强降雨条件下岩溶地质环境因素对隧道安全性的影响序列研究

彭 奇， 刘国峰， 杨 腾， 陈 立

(1. 中建五局土木工程有限公司， 湖南 长沙 410000;2. 湘潭大学土木工程与力学学院， 湖南 湘潭 411105)

0 引言

中国是世界上喀斯特地貌的主要分布国家，岩溶地质广泛分布于我国西南及华南珠江流域地区。岩溶区域的地质条件极其复杂，施工难度较大，工程地质灾害后果非常严重。

对于岩溶区隧道工程的研究，近年来主要集中在2个方面： 1)对于灾害防治的研究，如郭佳奇等[1]对突水灾害的防治原则和措施进行了系统总结，周栋梁等[2]提出了岩溶隧道底板安全厚度的计算方法； 2)对灾害发生根源的研究或对灾害监测和预报手段的研究[3]，主要集中在对新型探测手段的发掘和基于经典力学模型的数值分析[4-6]，以及对于地理信息系统[7-8]的构建等方面。岩溶区隧道工程的安全性与岩溶区地质环境因素密切相关，而岩溶区地质环境构成复杂、层次多样，其诸多地质环境因素对隧道工程安全性的影响存在一定的主次关系。在实际隧道工程地质灾害的研究和治理中采用“以主要矛盾为主，次要矛盾为辅”的理念，能产生事半功倍的效果。目前，对岩溶区地质环境因素的研究往往依托具体工程，如单长兵等[9]以西南地区某溶洞隧道为工程背景，指出孔隙水压力是隧道涌水的主要原因； 杨寅静[10]依托宜万铁路沿线岩溶隧道，指出岩溶直径、岩溶与隧道间距等因素对隧道结构稳定性的影响具有一定的规律性。这种根据具体工程现象展开的研究，其结果难免存在一定的片面性。

基于以上研究，本文室内试验考虑溶洞的布置形态、溶洞的尺寸、隧道围岩节理面倾角、溶洞与隧道之间的距离等因素。通过对上述4个主要因素的综合考虑、交叉设计，对岩溶隧道工程的地质环境因素影响序列进行了较为全面的研究，并对岩溶区隧道主要工程地质灾害(涌水、坍塌)在降雨条件下发生的围岩力学机制进行了探索。

1 工程概况

本文研究依托京珠高速粤境北端韶关境内的洋碰公路隧道工程，隧道所处地貌单元为中低山丘，属构造剥蚀地貌。隧道区域山峦起伏、沟谷深切、植被茂密，最高山峰在隧道右侧，标高为556 m，谷底标高为132 m。山脉大体呈北东—南西走向。隧道沿山体半山腰穿过，地形上呈两头低、中间高，纵断面为一单峰状，最低标高为240 m。隧道进口坡度较缓，为灰岩风化剥蚀地貌(灰岩物理力学参数见表1)，山丘多呈浑圆状，为第四系坡积层，覆盖厚度较大。隧道在运营过程中发生多次涌水涌泥、渗漏等病害，虽已进行多次治理，但水平导洞中涌水涌泥、地表岩溶塌陷、隧道渗漏、衬砌脱落等病害仍在发生，威胁到隧道的安全运行。

2 室内试验模型

公路隧道围岩相对于岩溶山体而言体积极小，在不发生极端地质演变的情况下不会导致岩溶山体发生大尺度的位移[11]。基于以上认识，将室内试验框架模型设计为整体刚性模型[12]，如图1所示。处于一定围岩环境中的公路隧道，与其相应的围岩具有一体化的联系，在荷载作用下同时发生弹塑性形变，因此将隧道衬砌模型设计为一般弹塑性体。由于模型的缩放比例(1∶100)较大，试验中衬砌模型采用实际形状和筒状体产生的试验效果差别较小，为了降低衬砌成型难度，在试验中隧道衬砌模型直接采用筒状体，如图2所示。

图1 试验模型框架力学分析(单位： Pa)

图2 隧道衬砌模型

岩溶区山体本身的地质特征利于降雨渗透和侵蚀，而试验中所选取的隧道衬砌围岩相对于完整的岩溶山体而言是一个降雨渗透过程的中间体。因此，对试验模型底板进行了特殊的透水设计，以确保模拟降雨在围岩中的渗透通过。

