顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道安全系数研究

2020-07-06王作伟欧阳愍

公路与汽运 2020年3期

王作伟，欧阳愍

(长沙市中等城乡建设职业技术学校，湖南长沙 410126)

山岭隧道大都采用钻爆法施工，若溶洞距离隧道过近，在爆破冲击波作用下溶洞与隧道之间的中夹岩层极易发生垮塌。因此，围岩稳定性研究对于保障岩溶地区隧道施工安全意义重大。目前，岩溶隧道围岩稳定性研究主要集中在数值分析和理论分析两方面。范占锋通过数值模拟对比分析了隧道正上方和侧上方存在溶洞对隧道围岩的影响，得到了不同情况下岩墙安全厚度，认为侧上方存在充水溶洞对围岩稳定性的影响更大。方建勤等利用有限元软件对比分析了隧道顶部有无溶洞对隧道围岩的影响，认为若隧道顶部离溶洞较近，则开挖可能造成隧道顶板断裂破坏。赵明阶等通过模型试验研究了不同大小溶洞对隧道围岩稳定性的影响，得到了溶洞尺寸变化时围岩应力和变形的分布规律。吴贤国等基于模糊物元理论，提出了评价岩溶隧道开挖中围岩稳定性的方法。郑颖人等基于有限元强度折减法对隧洞的拉裂破坏进行分析，认为当隧洞拉裂破坏时安全系数等于折减系数。何新亮采用强度折减法与有限差分法，结合摩尔-库仑本构模型，通过对隧道围岩抗剪强度指标进行折减，获得了极限状态下隧道围岩的安全系数。乔金丽等将强度折减法运用于盾构隧道开挖面稳定性分析，定义了盾构隧道开挖面稳定安全系数的概念。

目前隧道围岩稳定性研究大都基于Mohr-Coloumb破坏准则，但在深埋隧道的工程问题分析中采用Hoek-Brown破坏准则更适合。该文构建顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道模型，基于强度折减法和Hoek-Brown破坏准则，计算岩溶隧道围岩安全系数，通过分析极限状态下隧道顶部围岩的最大剪切应变增量确定隧道开挖诱发顶部围岩塌落破坏的范围，为岩溶隧道围岩稳定性评估提供参考。

1 顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道围岩安全系数计算

1.1 基于强度折减法的安全系数计算

1980年Hoek、Brown在理论和大量实验的基础上提出Hoek-Brown非线性破坏准则，该准则能准确评估各种岩体的强度，被广泛应用于各种岩质基础的稳定性研究。安全系数是一种可对岩土构筑物稳定性进行评估的有效指标，在边坡稳定性研究中得到广泛应用。鉴于安全系数可对土工构筑物的稳定性进行量化，隧道工程中也开始应用这一指标对围岩的稳定性进行评估。

但由于Hoek-Brown破坏准则中用于评估强度的参数较多，目前对于采用哪些参数进行折减更能体现岩体破坏特征等问题尚有争议。因此，在采用强度折减法计算Hoek-Brown破坏准则作用下围岩安全系数时，先将Hoek-Brown破坏准则中的参数等效转换为Mohr-Coloumb准则中的粘聚力和内摩擦角，再进行折减。参数等效转换过程如下：

(1)

(2)

Nσc=1+amb(s)a-1

(3)

(4)

τ=σ′tanφc+cc

(5)

式中：a为反映岩体特性的参数；mb为无量纲的经验常数；σ1、σ3分别为岩体达到极限状态时的最大、最小有效主应力；σci为岩体的单轴抗压强度。

(6)

(7)

(3) 将Hoek-Brown破坏准则的参数等效转换为粘聚力和内摩擦角后，根据强度折减法原理将等效粘聚力和内摩擦角进行折减直至计算收敛，此时得到的折减系数即为隧道围岩的安全系数。

1.2 顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道数值模型

1.2.1 构建模型

先采用MIDAS GTS NX软件建模并划分网格，再将模型导入FLAC3D中进行后处理。模型的长、宽、纵深分别为80、80和3 m。坐标原点位于隧道底部中心点，埋深H为60 m，隧道半径d1为7.37 m，溶洞半径d2为3 m，溶洞中心到隧道底部间距h为14 m，隧道底部到模型底部为20 m。为在保证计算精度的前提下提高计算效率，溶洞与隧道之间的中夹岩层采用加密网格，其他区域采用较稀疏的网格(见图1)。

图1 岩溶隧道整体模型

1.2.2 参数选取

模拟过程中调用软件中自带的Hoek-Brown破坏准则，该准则的表达式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：mi为反映岩体完整程度的参数；GSI为地质强度指标；D为扰动系数。

各参数的取值见表1。

表1 初始参数的取值

1.3 数值计算过程

采用有限差分软件FLAC3D进行安全系数计算，模型左右边界施加水平约束，模型底部施加竖向约束，前后边界施加轴向约束。计算中调用有限差分软件FLAC3D中的Hoek-Brown本构模型，将Hoek-Brown破坏准则中的各参数赋值给模型，在模型达到初始应力平衡状态后模拟隧道开挖；在隧道和溶洞表面施加环向均布力模拟隧道支护力和溶洞溶腔压力，最后利用solve fos命令求解围岩的安全系数。

2 数值模拟结果分析

在不改变其他初始参数的情况下，计算单一参数变化下隧道围岩安全系数，分析不同参数对围岩安全系数和隧道拱顶围岩剪切破坏范围的影响。

2.1 隧道支护力q对安全系数的影响

初始参数如下：隧道半径d1=7.37 m，溶洞半径d2=3 m，溶洞中心到隧道底部间距h=14 m，扰动系数D=0，地质强度指标GSI=50，Hoek-Brown破坏准则参数mi=3，围岩抗压强度σci=3 MPa，容重γ=22 kN/m3，溶腔压力T=100 kPa。支护力q分别为50、100、150、200、250、300 kPa时隧道围岩安全系数的变化见图2。在计算隧道围岩安全系数的过程中，当计算收敛时，分析围岩最大剪切应变增量可得到极限状态下由于隧道开挖诱发的围岩塌方破坏范围。图3为支护力q为50、300 kPa时隧道围岩的最大剪切应变增量云图。

从图2、图3可看出：在其他参数不变的情况下，围岩安全系数随着支护力的增大而增大。隧道与溶洞之间的中夹岩层出现由较大剪切应变增量构成的剪切破坏带，表明围岩在该剪切破坏带所示范围内产生了剪切破坏；剪切破坏带可反映隧道顶部围岩的塌落破坏范围，顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道在开挖扰动的影响下，拱顶围岩塌方范围随支护力的增大而减小。

图2 不同支护力q作用下围岩安全系数

(a) q=50 kPa

(b) q=300 kPa

2.2 溶腔压力T对安全系数的影响

初始参数如下：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。溶腔压力T分别为100、300、500、700、900 kPa时隧道围岩的安全系数的变化见图4，T为100、900 kPa时隧道围岩的最大剪切应变增量云图见图5。