岩盘型溶洞对隧道围岩稳定性的影响研究

杨泓全,许煜林,米乐民,张如玥

(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029;2.重庆交通大学,重庆 404100;3.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

我国岩溶区域分布广阔,给交通工程建设带来了严峻挑战[1]。岩溶区域的地下工程常遭遇极为复杂的岩溶地质条件。岩溶地区的隧道施工不仅需要注意施工过程中突发的涌水、突泥情况,更需要解决隧道围岩的变形与失稳问题。在岩溶发育地区修建隧道时,隧道与高压含水溶洞之间的围岩稳定性关系到突水事故的发生概率[2]。如果隧道的开挖导致隧道与高压含水溶洞的距离太近,防突层的强度可能无法抵御岩溶水和开挖扰动的共同作用,从而使地下水在高压作用下涌入隧道,造成巨大的损失。反之,如果为预留防突层而增加过多厚度,则会增加工程造价,给后续治理工作带来不便。因此,理解岩溶地区隧道围岩的应力应变规律,掌握施工安全临界距离具有重要的工程意义和必要性。

在岩溶地区,岩溶地质施工面临多种地质耦合作用,其发生灾害机理非常复杂,工程建设施工风险高,而隧道顶部溶洞具有灾害突发性强、破坏性大等危险因素。为揭示隧道顶部岩盘型溶洞对隧道围岩稳定性的影响,本文基于多物理场耦合作用机理,开展了不同溶腔水压、不同岩盘厚度、不同洞径的条件下多场耦合分析,为岩溶隧道安全设计、施工及运营提供理论支撑与判定依据[3]。

1 岩盘型溶洞隧道围岩稳定性数值模拟

本文采用COMSOL Multiphysics软件进行分析,模型的基本假设是:围岩岩体视为连续性均质体,流体为不可压缩流体,固体介质服从太沙基固结原理,地下水在渗流路径中的力学行为服从达西定律,采用摩尔-库仑模型的实体单元、流固耦合模型进行分析。

1.1 计算模型参数的选取

模型计算参数由隧道围岩物理参数、溶腔内的水压力强度、隧道与溶腔间的岩盘厚度、溶洞的半径组成,具体参数如表1所示。

表1 模型围岩计算参数表

1.2 模型边界条件

选取长×宽为100 m×100 m的矩形模型为计算范围,假设隧道埋深为300 m,在模型上边界施加6 MPa自重应力。建立的隧道数值模型见图1。

图1 计算模型示意图

1.3 监测点的布置

数值模拟的监测点布置在隧道的拱顶A、拱腰B、拱脚C以及底板中心点D,分析6个监测点对应的应力、位移以及孔隙水压力的变化情况,具体如图2所示。

图2 隧道监测点布置图

2 不同岩盘厚度的富水溶洞对隧道围岩稳定性的影响

选取在隧道顶部的富水溶洞来研究隧道与溶洞之间的岩盘厚度对围岩稳定性的影响,模拟时选取岩盘厚度L按3 m、5 m、7 m、9 m、11 m变化,其他因素为定值,围岩参数如表2所示。

表2 不同岩盘厚度时隧道围岩与溶腔参数表

2.1 隧道围岩变形规律

分别取岩盘厚度L为3 m、5 m、7 m、9 m、11 m来研究不同岩盘厚度对隧道围岩的变形规律,得出不同岩盘厚度下的隧道围岩位移云图以及围岩监测点位移变化情况曲线如图3、图4所示。

图3 不同岩盘厚度影响下隧道围岩位移云图

图4 不同岩盘厚度影响下各监测点位移对比曲线图

从图3可以得出:随着岩盘厚度L的不断增大,隧道拱顶监测点的位移在逐步减小,且不论岩盘厚度怎样变化,隧道拱顶的位移总是最大的,所以在施工过程中遭遇溶洞在隧道顶部时应重点监测隧道拱顶的位移变化并及时做好支护。

从图4可以看出,隧道拱顶监测点的围岩位移值变化是最大的,随着隧道顶部溶洞的岩盘厚度的变化,其位移变化趋势也是最明显的。随着隧道顶部溶洞的岩盘厚度不断增大,6个监测点的位移值趋势也是逐渐减小,拱顶监测点随岩盘厚度的增大,其位移下降得最快,当岩盘厚度从3 m增加到5 m时,拱顶处围岩位移值下降趋势非常大。当岩盘厚度从5 m增加到11 m后,拱顶监测点的围岩位移值下降趋势逐步变缓。

2.2 围岩应力变化规律

分别取岩盘厚度L为3 m、5 m、7 m、9 m、11 m来研究不同岩盘厚度对隧道围岩应力场的影响,得出不同岩盘厚度影响下拱脚处围岩von Miese应力变化如下页图5所示。

图5 不同岩盘厚度影响下拱脚处围岩von Miese应力变化曲线图

由图5可知,在不同岩盘厚度的变量情况下,隧道围岩应力的最大值在隧道拱顶处。由此可知,随着岩盘厚度的不断减小,隧道与溶洞间的围岩将无法承受其承载力,将在隧道拱脚处先发生失稳渗透破坏。从隧道顶部溶洞在不同岩盘厚度影响下各个监测点围岩应力变化曲线可以看出,随着溶洞与隧道的岩盘厚度逐渐减少,拱脚的围岩应力在逐渐增大。在岩盘厚度从9 m减少到3 m的过程中,拱脚围岩的应力在急剧地增大,在此过程中可能会达到围岩的极限承载力值;而当岩盘厚度从9 m增加到11 m的过程中,隧道拱脚的应力变化不大。

