10]，而車輛運(yùn)行引發(fā)的振動(dòng)或活塞效應(yīng)，常常會(huì)加劇巖體的坍落，影響高鐵行車安全。

滬昆高鐵是國家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》“四縱四橫”客運(yùn)專線網(wǎng)中重要的運(yùn)輸通道，滬昆客運(yùn)專線貴州東段的朱砂堡二號(hào)隧道穿越罕見巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)[11]。該隧道與地下暗河及特大型溶洞并行交叉，隧道及溶洞頂板穩(wěn)定性存疑，對(duì)隧道的安全施工提出了挑戰(zhàn)。此外，我國西南地區(qū)時(shí)有發(fā)生的鐵路地質(zhì)災(zāi)害常常嚴(yán)重影響鐵路的運(yùn)營(yíng)效率和安全，并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[12]，溶洞穩(wěn)定性不確定性對(duì)鐵路的高效運(yùn)營(yíng)提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)以上兩點(diǎn)原因，有必要對(duì)朱砂堡二號(hào)隧道特大型巖溶溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Ptbnbq.遠(yuǎn)古界板溪群清水江組；Zanc.震旦系下統(tǒng)南沱組；Zbd.震旦系上統(tǒng)燈影組；∈1n.寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組；∈1m+∈1i. 寒武系下統(tǒng)金頂山組-明心寺組；∈1p. 寒武系下統(tǒng)杷榔組；∈1q.寒武系下統(tǒng)清虛洞組；∈2g.寒武系中統(tǒng)高臺(tái)組；1.產(chǎn)狀及傾角；2.實(shí)測(cè)正斷層；3.實(shí)測(cè)及推測(cè)性質(zhì)不明斷層；4.新建滬昆高鐵圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖

目前，對(duì)大型溶洞穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)主要有解析法、數(shù)值分析法、物理模擬方法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。解析法通常用于比較規(guī)則的圓形斷面，對(duì)于輪廓多變的溶洞往往難以求解[13]；而物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法不僅需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還往往耗費(fèi)大量人力物力[14]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬理論、軟件的不斷成熟，目前許多報(bào)道已經(jīng)證實(shí)了數(shù)值模擬的巖溶隧道變形破壞規(guī)律與工程實(shí)際有較高的相似性和可信性[15-17]。中國鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)研究院首先開展了沙坡隧道溶洞穩(wěn)定性的有限元模擬分析[18]；此后，李寧等開展了烏江思林水電站地下廠房洞群的數(shù)值仿真分析[19]；吳夢(mèng)軍等開展了巖溶地區(qū)公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)研究[20]；李培楠等開展了溶洞對(duì)地鐵隧道開挖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[21]。近年來，也有不少學(xué)者成功地開展了巖溶對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[17,22-23]，因此利用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)隧道穿越的特大型巖溶的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)是高效可行的。

本文在工程地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建3DEC地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的方法對(duì)朱砂堡二號(hào)隧道特大型巖溶的溶洞大廳段、暗河平行段、暗河交叉段的穩(wěn)定性開展了離散元數(shù)值模擬計(jì)算，評(píng)價(jià)了隧道底板及溶洞頂板的穩(wěn)定性，為巖溶隧道與地下工程建設(shè)提供參考和指導(dǎo)，減少了巖溶地質(zhì)災(zāi)害，保證了鐵路的運(yùn)營(yíng)效率和安全。

2 朱砂堡二號(hào)隧道巖溶工程地質(zhì)特征

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(圖1)位于貴州省東部的黔東南州三穗縣東北，屬構(gòu)造侵蝕-剝蝕中低山區(qū)，群峰起伏，山脈綿延，海拔高程約580～880 m。該區(qū)主要出露震旦系變質(zhì)巖和寒武系碳酸鹽巖、碎屑巖；巖性以灰?guī)r、白云巖類可溶巖為主，相間分布板巖、泥巖、砂巖、頁巖。該區(qū)屬揚(yáng)子地臺(tái)構(gòu)造單元梵凈山拗陷褶皺帶，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶皺斷層發(fā)育，主要有界牌斷裂、響水?dāng)嗔押蛙S鷹咀斷裂。區(qū)內(nèi)褶皺形態(tài)發(fā)育不均衡，背斜寬展，向斜狹窄緊密，兩翼不對(duì)稱，構(gòu)造線多為NE向，部分為NW向。