3 试验材料和方案

本试验是对隧道及其围岩内岩溶地质状况进行模拟的地质力学室内模型试验。模型试验研究中常用的长度比尺为1∶50或1∶120，越接近原始尺度的模型试验，得到的试验数据越接近真实情况(如1∶1的足尺试验)，但试验投入也随之倍增；试验时尺度缩放比例递增，数据与真实状况的接近程度也随之递减。因此，在试验中模型尺寸的选用必须同时考虑相似比尺的合理性和经济性原则2方面因素。综上所述，本试验采用1∶100比尺进行设计。

试验依据相似材料理论设计，模拟5倍隧道直径以内的隧道围岩状况。在试验模型中，自隧道衬砌出发至模型顶部、底部、侧部均为5倍隧道直径距离，为了降低模型制作难度，对5倍距离之外的部分进行填充，使其呈现空间立方体形态。隧道衬砌围岩(灰岩)相似材料质量配合比为水泥∶细砂∶黏土∶重晶石粉∶水=1∶12.67∶2.67∶8.67∶3.87；衬砌相似材料的质量配合比为水泥∶细砂∶黏土∶重晶石粉∶水=1∶4.25∶1∶3.25∶2。试验材料与工程现场材料的基本物理力学参数对比情况见表1和表2，隧道模型相似常数见表3。

表1隧道衬砌围岩(灰岩)与其相似材料力学参数对比

Table 1 Comparison of mechanical parameters between tunnel lining surrounding rock (limestone) and similar materials

材料容重/(kg/m3)单轴抗压强度/MPa泊松比弹性模量/GPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)灰岩 2 100500.32550035相似材料2 1600.490.320.054.9235

表2隧道衬砌材料与其相似材料力学参数对比

Table 2 Comparison of mechanical parameters between tunnel lining materials and similar materials

材料容重/(kg/m3)单轴抗压强度/MPa泊松比弹性模量/GPaC40 2 200400.232.5相似材料2 1800.410.20.327

表3 隧道模型相似常数

试验的工况设置见表4，采用参量交叉实验设计方法。节理面倾角取30°、45°、60° 3种情况，溶洞直径取6、9 m 2种情况，溶洞与隧道距离取6、12、18 m 3种情况，溶洞纵向间距均为60 m(以上均为试验缩放之前的足尺)。所考虑的隧道岩溶地质因素为节理面倾角、溶洞直径、溶洞与隧道间距、溶洞的纵向间距，以及2种溶洞的布置形态(见图3)： 通过水平面和竖直面的竖向正交布置(简称截面1)和通过45°和135°倾斜面的斜向布置(简称截面2)。

表4不同工况下的隧道衬砌围岩参数

Table 4 Parameters of tunnel lining surrounding rock under different conditions

工况节理面倾角/(°)溶洞直径/m溶洞与隧道间距/m溶洞纵向间距/m1606660260912603459660430612605456186063091860

d为溶洞直径；δ为溶洞与隧道衬砌之间的距离。

图3 2种溶洞布置形态(单位： mm)

Fig. 3 Two kinds of layouts of karst caves (unit: mm)

根据工程实地测量统计结果设置节理面间距。在隧道衬砌围岩的核心区域(5倍隧道掘进直径范围)内，节理面间距设置为隧道衬砌直径的70%；在衬砌围岩次级区域，为了保证围岩中节理面两侧围岩发生微小相对移动的可能性[13]，同时反映出在实际工程中，随着与隧道距离的增大，节理面施加于隧道衬砌的影响逐渐减小的现象，节理面间距从隧道内径的70%逐步增大到300%，如图4所示。

图4 节理面间距设置(单位： mm)

在公路隧道中发生的涌水和坍塌，主要是由于降雨过程中隧道衬砌围岩的孔隙水压力和土压力发生了剧烈变化[14-15]。因此，试验的测试内容为孔隙水压力和土压力，测试元件的参数见表5和表6，测试元件的埋设位置见图5和图6。

对于降雨量的设置，在参照2017年7月初气象记录的基础上进行理想化处理。每隔1 h集中降雨8 mm，持续24 h，日降雨量为192 mm。试验采用立方体试验模型，故未对地表径流的动力荷载影响加以分析。降雨量设置为8 mm/h，与实际降雨量相比有所减少，以满足能够在坡顶形成地表积水但不形成地表径流的状态，这是因为实际降雨诱发的工程地质灾害中，隧道围岩主要受到坡体渗流而非地表径流的影响[16]。

表5 孔隙水压力传感器参数

表6 土压力传感器参数

图5 孔隙水压力测试位置

图6 土压力测试位置

模拟降雨采用人工集中喷洒的方式，并在围岩模型顶部设置尺板进行测量，如图7所示。为了有效地模拟隧道衬砌作为渗流冲击对象的特征，以及避免水分在模型底部汇集从而对实验结果产生不利影响，试验采用高效的模型底部透水设计，如图8和图9所示。在试验过程中，对衬砌围岩模型的宏观状态进行全天候的影像捕捉，如图10所示。

