王作偉， 歐陽愍

(長沙市中等城鄉(xiāng)建設職業(yè)技術學校， 湖南 長沙 410126)

山嶺隧道大都采用鉆爆法施工，若溶洞距離隧道過近，在爆破沖擊波作用下溶洞與隧道之間的中夾巖層極易發(fā)生垮塌。因此，圍巖穩(wěn)定性研究對于保障巖溶地區(qū)隧道施工安全意義重大。目前，巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究主要集中在數值分析和理論分析兩方面。范占鋒通過數值模擬對比分析了隧道正上方和側上方存在溶洞對隧道圍巖的影響，得到了不同情況下巖墻安全厚度，認為側上方存在充水溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響更大。方建勤等利用有限元軟件對比分析了隧道頂部有無溶洞對隧道圍巖的影響，認為若隧道頂部離溶洞較近，則開挖可能造成隧道頂板斷裂破壞。趙明階等通過模型試驗研究了不同大小溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得到了溶洞尺寸變化時圍巖應力和變形的分布規(guī)律。吳賢國等基于模糊物元理論，提出了評價巖溶隧道開挖中圍巖穩(wěn)定性的方法。鄭穎人等基于有限元強度折減法對隧洞的拉裂破壞進行分析，認為當隧洞拉裂破壞時安全系數等于折減系數。何新亮采用強度折減法與有限差分法，結合摩爾-庫侖本構模型，通過對隧道圍巖抗剪強度指標進行折減，獲得了極限狀態(tài)下隧道圍巖的安全系數。喬金麗等將強度折減法運用于盾構隧道開挖面穩(wěn)定性分析，定義了盾構隧道開挖面穩(wěn)定安全系數的概念。

目前隧道圍巖穩(wěn)定性研究大都基于Mohr-Coloumb破壞準則，但在深埋隧道的工程問題分析中采用Hoek-Brown破壞準則更適合。該文構建頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道模型，基于強度折減法和Hoek-Brown破壞準則，計算巖溶隧道圍巖安全系數，通過分析極限狀態(tài)下隧道頂部圍巖的最大剪切應變增量確定隧道開挖誘發(fā)頂部圍巖塌落破壞的范圍，為巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性評估提供參考。

1 頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道圍巖安全系數計算

1.1 基于強度折減法的安全系數計算

1980年Hoek、Brown在理論和大量實驗的基礎上提出Hoek-Brown非線性破壞準則，該準則能準確評估各種巖體的強度，被廣泛應用于各種巖質基礎的穩(wěn)定性研究。安全系數是一種可對巖土構筑物穩(wěn)定性進行評估的有效指標，在邊坡穩(wěn)定性研究中得到廣泛應用。鑒于安全系數可對土工構筑物的穩(wěn)定性進行量化，隧道工程中也開始應用這一指標對圍巖的穩(wěn)定性進行評估。

但由于Hoek-Brown破壞準則中用于評估強度的參數較多，目前對于采用哪些參數進行折減更能體現(xiàn)巖體破壞特征等問題尚有爭議。因此，在采用強度折減法計算Hoek-Brown破壞準則作用下圍巖安全系數時，先將Hoek-Brown破壞準則中的參數等效轉換為Mohr-Coloumb準則中的粘聚力和內摩擦角，再進行折減。參數等效轉換過程如下：

(1)

(2)

Nσc=1+amb(s)a-1

(3)

(4)

τ=σ′tanφc+cc

(5)

式中：a為反映巖體特性的參數；mb為無量綱的經驗常數；σ1、σ3分別為巖體達到極限狀態(tài)時的最大、最小有效主應力；σci為巖體的單軸抗壓強度。

(6)

(7)

(3) 將Hoek-Brown破壞準則的參數等效轉換為粘聚力和內摩擦角后，根據強度折減法原理將等效粘聚力和內摩擦角進行折減直至計算收斂，此時得到的折減系數即為隧道圍巖的安全系數。

1.2 頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道數值模型

1.2.1 構建模型

先采用MIDAS GTS NX軟件建模并劃分網格，再將模型導入FLAC3D中進行后處理。模型的長、寬、縱深分別為80、80和3 m。坐標原點位于隧道底部中心點，埋深H為60 m，隧道半徑d1為7.37 m，溶洞半徑d2為3 m，溶洞中心到隧道底部間距h為14 m，隧道底部到模型底部為20 m。為在保證計算精度的前提下提高計算效率，溶洞與隧道之間的中夾巖層采用加密網格，其他區(qū)域采用較稀疏的網格(見圖1)。

圖1 巖溶隧道整體模型

1.2.2 參數選取

模擬過程中調用軟件中自帶的Hoek-Brown破壞準則，該準則的表達式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：mi為反映巖體完整程度的參數；GSI為地質強度指標；D為擾動系數。

各參數的取值見表1。

表1 初始參數的取值

1.3 數值計算過程

采用有限差分軟件FLAC3D進行安全系數計算，模型左右邊界施加水平約束，模型底部施加豎向約束，前后邊界施加軸向約束。計算中調用有限差分軟件FLAC3D中的Hoek-Brown本構模型，將Hoek-Brown破壞準則中的各參數賦值給模型，在模型達到初始應力平衡狀態(tài)后模擬隧道開挖；在隧道和溶洞表面施加環(huán)向均布力模擬隧道支護力和溶洞溶腔壓力，最后利用solve fos命令求解圍巖的安全系數。

