張曉景，雷曉丹

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030032；2.太原學(xué)院建筑工程系，山西 太原 030032)

0 引 言

我國(guó)西南地區(qū)，是典型的喀斯特地貌，巖溶分布廣泛。受地形及規(guī)劃等不可控因素影響，很多新建隧道都不可避免地穿越巖溶區(qū)，地下水和溶洞的存在成為隧道施工建設(shè)及后期運(yùn)營(yíng)的的重大隱患，容易引發(fā)“突泥、涌水、坍塌”等工程事故甚至地質(zhì)災(zāi)害。而巖溶區(qū)地質(zhì)的復(fù)雜性、溶洞位置的不確定性及形狀大小的不規(guī)則性，隱伏溶洞的不可視性，周邊圍巖變形過(guò)大甚至失穩(wěn)，更增加了超前預(yù)報(bào)和隧道設(shè)計(jì)的難度。各類復(fù)雜溶洞對(duì)隧道圍巖變形和穩(wěn)定性的影響研究迫在眉睫。

張玉石等以貴陽(yáng)城市軌道交通1#線為背景，研究表明：隧道頂部溶洞的存在使初期支護(hù)的軸力增加，溶洞洞徑越大，離隧道越近，軸力越大。彭中凌等通過(guò)有限元ANSYS數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)：隨著頂部溶洞與隧洞距離的增大，隧洞各特征點(diǎn)的豎向位移增大，水平位移減小；隨著溶洞變大，隧洞各特征點(diǎn)豎向位移減小而水平位移增大。靳航以霍永高速為背景，構(gòu)建了MIDAS/GTS數(shù)值模型，研究發(fā)現(xiàn)：頂部溶洞的存在使拱頂下沉顯著，溶洞半徑越大，圍巖變形越大；并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以降低施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前的研究多為巖溶對(duì)隧道圍巖受力及變形影響的定性分析，而圍巖變形的演化過(guò)程及破壞機(jī)制研究較為缺乏。本文構(gòu)建了PFC2D顆粒離散元數(shù)值模型，對(duì)無(wú)溶洞環(huán)境和頂部溶洞環(huán)境隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形及破壞的最終形態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究，并從細(xì)觀角度剖析了頂部溶洞環(huán)境下圍巖破壞的演化過(guò)程。

1 離散元數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)形成

參考張玉石的研究，設(shè)置圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用粒徑膨脹法生成初始地應(yīng)力場(chǎng)幾何模型：在72 m×78.5 m的box區(qū)域內(nèi)，生成0.02～0.04 m的ball顆粒；為平衡計(jì)算機(jī)性能與效率與計(jì)算值準(zhǔn)確性的矛盾，將重點(diǎn)研究區(qū)域ball粒徑擴(kuò)大5倍，非重點(diǎn)研究區(qū)域擴(kuò)大10倍，使其在重力作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖1。

圖1 初始地應(yīng)力場(chǎng)形成

1.2 粘結(jié)模型及微觀參數(shù)選取

PFC2D中，平行連接模型可以模擬顆粒之間的拉力、壓力、剪切力及顆粒相對(duì)旋轉(zhuǎn)或剪切引起的彎矩。顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使連接產(chǎn)生相互作用力，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到相應(yīng)允許值時(shí)，連接破壞并產(chǎn)生微裂紋，可以較好地模擬隧道圍巖材料。

1.3 方案設(shè)計(jì)

隧道開(kāi)挖采用水平距離12 m，高度8.5 m的高速公路兩車道直墻式斷面。模型水平寬度取6倍洞徑，隧道埋深50 m，距離底部邊界20 m。頂部溶洞簡(jiǎn)化處理為半徑為3 m的圓形斷面，位于隧道拱頂3 m處。

本文設(shè)置無(wú)溶洞模型，如圖2a，和頂部溶洞模型，如圖2b，對(duì)比分析探究溶洞隧道圍巖的影響。

圖2 離散元數(shù)值模型生成

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形成

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的變形，在隧道周邊設(shè)置如圖3所示的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并通過(guò)PFC2D的crk_item函數(shù)模塊，對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)行追蹤統(tǒng)計(jì)，便于研究圍巖變形演化過(guò)程。

圖3 圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

2 結(jié)果分析

2.1 溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響

(1)無(wú)溶洞模型隧道圍巖變形

圖4為無(wú)溶洞環(huán)境時(shí)隧道開(kāi)挖后圍巖變形云圖。隧道開(kāi)挖后，初始地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，應(yīng)力重新分布，圍巖產(chǎn)生向隧道內(nèi)部的變形。

圖4 無(wú)溶洞模型隧道開(kāi)挖后圍巖變形云圖

隧道側(cè)壁產(chǎn)生較大的水平位移，豎向位移基本為0；底部和拱頂產(chǎn)生較大的豎向位移，拱頂中間位置位移最大，呈橢圓形向外擴(kuò)散，底部中間位置位移最大，影響范圍呈三角形分布。

(2)頂部溶洞模型隧道圍巖變形

圖5為頂部溶洞模型隧道開(kāi)挖后圍巖的位移云圖。易見(jiàn)，頂部溶洞對(duì)隧道開(kāi)挖后的位移場(chǎng)分布有明顯影響。

圖5 頂部溶洞模型隧道開(kāi)挖后圍巖變形云圖

圍巖水平方向位移主要發(fā)生在隧道圍巖側(cè)壁和頂部溶洞側(cè)壁，溶洞引起的位移場(chǎng)變化和隧道開(kāi)挖引起的位移場(chǎng)變化整體向外擴(kuò)散，產(chǎn)生較大變形的范圍明顯變大；隧道底部豎向位移與無(wú)溶洞模型差別不大，拱頂豎向位移卻有明顯不同，受溶洞影響，呈方型分布。