图7 人工喷洒模拟降雨

图8 模型底板透水设计

图9 试验模型实体

图10 全天候影像捕捉

4 围岩因素对岩溶隧道安全性影响序列分析

4.1 孔隙水压力影响序列分析

岩溶区隧道工程，由于围岩良好的透水性，大部分工况下的孔隙水压力整体处于稳定状态。工况5、6(溶洞与隧道间距较大的工况)的孔隙水压力变化比较明显，且工况5比工况6表现更加显著；而2个测试截面的孔隙水压力差异性也较明显。

孔隙水压力发展趋势如图11所示，其中1-0°位置的1表示截面1，0°表示0°测点位置，下同。由图11可知，工况5、6的截面1表现为孔隙水压力增大； 截面2的大多数测点处于负压状态。图11(a)中的孔隙水压力变化区间为200～250 kPa，图11(b)中的孔隙水压力变化区间为20～30 kPa，图11(a)的孔隙水压力变化区间约为图11(b)的10倍; 同理可知，图11(c)的孔隙水压力变化区间约为图11(d)的10倍，图11(a)和(b)的孔隙水压力变化区间又分别为图11(c)和(d)的10倍，即截面1的孔隙水压力变化区间约为截面2的10倍，0°测点位置的孔隙水压力变化区间约为180°位置的10倍。

(a) 1-0°位置孔隙水压力

(b) 2-0°位置孔隙水压力

(c) 1-180°位置孔隙水压力

(d) 2-180°位置孔隙水压力

以图例“K21-0”为例，其中，“K”表示孔隙水压力； “2”表示工况2(见表4)； “1”表示截面1(见第1节)； “0”表示0°测点位置(见图7)。下同。

图11孔隙水压力发展趋势

Fig. 11 Development trend of pore water pressure

孔隙水压力的2种基本表现(孔隙水压力增大和负压状态)对工程的影响截然不同。孔隙水压力增大将导致衬砌围岩的有效应力减小，同时对筒状衬砌产生向心压力，从力学结构上讲有利于隧道衬砌的稳定，但在工程中由于混凝土材料的内部缺陷性，将增大涌水发生的概率； 而出现负压则表明该处衬砌围岩孔隙水压力处于真空状态，会对衬砌产生离心拉力，由于筒状(在实际工程中为拱状)结构抗拉能力较弱，隧道衬砌结构将承受破坏的风险，即坍塌发生的概率增大但涌水发生的概率降低。

由上述分析可知，孔隙水压力主要受到节理面倾角和溶洞布置形态的影响，且节理面倾角的作用要强于溶洞布置形态，其他试验控制因素对于岩溶区隧道孔隙水压力影响较弱。节理面倾角的影响机制为：岩溶节理围岩体系中，渗流水主要通过节理面在岩体的内部流动[17]，节理面倾角越大，孔隙水压力受降雨的影响越显著。溶洞布置形态的影响机制为： 当溶洞处于隧道衬砌的竖直方向时，将在衬砌的主应力方向(在不遭受剧烈地质演变的情况下，隧道衬砌的主应力方向为竖直方向)施加直接影响。

另外，孔隙水压力对于涌水和坍塌发生概率的影响是相反的，即从孔隙水压力的角度出发，隧道的选址不可能同时将涌水和坍塌发生的概率降至最低。

4.2 土压力与溶洞布置形态的相关性

土压力分布表现出明显的与隧道衬砌围岩参量相关的特征，土压力发展趋势如图12所示。由图12可知，在1-0°位置，工况5条件下的衬砌存在受拉倾向，其他工况下的衬砌则存在不同程度的受压； 在2-0°位置，工况6条件下的土压力表现为显著波动，其他工况下的土压力则表现为相对稳定； 在1-90°位置，工况1、6条件下的衬砌显著受拉； 在2-90°位置，不同工况下的衬砌受力差异较大； 在1-180°位置，工况6条件下的衬砌受拉持续增大； 在2-180°位置，不同工况下的衬砌受力发展趋势比较显著； 在1-225°位置，工况6条件下的土压力表现为显著波动；在2-225°位置，不同工况下的衬砌受力差异较大；在315°位置，不同工况下的衬砌表现出显著的受力差异。

从土压力的波动程度和数量区间的角度看，在迎向节理间围岩体自然下滑方向(315°～135°位置)，截面2的稳定性优于截面1；在背向节理间围岩体自然下滑方向(135°～315°位置)，截面1的稳定性优于截面2。