2 數值模擬結果分析

在不改變其他初始參數的情況下，計算單一參數變化下隧道圍巖安全系數，分析不同參數對圍巖安全系數和隧道拱頂圍巖剪切破壞范圍的影響。

2.1 隧道支護力q對安全系數的影響

初始參數如下：隧道半徑d1=7.37 m，溶洞半徑d2=3 m，溶洞中心到隧道底部間距h=14 m，擾動系數D=0，地質強度指標GSI=50，Hoek-Brown破壞準則參數mi=3，圍巖抗壓強度σci=3 MPa，容重γ=22 kN/m3，溶腔壓力T=100 kPa。支護力q分別為50、100、150、200、250、300 kPa時隧道圍巖安全系數的變化見圖2。在計算隧道圍巖安全系數的過程中，當計算收斂時，分析圍巖最大剪切應變增量可得到極限狀態(tài)下由于隧道開挖誘發(fā)的圍巖塌方破壞范圍。圖3為支護力q為50、300 kPa時隧道圍巖的最大剪切應變增量云圖。

從圖2、圖3可看出：在其他參數不變的情況下，圍巖安全系數隨著支護力的增大而增大。隧道與溶洞之間的中夾巖層出現(xiàn)由較大剪切應變增量構成的剪切破壞帶，表明圍巖在該剪切破壞帶所示范圍內產生了剪切破壞；剪切破壞帶可反映隧道頂部圍巖的塌落破壞范圍，頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道在開挖擾動的影響下，拱頂圍巖塌方范圍隨支護力的增大而減小。

圖2 不同支護力q作用下圍巖安全系數

(a) q=50 kPa

(b) q=300 kPa

2.2 溶腔壓力T對安全系數的影響

初始參數如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，D=0，GSI=50，mi=3，σci=3 MPa，γ=22 kN/m3，q=200 kPa。溶腔壓力T分別為100、300、500、700、900 kPa時隧道圍巖的安全系數的變化見圖4，T為100、900 kPa時隧道圍巖的最大剪切應變增量云圖見圖5。

圖4 不同溶腔壓力T作用下圍巖安全系數

(a) T=100 kPa

(b) T=900 kPa

從圖4、圖5可看出：在其他參數不變的情況下，圍巖安全系數隨溶腔壓力的增大而減小，拱頂圍巖塌方范圍隨頂部溶洞溶腔壓力的增大而增大。

2.3 mi對安全系數的影響

初始參數如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，σci=3 MPa，D=0，GSI=50，γ=22 kN/m3，q=200 Pa，T=100 Pa。mi分別為1、5、10、15、20和25時隧道圍巖安全系數的變化見圖6，mi為1、25時隧道圍巖的最大剪切應變增量云圖見圖7。

圖6 不同mi作用下圍巖安全系數

(a) mi=1

(b) mi=25

從圖6、圖7可看出：在其他參數不變的情況下，圍巖安全系數隨著mi的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨mi的增大而減小。

2.4 地質強度指標GSI對安全系數的影響

初始參數如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，σci=3 MPa，D=0，mi=3，γ=22 kN/m3，T=100 kPa，q=200 kPa。GSI分別為30、35、40、45和50時圍巖安全系數的變化見圖8，GSI為30、50時隧道圍巖的最大剪切應變增量云圖見圖9。

從圖8、圖9可看出：在其他參數不變的情況下，圍巖安全系數隨著GSI的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨GSI的增大而減小。

2.5 圍巖抗壓強度σci對安全系數的影響

初始參數如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，D=0，GSI=50，mi=3，γ=22 kN/m3，q=100 kPa，T=200 kPa。σci分別為1、2、3、4、5 MPa時圍巖安全系數的變化見圖10，σci為1、5 MPa時隧道圍巖的最大剪切應變增量云圖見圖11。

圖8 不同地質強度指標GSI作用下圍巖安全系數

(a) GSI=30

(b) GSI=50

圖10 不同圍巖抗壓強度σci作用下圍巖安全系數

從圖10、圖11可看出：在其他參數不變的情況下，圍巖安全系數隨著σci的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨σci的增大而減小。

(a) σci=1 MPa

(b) σci=5 MPa

3 結論

基于Hoek-Brown破壞準則和強度折減法，利用有限差分軟件FLAC3D模擬巖溶地區(qū)深埋隧道的開挖過程，計算頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道圍巖安全系數，通過對不同參數作用下安全系數的分析，得到以下結論：

(1) 巖溶隧道圍巖的安全系數隨巖體抗壓強度σci、地質強度指標GSI和mi的增大而增大。GSI和mi可有效反映巖體的節(jié)理發(fā)育情況和節(jié)理面粗糙程度，圍巖完整性是影響巖溶地區(qū)隧道施工安全性的重要因素。

(2) 圍巖的安全系數隨著支護力q的增大而增大，隨著溶腔壓力T的增大而減小。頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道開挖時，采用加強式襯砌結構，可有效防治隧道頂部圍巖的塌方破壞。

(3) 在隧道開挖擾動的影響下，頂部溶洞與隧道之間的中夾巖層發(fā)生剪切破壞，剪切破壞范圍隨著圍巖支護力q的增大而減小，隨著溶腔壓力T的增大而增大。同一參數作用下破壞范圍和安全系數的變化趨勢相反，說明隱伏溶洞誘發(fā)隧道頂部圍巖塌落破壞是造成隧道安全系數下降的主要原因。