隐伏溶洞影响下隧道开挖稳定性数值模拟分析

2022-06-14张京亮夏志杰刘新荣王继文姜学壮陈方勇

科学技术与工程 2022年13期

张京亮，夏志杰，刘新荣，王继文，姜学壮，陈方勇

(1. 中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650041； 2. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045； 3. 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045)

中国岩溶地貌广泛发育，尤其是在以云南、贵州为代表的西南山区[1-2]。在岩溶发育地区进行隧道建设时，常常因岩溶溶洞引起涌水、突泥及坍塌冒顶等灾害[3-5]。特别地，隐伏溶洞存在于隧道开挖影响范围且具有隐蔽性，对隧道建设活动造成极大的安全隐患。因此，探究多种因素影响下隐伏溶洞对隧道稳定性的影响及灾害防治措施具有理论和现实意义。

目前，国内外有关岩溶隧道稳定性与灾害防治的研究文献较多[3-13]。较早地，赵明阶等[6]采用相似模型试验研究了溶洞尺寸对隧道稳定性的影响，并结合有限元数值分析提出了溶洞尺寸对围岩开挖瞬间的位移释放率的影响关系式；李治国等[7]基于圆梁山隧道溶洞突水突泥情况，提出了溶洞注浆工艺与相应设备配套方式。此外，李术才等[8]基于岩溶水文地质调查，提出了岩溶隧道突涌水超前地质预报系统和突涌水防治措施；Cui等[9]对岩溶地区盾构隧道施工灾害进行了总结，并提出了一种岩溶灾害处治措施；余庆锋等[10]采用理论和数值计算方法，建立了隧道岩溶突水力学模型，并将该模型应用于油坊坪隧道施工现场；Li等[11]提出了一种基于隧道变形监测的上伏溶洞判别方法，并采用数值模拟验证了其可靠性；王志杰等[12]通过相似模型试验和理论分析，研究了临近溶洞对三台阶开挖大断面公路隧道围岩变形与初期支护结构受力的影响；刘鸿[13]提出了“走向型”溶洞和“斜交型”溶洞储水模型，并采用数值模拟研究了岩溶水压作用下隧道衬砌破坏机理。由此不难看出，大多学者均通过理论计算、模型试验或数值模拟等方法进行岩溶隧道稳定性分析，但有关依托实际岩溶隧道工程，结合监控量测和数值模拟较为系统地研究隐伏溶洞影响下隧道稳定性发展规律及其影响因素的文献鲜有报道。

鉴于此，现以贵州凯里某高速公路岩溶隧道为研究背景，以贵州凯里某高速公路岩溶隧道为研究背景，应用FLAC3D模拟原型岩溶隧道施工全过程，并将模拟结果与现场监测结果进行对比验证；进一步地，探讨不同溶洞尺寸、隧道与溶洞净距及溶洞位置下隧道围岩应力场、应变场变化特征，并分析典型位置变形发展规律；基于此，提出岩溶隧道灾害防控建议。研究成果以期为岩溶隧道开挖稳定性分析和评价提供参考价值。

1 工程概况

1.1 地质条件概况

隧址区地处云贵高原向中部丘陵过渡地段的苗岭山麓，地势呈西北高、东南低。场区地貌类型属溶蚀-侵蚀型中低山地貌，地表受溶蚀、侵蚀作用强烈，地势起伏较大。隧址区覆盖层为厚度较薄的残坡积层(Qel+dl)黏土，下伏基岩为寒武系上统炉山组(∈3l)白云岩，二叠纪上统吴家坪组(P2w)灰岩、炭质泥岩夹粉砂岩，二叠系上统长兴组(P2c)灰岩，三叠系下统大冶组(T1d)灰岩。隧道穿越地层主要为灰岩地层，据洞身段地表代表性露头统计，岩体体积节理数为JV=12 条/m3，岩体较破碎。

此外，隧址区属亚热带温暖湿润季风气候，气候温和，光照充足，雨量充沛，无霜期长，雨热基本同季，年平均降水1 249.3 mm，年最大降水量1 458.5 mm。地下水主要为第四系松散孔隙水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水。松散裂隙水赋存于残坡积层黏土内，水量小；基岩裂隙水赋存于风化基岩节理裂隙内，水量小；岩溶裂隙水赋存于灰岩、白云岩溶蚀裂隙及溶蚀孔洞中，富水性不均一。

1.2 隧道工程概况

该隧道里程为K47+560～K50+940，长3 380 m，顶板埋深30～150 mm。该隧道高速公路隧道，设计时速100 km/h，明挖段采用整体式衬砌，暗挖段按照新奥法进行设计与施工。初期支护主要采用钢拱架、径向中空注浆锚杆、钢筋网及C20喷射混凝土等，二次衬砌为现浇C40钢筋混凝土。隧道单洞建筑限界为11 m×5 m，主洞净宽为14.0 m、高为10.5 m，拱部和边墙为三心圆，两半径分别为6.1 m和5.4 m。隧道最大纵坡2.6%，抗震烈度为Ⅶ级，设计荷载为公路Ⅰ级。