該地區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，降雨主要集中在4～8月，年均降雨量1 100 mm。地下水為大氣降雨入滲式和注入式補(bǔ)給，沿地表溪溝徑流和地下巖溶管道排泄。

2.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

朱砂堡二號(hào)隧道位于滬昆高鐵貴州段銅仁南站至三穗站區(qū)間，隧道全長(zhǎng)505 m，埋深48～58 m。

該區(qū)地面高程575～650 m，自然坡度10°～35°，局部陡峻，植被發(fā)育。地表分布溶溝、溶槽、巖溶洼地、暗河等巖溶現(xiàn)象，其中巖溶洼地及落水洞最為典型。

下伏地層巖性為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)薄層淺灰色灰?guī)r；隧道內(nèi)未見斷裂、褶皺，地層單斜，巖層層面產(chǎn)狀N43°E /19°S，發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀：N45°E/90°、N47°W/90°。

隧道穿越常年流水的克麻塘暗河(圖2)，該暗河匯水面積達(dá)7.74 km2；暗河入口位于D2K473+996 m處左側(cè)27. 5 m，洞口高15～20 m，寬4～8 m，暗河入口測(cè)時(shí)(2011.05.12)流量6 m3/s；暗河出口位于D2K473+300右36.3 m附近，洞口高20～250 m，寬6～10 m，測(cè)時(shí)(2011.05.11)流量8 m3/s。地下水總體上由南部向北部徑流，即線路左側(cè)往右側(cè)方向徑流。

2.3 隧道巖溶的工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)巖溶發(fā)育的形態(tài)特征，同時(shí)考慮洞穴及暗河與線路的交切關(guān)系，將隧道沿線巖溶分為：溶洞大廳段、暗河平行段、暗河交叉段(圖2、表1)，各段巖溶發(fā)育特征如下：

表1 朱砂堡2# 隧道巖溶工程地質(zhì)特征分區(qū)

2.3.1 溶洞大廳段

1#溶洞大廳(圖3)埋深約24 m，底部縱向長(zhǎng)約90 m，橫向?qū)捈s53 m，溶洞呈“梨”狀，向上收窄變小，高約58 m，容積約32×104m3，溶腔內(nèi)無水，溶洞上部洞壁圍巖線路左側(cè)巖體較破碎且極易坍落，右側(cè)巖體較為完整。隧道靠近該溶洞邊頂部通過，隧底距溶洞底部約45 m。溶洞底部有部分坍落的碎塊土堆積物，且覆蓋約15 m厚碎塊石土，洞底D2K473+570～+616段右側(cè)23～47 m為大斜坡，大斜坡往下為落水洞，直徑13～25 m，向下約45 m與暗河相通(圖2)。暗河沿溶洞大廳底部從大里程側(cè)由左向右、再向小里程方向流過。D2K473+538右48 m發(fā)育一支溶洞，溶洞長(zhǎng)約44 m，寬約26 m，高約15 m。

2.3.2 暗河平行段

隧道里程D2K473+630～+720處與暗河大致平行，為暗河平行段。溶腔埋深約87 m，溶腔最寬約40 m，最高約78 m。經(jīng)進(jìn)洞調(diào)查，暗河水流湍急(圖4)，洞壁巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，部分地段呈倒懸狀，受隧道施工放炮影響洞壁易掉塊。

圖2 溶洞與隧道位置平面關(guān)系圖

圖3 溶洞大廳段溶洞穹頂

圖4 朱砂堡二號(hào)隧道下伏暗河

2.3.3 暗河交叉段

暗河在隧道里程D2K473+720～+805大致與線路斜交67°通過，為暗河交叉段。暗河溶蝕形成的形狀不規(guī)則的2#溶洞大廳。溶腔埋深約53 m，順線路方向最寬約80 m，隧道仰拱平面順線路方向溶腔寬約42 m，垂直線路方向最寬約120 m(溶洞底部)，溶腔最大深度91 m，線路方向最大深度79.3 m，溶洞橫線路方向成三角型、上窄下寬，順線路方向呈“啤酒肚”型，溶洞埋深約40 m，隧道二襯拱頂標(biāo)高與溶洞頂標(biāo)高基本持平。從溶洞下部情況看，洞壁(圖5)巖體破碎，表層易坍落，底部有部分坍落的碎塊土堆積，部分地段呈倒懸狀。