溶洞與隧道之間的圍巖變形受溶洞和隧道開(kāi)挖的雙重影響最為嚴(yán)重，且位移方向發(fā)生突變。此處圍巖受力復(fù)雜，是最為薄弱的部分。

(3)溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響

表2為圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道開(kāi)挖后的水平和豎向位移。易知，頂部溶洞對(duì)隧道圍巖位移的影響較大：水平位移最大影響點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4，即隧道側(cè)壁，頂部溶洞模型較無(wú)溶洞模型位移增加17 mm；豎向位移最大影響點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，即拱頂位置，頂部溶洞模型較無(wú)溶洞模型位移增加18 mm。綜合分析后可知，頂部溶洞的存在使初始地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，從而對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖變形產(chǎn)生較大影響，拱頂或接近拱頂位置影響最大，很容易產(chǎn)生隧道坍塌，對(duì)施工人員的生命安全造成極大威脅。

表2 不同數(shù)值模型隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)

2.2 溶洞對(duì)隧道圍巖破壞形態(tài)的影響

(1)溶洞對(duì)隧道圍巖破壞最終形態(tài)的影響

圖6為無(wú)溶洞模型和頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的最終形態(tài)。無(wú)溶洞模型由于圍巖強(qiáng)度較高，隧道開(kāi)挖后，僅在隧道底部局部位置產(chǎn)生拉裂紋，且裂紋基本不擴(kuò)展，圍巖能夠自穩(wěn)，計(jì)算最大不平衡力收斂。而頂部溶洞模型中，隨著隧道開(kāi)挖，圍巖穩(wěn)定性下降，隧道與溶洞之間的圍巖裂紋逐步擴(kuò)展發(fā)生壓剪破壞，并有落塊產(chǎn)生。

圖6 隧道圍巖破壞最終形態(tài)

綜上，頂部溶洞的存在對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響顯著。在有隱伏溶洞的地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，溶洞和隧道間的圍巖受力復(fù)雜且應(yīng)力集中，容易發(fā)生壓剪破壞，導(dǎo)致隧道圍巖坍塌。

(2)頂部溶洞模型隧道圍巖破壞演化過(guò)程

圖7為頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的演化過(guò)程，從a圖到d圖依次經(jīng)歷了裂紋出現(xiàn)、裂紋增多、裂紋貫通、落塊產(chǎn)生的發(fā)展過(guò)程。隧道開(kāi)挖后，裂紋首先出現(xiàn)在溶洞底部和隧道拱頂，之后逐漸向中間發(fā)展，最后貫通破壞。溶洞和隧道拱頂間的圍巖主要是壓剪破壞，裂紋發(fā)展呈“X”形裂紋。

圖7 隧道圍巖破壞演化過(guò)程

圖8為隧道開(kāi)挖后，圍巖裂紋數(shù)隨著計(jì)算時(shí)步增加的變化過(guò)程，與圖7演化過(guò)程一一對(duì)應(yīng)。易見(jiàn)，隧道圍巖破壞呈現(xiàn)階段性特征：第一階段，隨著隧道開(kāi)挖，裂紋數(shù)增長(zhǎng)迅速；第二階段，裂紋數(shù)基本維持隧道開(kāi)挖后裂紋數(shù)不變，曲線平緩；第三階段，當(dāng)計(jì)算時(shí)步為11 000步時(shí)，裂紋出現(xiàn)第二階段的快速增長(zhǎng)，裂縫貫通，拱頂圍巖破壞。

圖8 圍巖裂紋數(shù)增加過(guò)程

在頂部溶洞環(huán)境下，拱頂圍巖的破壞過(guò)程較為快速，尤其是第三階段裂紋的急劇發(fā)展，很容易被施工人員忽視，產(chǎn)生塌方等工程事故。

3 結(jié) 論

本文構(gòu)建了PFC2D顆粒離散元數(shù)值模型，對(duì)無(wú)溶洞環(huán)境和頂部溶洞環(huán)境隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比研究，并剖析了頂部溶洞模型隧道圍巖破壞的演化過(guò)程，得出下列結(jié)論：

(1)頂部無(wú)溶洞時(shí)，隧道開(kāi)挖將引起隧道側(cè)壁的水平位移和拱頂及底部的豎向位移；頂部溶洞的存在對(duì)隧道圍巖位移場(chǎng)分布有明顯影響，對(duì)隧道拱頂或接近拱頂位置的位移影響較大，溶洞引起的位移場(chǎng)變化和隧道開(kāi)挖引起的位移場(chǎng)變化整體向外擴(kuò)散，較大圍巖變形的范圍明顯擴(kuò)大。

(2)頂部無(wú)溶洞時(shí)，隧道開(kāi)挖后僅在隧道底部局部位置出現(xiàn)拉裂紋，但圍巖仍可自穩(wěn)；頂部溶洞的存在使溶洞和隧道間的圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致隧道圍巖坍塌。

(3)隧道頂部有溶洞時(shí)，隧道開(kāi)挖后，裂紋首先出現(xiàn)在溶洞底部和隧道拱頂，后逐漸向中間發(fā)展，最后貫通破壞。溶洞和隧道拱頂間的圍巖發(fā)生壓剪破壞，裂紋發(fā)展為“X”型雙剪裂紋。隧道開(kāi)挖后較長(zhǎng)時(shí)間的圍巖穩(wěn)定后拱頂圍巖的破壞需要引起施工人員的重點(diǎn)注意。