岩溶隧道防突涌岩盘安全厚度分析

赵博剑

（中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600）

0 引言

我国国土面积广阔，地质条件复杂，也是岩溶分布最广的国家。在西部地区的隧道建设中，岩溶地质灾害问题一直广泛存在，其中在隧道施工过程中受岩溶发育程度、分布方位及充填物等多种因素影响，岩溶区突水突泥造成的围岩坍塌严重侵害着隧道工程安全及施工人员生命安全。针对岩溶隧道出现的高压溶腔问题，工程上大都采用释能降压法通过泄水洞或正洞将溶腔内的高压水在开挖前释放以避免岩溶突水灾害。对此，确定岩溶隧道防突涌水岩盘安全厚度对释能降压法的顺利进行起着关键作用：岩盘厚度过小时，在围岩压力及高水压下可能发生突水突泥灾害，甚至导致隧道坍塌；岩盘厚度过大时虽能避免突水突泥灾害的发生，但不利于释能降压法爆破排水，为后续岩溶处理造成更大困难。

臧守杰[1]基于岩体拉压强度准则提出了岩溶隧道底板岩盘安全厚度的计算公式；马栋[2]结合现场调查及数值模拟对宜万铁路岩溶突水的机理及其防治技术进行了研究；郭佳奇[3]从微观、宏观两方面对岩溶区突涌水成因进行分析并从多角度建立防突涌水岩盘安全厚度计算公式并据此讨论了释能降压法的可靠性。本文以岩溶隧道掌子面前方出现富水溶腔为例，通过理论分析、数值模拟及影响防突涌水岩盘安全厚度的因素分析结合正交试验拟合出了防突涌水岩盘安全厚度的计算公式，可为类似岩溶突水突泥灾害防治提供参考。

1 岩盘安全厚度理论计算

对富水岩溶隧道掌子面前方的岩盘安全厚度分析多采用剪切破坏理论。根据实际情况可假定安全岩盘靠近溶腔一侧断面垂直于泄水洞的轴线，则可同时假定作用在岩盘上的水土压力为均布压力。简化后的岩盘安全厚度力学分析模型如图1所示。

图1 安全厚度力学分析模型

由于高压富水岩溶内充填有大量泥沙、卵石，可假定上部岩层压力通过充填物作用于安全岩盘上。综上，防突涌水安全岩盘在水压力、岩层压力及周围岩层的抗剪力共同作用，利用剪切破坏理论计算岩盘的极限厚度。

由图1可以写出隧道轴线方向上的平衡方程为：

由上式可得安全岩盘厚度的计算公式为：

式中: λ为侧压力系数；γi为上覆第i层岩层的容重，kN／m3；Hi为上覆第i层岩层的厚度；p为溶腔充填水压，kPa；C为岩盘周长，m；φ为岩盘饱和内摩擦角；c为岩盘饱和粘聚力，kPa；A为安全岩盘的截面面积，m2。

当隧道接近圆形断面时，上式可变为：

为增加隧道安全储备，可设安全系数k（一般取1.2～1.5）。由以上计算得出的安全厚度 s在考虑安全系数的基础上可表示为隧道开挖等效洞径 De的函数，可将式(3)写成如下形式：

图2 不同条件下隧道岩盘安全厚度与水压关系图

由式(3)可知，富水岩溶隧道岩盘安全厚度随岩盘直径、水压力及侧压力系数的增大而增大；随岩盘粘聚力和摩擦角的增大而减小。圆形隧道防突涌水岩盘厚度在不同埋深及不同围岩等级情况下随水压力的变化如图2。由上图可知，岩溶隧道掌子面岩盘安全厚度随溶腔内水压力的增加而增加。图(a)中在Ⅳ级围岩中侧压力系数为1.5，溶腔内水压力为1MPa时，掌子面岩盘的安全厚度不小于开挖洞径的0.7倍；且可明显得出在富水岩溶隧道中岩盘安全厚度对隧道埋深变化十分敏感，但在埋深增加到一定程度后对溶腔水压力的敏感性减弱；在 300m埋深的Ⅲ级围岩隧道中，假设水压力为 0时岩盘安全厚度也不小于洞径的0.4倍，可见岩溶隧道的安全岩盘十分关键。由图(b)可以看出，围岩等级越高所需的岩盘安全厚度越小，且等级越高的围岩对溶腔水压力的敏感性越低。由公式(4)可估算出单线隧道（洞径 6m）掌子面前方岩盘安全厚度与隧道埋深、侧压系数的关系曲线见图3。

图3 隧道岩盘安全厚度与其它因素的关系

由图3 (a)可知，富水岩溶隧道安全岩盘厚度与隧道埋深并不是一直为正相关的；在隧道埋深相同的情况下，围岩质量对岩盘安全厚度起关键性作用，此外图(b)中侧压系数对岩盘安全厚度的正相关影响是显而易见的。因此我们可以得出隧道埋深、围岩等级和围岩侧压系数是影响岩溶隧道掌子面岩盘安全厚度的重要因素。