圖5 暗河交叉段溶洞洞壁

3 巖溶區(qū)地質(zhì)模型的構(gòu)建

根據(jù)隧道巖溶的工程地質(zhì)分區(qū)，依次選取溶洞大廳段(里程：D2K473+575)、暗河平行段(里程D2K473+670)、暗河交叉段(里程：D2K473+765)的3處典型不利橫斷面(圖6、圖8、圖10)，構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(圖7、圖9、圖11)，并設(shè)置模型四周及底部為固定邊界條件。

圖6 D2K473+575溶洞大廳段橫斷面圖

圖7 溶洞大廳段模型

圖8 D2K473+670暗河平行段溶洞橫斷面圖

圖9 暗河平行段模型

圖10 D2K473+765暗河交叉段溶洞橫斷面圖

圖11 暗河交叉段模型

由于溶洞洞壁均為薄層狀灰?guī)r，巖層較為平緩，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體受節(jié)理切割及卸荷作用影響，洞壁巖體極為破碎，受結(jié)構(gòu)面影響易坍落。故根據(jù)巖層產(chǎn)狀(N43°E/19°S)和兩組垂直優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面(N45°E/90°、N47°W/90°)對(duì)模型進(jìn)行節(jié)理化，充分體現(xiàn)原型的結(jié)構(gòu)面特征。

而后，根據(jù)試驗(yàn)獲得的巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)(表2、表3)，通過離散單元法采用理想彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，迭代1 000步至最大不平衡力穩(wěn)定后，將原有位移清零，計(jì)算模擬隧道開挖后溶洞的變形位移云圖和巖體掉塊規(guī)模。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

表3 巖體結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取值

4 巖溶區(qū)模擬結(jié)果與分析

4.1 模擬結(jié)果

4.1.1 溶洞大廳段

計(jì)算結(jié)果表明1#溶洞大廳頂板巖體在自重應(yīng)力下發(fā)生了明顯的塌落(圖12a)。位移量云圖顯示模型迭代了4萬步后，塌落塊體最大位移量達(dá)36.21 m。此外，監(jiān)測(cè)A點(diǎn)向X正方向最終位移量為0.17 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為2.99 mm；監(jiān)測(cè)B點(diǎn)向X正方向最終位移量為0.01 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.78 mm；監(jiān)測(cè)C點(diǎn)向X正方向最終位移量為0.07 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.41 mm。通過A、B、C點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)隧道開挖后，隧道底板溶洞懸空處的變形最大，Z軸負(fù)方向產(chǎn)生最大為2.99 mm的位移(圖12b)。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621-2014)[24]，正線軌道靜態(tài)鋪設(shè)精度高低允許偏差為2 mm，溶洞大廳段隧道底板變形量超過允許值，隧道底板不穩(wěn)定。

4.1.2 暗河平行段

計(jì)算結(jié)果表明，暗河平行段溶洞在自重應(yīng)力下未發(fā)生明顯塌落(圖13a)，隧道開挖后，隧道右側(cè)出現(xiàn)輕微蠕變，隧底出現(xiàn)輕微的上拱(圖13b)，且滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621-2014)要求。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D點(diǎn)向X正方向上的最終位移量為0.21 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.13 mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)E點(diǎn)向X正方向上的最終位移量為0.01 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.04 mm；可以說暗河平行段溶洞頂板僅發(fā)生忽略不計(jì)的變形，故溶洞頂板是穩(wěn)定的。

圖12 溶洞大廳段數(shù)值模擬結(jié)果

分區(qū)名稱溶洞頂板變形量/mm隧道底板變形量/mm變形區(qū)面積/m2預(yù)計(jì)塌落距離/m預(yù)計(jì)坍塌體積(m3/100 m)穩(wěn)定性溶洞大廳段-0.78-2.991 02136.2192.5差暗河平行段-0.04-0.13194//好暗河交叉段-1.64/1 73638.85332.5差