2.3 围岩孔隙水压力变化规律

分别取岩盘厚度L为3 m、5 m、7 m、9 m、11 m来研究不同岩盘厚度对隧道围岩孔隙水压力的影响,如图6所示。

图6 不同岩盘厚度影响下围岩孔隙水压力云图

从图6可以看出:相比隧道开挖前初始应力的云图,隧道开挖后的围岩孔隙水压力下降并发生了重分布,使孔隙水在隧道围岩水压力差的作用下渗透到隧道内;随着溶洞水压力保持不变,在不同隧道与溶洞的间距下围岩的孔隙水压力分布情况大致保持不变。

从图7可以看出:在不同岩盘厚度影响下,在溶洞水压保持不变的情况下,围岩孔隙水压力的最大值发生在隧道底板处;随着隧道与溶洞间岩盘厚度不断地增大,隧道周边围岩孔隙水压力都在逐步变小,其中隧道拱顶的孔隙水压力的下降趋势最为显著。

图7 围岩孔隙水压力对比曲线图

3 不同富水溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响

选取隧道顶部富水溶洞来研究不同富水溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响,其变量值溶洞水压P按0 MPa、0.25 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa变化来模拟,其他因素为定值,围岩参数如表3所示。

表3 不同溶洞水压时隧道围岩与溶腔参数表

3.1 隧道围岩变形规律

根据数值模拟模型中各个监测点的位移情况,得到隧道周边轮廓围岩监测点沉降值对比曲线如图8所示。

图8 不同影响下水压隧道围岩各监测点沉降值对比曲线图

由图8可知,在隧道拱顶溶洞内的水压逐渐增大的情况下,隧道拱顶沉降值的变化趋势最为明显,其他几个监测点的沉降值变化趋势都在增大。

3.2 围岩应力应变规律

对不同水压力下隧道顶部溶洞对隧道围岩应力场的影响进行分析,得到应力变化情况如图9所示。从图9中可以看出,随着溶洞水压不断增大,隧道轮廓围岩应力都在逐渐地增大,并且在隧道的拱脚出现最大值;溶洞水压达到0.2 MPa以后,隧道拱脚处的围岩应力增长速率逐渐增大。

图9 不同水压影响下拱脚处围岩应力对比曲线图

3.3 围岩孔隙水压力变化规律

通过对不同水压下隧道顶部溶洞与隧道岩体的渗流场进行模拟,得到隧道围岩中的孔隙水压力分布情况,研究不同水压影响下各监测点孔隙水压力的变化,如图10所示。

图10 不同水压影响下各监测点孔隙水压力对比曲线图

由图10可知,在隧道开挖后,隧道周边的围岩出现了压力较低的区域,围岩中的孔隙水压力随着溶洞水压的逐步增大,其中隧道拱顶孔隙水压力增长的趋势最为突出,但是隧道周边围岩的低压区域却在逐渐变小。

4 不同洞经富水溶洞对隧道围岩稳定性的影响

选取在隧道顶部的富水溶洞来研究隧道与溶洞大小对围岩稳定性的影响,模拟时选取富水溶洞的洞径为变量,洞径R按3 m、6 m、9 m、12 m、15 m变化,其他围岩参数为定值,具体围岩参数如表4所示。

表4 不同洞径下隧道围岩与溶腔参数表

4.1 隧道围岩变形规律

模拟分析在隧道顶部存在不同洞径的溶洞对隧道周边围岩位移场的影响规律,各个监测点的沉降值变化情况如图11所示。

图11 不同洞径影响下监测点位移对比曲线图

由图11可知,随着溶洞洞径的不断增大,各个监测点的围岩沉降值都在逐渐地增大。

4.2 围岩应力变化规律

对隧道顶部溶洞在不同洞径下对隧道围岩的应力场的影响进行分析,得到隧道围岩周边的应力分布情况如下页图12、图13所示。

图12 不同洞径影响下围岩应力云图

图13 不同洞径影响下拱脚处围岩应力对比曲线图

从图12可以看出:在不同洞径下,隧道围岩的应力最大值都出现在拱脚处,而且隧道周边围岩的应力随着溶洞半径的逐步增大而增大,所以,当隧道施工开挖遭遇顶部溶洞时,隧道周边围岩需要及时进行支护与治理。

从图13可以看出:随着隧道顶部溶洞洞径的逐步增大,隧道拱脚处的围岩应力在逐渐增大,当洞径达到9 m以后,隧道拱脚处的围岩应力急剧增加,这表明当隧道顶部溶洞洞径达到一定数值后,隧道拱脚处的围岩应力可能会大于围岩本身的承载力范围,从而发生隧道突泥涌水灾害。

5 结语

隧道顶部溶洞是一种常见的地质灾害,对隧道施工建设具有严重的危险性,可能导致隧道发生拱顶围岩塌陷、突泥涌水等灾害,造成施工工期的延误和成本的增加。本文针对隧道顶部溶洞在不同洞径、不同溶洞水压以及不同岩盘厚度下对围岩稳定性的影响进行了分析,可以得到以下结论:

(1)隧道顶部溶洞与隧道间的岩盘厚度对围岩稳定性有影响,随着岩盘厚度的逐渐增大,隧道围岩中的应力、孔隙水压力以及沉降位移值都逐步减小,而当岩盘减小到一定厚度时,隧道围岩可能会发生塌方和突泥涌水灾害。因此,在隧道开挖工程中应及时做好超前预报以减少灾害的发生。

(2)隧道围岩的应力、沉降位移以及孔隙水压力随着溶洞水压和洞径的逐步增大而增大,因此在施工过程中要及时准确地探测拱顶溶洞的规模,通过钻孔确定溶洞内的水压并做好释能降压的准备。