(a) 1-0°位置土压力 (b) 2-0°位置土压力

(c) 1-90°位置土压力 (d) 2-90°位置土压力

(e) 1-180°位置土压力 (f) 2-180°位置土压力

(g) 1-225°位置土压力 (h) 2-225°位置土压力

(i) 1-315°位置土压力 (j) 2-315°位置土压力

图例中“T”表示土压力。

图12土压力发展趋势

Fig. 12 Development trend of earth pressure

4.3 土压力影响序列分析

为了清晰地描述各岩溶地质因素对岩溶隧道衬砌的影响效果，将图12中各工况数据变化的主要趋势表现在以节理面倾角(θ)、溶洞直径(d)、溶洞与隧道间距(l)为坐标的三维立体空间内。

对迎向节理间围岩体自然下滑方向的土压力进行分析，如图13所示。溶洞直径较小的条件下，当间距与倾角之间大致符合l<-0.4θ+30时，1-0°位置的衬砌顶部所受土压力有明显增大趋势； 反之，则表现为受拉。溶洞直径较大的条件下，各工况下衬砌顶部均表现为受压，且随着节理面倾角增大、溶洞与隧道间距变小，衬砌顶部受压强度会小幅度增大。在2-90°位置，随着节理面倾角增大，土压力会发生变化： 倾角为30°的2个工况下的衬砌表面均表现为小幅度受拉； 倾角为45°的2个工况下的衬砌表面受力性质已呈现差异，一个为受拉，另一个为受压； 倾角为60°的2个工况与45°工况相比，衬砌表面受力差异继续增大，即随着节理面倾角增大，相同节理面倾角的工况受力差异将会增大。其中，溶洞直径是衬砌表面土压力最显著的影响因素，随着溶洞直径增大，衬砌受压将会增大；其次为节理面倾角，随着节理面倾角变大，衬砌受压将会减小。

(a) 1-0°位置土压力分析

(b) 2-90°位置土压力分析

图中1—6表示工况，下同。

图13迎向节理间围岩体自然下滑方向土压力分析

Fig. 13 Analysis of earth pressure toward natural decline direction of joint

对背向节理体自然下滑方向进行分析。在1-180°位置，随着溶洞与隧道间距和溶洞直径的增大，衬砌表面呈受拉增大的趋势，如图14(a)所示；在2-225°位置，围岩参数组合在空间坐标系中向工况6所在位置发展时，衬砌表面同样呈受拉增大的趋势，如图14(b)所示。

(a) 1-180°位置土压力特征

(b) 2-225°位置土压力特征

Fig. 14 Analysis of earth pressure against natural decline direction of joint

综上所述，岩溶地质因素与土压力之间存在复杂的影响关系。首先，土压力受到溶洞截面分布状态的影响； 其次，随着节理面倾角增大、溶洞直径增大，普遍存在土压力减小的趋势； 溶洞与隧道间距则不能单独发挥影响。

5 结论与建议

1)孔隙水压力主要受到节理面倾角和溶洞布置形态的影响，且节理面倾角的作用要强于溶洞布置形态。竖向正交布置溶洞截面孔隙水压力变化区间约为斜向布置截面的10倍，而衬砌0°测点位置孔隙水压力变化区间约是180°测点位置的10倍。孔隙水压力对于涌水和坍塌发生概率的影响存在相反特征，从孔隙水压力的角度出发，当涌水风险降低，理论上会增大坍塌风险。

2)土压力受到多种岩溶地质因素共同作用。在迎向节理间围岩体自然下滑方向(315°～135°位置)，竖向溶洞布置的衬砌稳定性优于斜向布置； 在背向节理间围岩体自然下滑方向(135°～315°位置)则相反。衬砌土压力影响序列依次为： 溶洞布置形态、节理面倾角、溶洞直径、溶洞与隧道间距。

3)节理面倾角和溶洞直径的增大，均会引起土压力的减小。溶洞距离和倾角之间符合l<-0.4θ+30时，衬砌顶部有明显的受压增大趋势。但溶洞距离对隧道衬砌表面的土压力并不单独构成影响。

本文研究只考虑了2种溶洞布置形态，且2种形态均为对称布置，因此只能得到溶洞形态差异的影响特征，而不能得到更详尽的溶洞具体方位的影响特征； 本文的试验时间尺度有限，而在工程实践中，围岩的流变特征对隧道工程安全性的影响是巨大的。在后续工作中，应逐步解决上述2个问题。