圖13 暗河平行段數(shù)值模擬結(jié)果

圖14 暗河交叉段數(shù)值模擬結(jié)果

4.1.3 暗河交叉段

計(jì)算結(jié)果表明暗河交叉段的2#溶洞大廳左側(cè)支溶洞在自重應(yīng)力下發(fā)生了明顯的層狀塌落，而右側(cè)支溶洞僅發(fā)生了輕微塌落(圖14a)。位移量云圖顯示模型迭代了4萬步后，塌落塊體最大位移量達(dá)38.85 m。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)F點(diǎn)向X正方向上的最終位移量為0.25 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.58 mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)G點(diǎn)向X正方向上的最終位移量為0.07 mm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.26 cm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)H點(diǎn)向X正方向上的最終位移量為0.05 cm，向Z負(fù)方向最終位移量為0.12 mm。從暗河交叉段Z方向位移量云圖(圖14b)，變形量最大的為左側(cè)支溶洞洞頂，變形量達(dá)到了56.52 mm，并且將會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)右側(cè)倒懸崖發(fā)生變形；其次，隧道右側(cè)的主溶洞洞頂變形量達(dá)到了1.64 mm，隧道洞頂左側(cè)變形量為右側(cè)變形量的61%。

4.2 討論與分析

以上計(jì)算結(jié)果表明朱砂堡特大型巖溶在隧道開挖后變形量很小，從宏觀上朱砂堡2#隧道溶洞頂板圍巖總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但溶洞大廳段、暗河交叉段溶洞頂板會(huì)產(chǎn)生變形區(qū)且表層會(huì)發(fā)生坍塌掉塊。

而表4歸納了各段巖溶變形和坍塌量計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值。從表4可以看出：溶洞頂板變形量、坍塌量最大的為暗河交叉段，預(yù)計(jì)洞頂變形面積1 736 m2，坍塌體積為332.5 m3/100 m；其次，為溶洞大廳段預(yù)計(jì)洞頂變形面積1 021 m2，坍塌體積為92.5 m3/100 m；暗河平行段變形最小，也不會(huì)發(fā)生塊體坍塌。盡管暗河交叉段坍塌量大于溶洞大廳段，但坍塌主要發(fā)生在左側(cè)支洞。因此，在施工前需對(duì)溶洞大廳段和暗河交叉段不穩(wěn)定危石、孤石清除，并采用錨噴防護(hù)對(duì)洞壁進(jìn)行加固。施工后，可在隧道內(nèi)修建厚2 m的C25混凝土護(hù)拱。

此外，溶洞大廳段隧道底板變形過大，是暗河平行段的23倍。且超過《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621-2014)標(biāo)準(zhǔn)約1 mm，不滿足行車要求，建議修建C20混凝土圬工邊坡對(duì)隧道頂板進(jìn)行支撐，其余空洞用棄渣邊坡回填。而暗河交叉段隧道底板穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，不需采取進(jìn)一步措施。

5 結(jié)論

綜上所述，本文通過工程地質(zhì)調(diào)查和3DEC離散單元法構(gòu)建地質(zhì)模型，研究了朱砂堡2#隧道內(nèi)特大型巖溶的穩(wěn)定性，得到如下結(jié)論：

(1) 溶洞大廳段隧道底板變形量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1 mm，不滿足行車要求，需修建C20混凝土圬工邊坡對(duì)隧道頂板進(jìn)行支撐，其余空洞用棄渣邊坡回填。

(2) 溶洞大廳段、暗河交叉段溶洞頂板表層巖體會(huì)發(fā)生層狀坍塌，施工前需對(duì)溶洞大廳段和暗河交叉段不穩(wěn)定危石、孤石清除，并采用錨噴防護(hù)對(duì)洞壁進(jìn)行加固。施工后，可在隧道內(nèi)修建厚2 m的C25混凝土護(hù)拱。

(3) 暗河平行段溶洞頂板表層巖體僅發(fā)生忽略不計(jì)的變形，且不會(huì)發(fā)生顯著坍塌，隧道底板穩(wěn)定，可不采取工程措施。

致謝:在此特別感謝鄭光老師對(duì)本文修改的意見和指導(dǎo)。

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