2 岩盘安全厚度数值模拟

由于隧道岩体的非匀质性及边界条件复杂性用数值模拟软件可较好求解，故本文研究岩溶隧道掌子面与前方富水岩溶层防突涌水安全厚度时采用数值模拟的方法进行计算。本文采用 ANSYS数值模拟软件对影响岩盘安全厚度的因素进行分析对比，并通过对大量数据进行回归分析建立了全新的岩盘安全厚度计算公式。

2.1 建立数值模型

本文采用四面体等参单元以 D-P 准则作为塑性判据，模型水平尺寸为300m；上下边界距溶洞中心各为120m；厚度方向取30m根据溶洞实际埋深在模型上边界施加岩体重量换算的均布荷载。模型边界施加相应约束，泄水洞洞径假设为3m，溶腔以洞泾为6m球型空洞表示，溶腔内壁施加法向应力边界条件来模拟溶腔内的均布水压力。泄水洞采用全断面开挖，循环进尺为0.5m。每次开挖计算后，溶洞和泄水洞的塑性区若未贯通则说明此距离安全，并进行下一循环进尺计算至溶洞和泄水洞掌子面前方塑性区贯通，此时的距离即为防突涌水岩盘安全厚度。

2.2 岩盘安全厚度回归分析

为了得到岩溶隧道岩盘安全厚度的回归计算公式并在保持结果准确性的前提下尽量简化计算本文采用正交试验法计算，对此方法需要确定影响岩盘安全厚度的诸多因素，通过上文分析并结合王勇，乔春生[6]等通过理论计算确定了影响溶洞与隧道之间安全距离的因素。本文取富水岩溶隧道掌子面前方岩盘安全距离的影响因子为：围岩等级(A)、侧压力系数()、溶洞洞径（D）以及隧道埋深（H）。根据工程实际勘测资料中统计出围岩参数分布范围，将上述4个影响因素分别设定为5个水平如表1所示，选用L15(54)正交表进行岩盘安全厚度模拟。通过有限元模拟结果得到各影响因子与岩盘安全厚度之间的关系，本数值试验共考虑了 15种不同工况和地质条件组合下的施工工况，建立了各影响因子与岩盘安全厚度关系的样本数据如表2所示。

表1 影响因素与水平

表2 正交试验结果

表3 方差分析结果

查得F0.99(4，4)=16.0，上述四个F值均大于F0.99(4，4)即对于给定显著性水平a=0.01，围岩水平、地应力侧压力系数、溶洞洞径及隧道埋深对试验结果影响显著。利用计算所得岩盘安全厚度对各显著影响因子做一元回归，可建立掌子面前方岩盘安全厚度的预测模型如下：

考虑一定的安全储备并将上式整理可得：

式中：S—隧道掌子面前方岩盘安全厚度（m）

A—围岩等级，1≤A≤5

λ—侧压力系数，1≤ ≤2

D—溶洞洞径（m）,20≤D≤60

H—隧道埋深（m）,200≤H≤1000

3 工程应用对比

3.1 工程概况

是宜万铁路某隧道穿越岩溶地层，其中碎屑岩地层约占隧道总长的 37%；灰岩地层约占53%。区内发育岩溶管道流4条，暗河通过岩溶裂隙、断层等通道与隧道的水力联系较强；区内共发育8条断层,存在重大突水突泥风险，隧道多次通过碎屑岩与灰岩接触带，施工风险高。根据该隧道工程地质报告，隧道一处溶腔洞径可达30m且附近围岩主要为Ⅱ级，洞身段侧压力系数约为1.8，隧道埋深为700m，涌水压力在强降水期水压可达1MPa。泄水洞断面尺寸约为5m*5m。

3.2 拟合公式与现场对比

拟合公式计算法：

将参数A=2，=1.8，D=30，H=700代入公式（6）得S=4.6m。在现场施工前经过数值模拟计算及专家论证，在施工过程中采用提前5m的泄水支洞对溶腔进行释能降压并取得了良好效果，保障了施工安全。这一事实也在证明正交试验所得的拟合公式比较接近现场实际情况，因此该公式可作为确定岩盘安全厚度的参考依据。

4 结论

在岩溶地区修建隧道时，溶腔突涌水是施工过程中必须解决的问题，确定掌子面前方岩盘安全厚度更是治理岩溶突水的第一步。本文通过有限元软件模拟参数条件不同的岩溶对隧道掌子面前方岩盘安全厚度的影响，并通过正交分析得出以下结论：

（1）由剪切破坏理论建立岩盘安全厚度力学模型，由理论公式分析可知岩盘安全厚度与侧压力系数、溶洞洞径、突涌水压力及隧道埋深成正相关。但随隧道埋深的增大，岩盘安全厚度对突涌水压力的敏感性大大降低。

（2）通过研究确定围岩等级(A)、侧压力系数()、溶洞洞径（D）以及隧道埋深（H）是岩盘安全厚度的控制因素。通过正交规划影响因素并采用ANSYS计算岩盘安全厚度得出以上四个因素对结果均有显著影响，并得出了基于数值模拟的岩盘厚度拟合计算公式。

（3）针对具体工程实际，对比理论计算及拟合公式计算结果，二者所得差距不大，进一步验证了拟合公式的合理性，为岩溶区计算掌子面前方岩盘安全厚度提供参考。