1.3 溶洞发育概况

地质调查与勘探显示，场区附近约2.5 km2范围内地表分布8个岩溶洼地、18个落水洞、2个溶洞，地表岩溶发育密度为11.2 个/km2。根据地表岩溶发育情况，推断隧道穿越地层岩溶较发育，因此，在可溶岩段布置7个钻孔，钻孔揭露溶洞情况如表1所示。

表1 钻探揭露溶洞统计表Table 1 Statistics of cave exposed by drilling

根据表1可知，可溶岩段施工的7个钻孔均揭露溶洞，钻孔孔深共584.7 m，溶洞段长55.7 m，钻孔线岩溶率为9.2%。结合工程地质调查、物探工作，依据《岩溶地区公路工程地质勘察技术指南》(贵州省交通厅)，综合确定隧址区岩溶极强发育，溶洞对隧道全段施工影响较大。隧道开挖过程揭露两处溶洞照片如图1所示。

图1 隧道开挖揭露溶洞照片Fig.1 Photos of karst cave exposed by tunnel excavation

2 数值模型

2.1 数值计算模型与参数

基于上述工程背景，选取K48+598～K48+628段进行模拟，该段隧道埋深约60 m，围岩为中等风化灰岩。根据钻孔CZK4结果，该段隧道上伏直径约8.4 m的隐伏溶洞，溶洞与隧道拱顶距离约10 m。为便于数值模型的建立与计算，根据钻探揭示溶洞尺寸，将实际溶洞简化为直径8.4 m的球形，溶洞中心位于X=15 m处，采用FLAC3D软件建立数值计算模型如图2所示。

已有研究表明[14-15]，为消除边界效应对计算结果的影响，数值模型边界与隧道间距应达到3D～5D(D为隧道直径)。因此，数值计算模型尺寸为X×Y×Z=30 m×150 m×150 m(模型X方向为隧道开挖方向)。为满足计算精度与速度，隧道、二次衬砌、锚杆加固区与溶洞的单元尺寸均设置为0.5 m，灰岩的单元尺寸从0.5 m逐渐增大到10 m，采用四面体与六面体混合网格，所划分的数值计算模型共120 128节点，170 146单元。模型侧面与底面约束法向位移，地表为自由边界。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical simulation model

模型中灰岩采用实体单元进行模拟，采用摩尔-库伦本构模型。初期支护中，中空注浆锚杆采用增大锚固区围岩参数进行模拟[16-17]，锚固区弹性模量、重度、黏聚力和内摩擦角增大10%～20%，泊松比降低约10%。钢拱架与喷射混凝土按折算弹性模量法统一考虑，采用FLAC3D壳单元进行模拟，折算弹性模量计算公式[15]为

(1)

表2 数值模拟参数Table 2 Numerical simulation parameters

为模拟隧道开挖施工过程，根据施工现场情况，将3 m设置为开挖步长，模拟10个施工步，共开挖30 m。数值模拟不考虑地下水作用。

2.2 计算工况

基于工程背景，首先设计与K48+598～K48+628段隧道相对应的数值计算工况(2#)，进一步考虑溶洞尺寸d、溶洞与隧道净距L及溶洞位置，设计数值计算工况3#～8#，同时，为对比分析，增加无溶洞工况(1#)，以深入探究在隐伏溶洞影响下隧道围岩应力场、支护结构变形及稳定性安全系数变化规律。具体数值计算工况如表3所示。

表3 数值计算工况Table 3 Numerical simulation conditions

2.3 模拟与监测结果对比

基于相关规范并结合本工程特点，开展了两项监测项目：拱顶沉降与周边收敛，原则上按5～30 m布置一个监测断面，为研究隐伏溶洞对隧道开挖稳定性的影响，K48+598～K48+628段每隔5 m布置一个监测断面。断面监测点布置如图3所示。选取现场溶洞所在断面(K48+613)监测点数据，将其与对应点的数值模拟结果进行对比，结果如图4所示。

由图4分析可知，对于数值模拟与现场监测结果，拱顶沉降与水平收敛均可分为前期迅速增加与后期缓慢增加并趋于平缓两个阶段，且拱顶沉降均大于水平收敛。数值模拟拱顶沉降和水平收敛最大值分别为10.89 mm和9.06 mm，而现场监测拱顶沉降和水平收敛最大值分别为9.66 mm和8.26 mm，数值模拟隧道变形大于现场监测结果(<10%)，分析原因为现场监测点为初支施作后再布设，因此监测结果未能包含开挖瞬时变形。总体而言，数值模拟与现场监测结果吻合较好，且各监测点位移变化率均达到稳定状态[18]，表明数值计算模型建立、参数选取及基于此开展的隧道开挖稳定性分析合理可靠。

图3 监测点布置图Fig.3 Layout of field monitoring points

图4 数值模拟与现场监测结果对比Fig.4 Comparison between numerical simulation data and field monitoring results

3 数值模拟结果分析

3.1 溶洞尺寸影响

取溶洞中心所在断面(X=15 m)为分析断面，不同溶洞直径情况下，开挖完毕后该断面最大剪应力、最大剪应变增量与典型位置位移变化特征如图5所示。

由图5(a)分析可知，各溶洞尺寸下最大剪应力均以隧道-溶洞为中心呈环形分布，隧道洞周最大剪应力较小，沿洞径方向最大剪应力先迅速增至峰值，再逐渐恢复至原应力状态。当溶洞尺寸较小时(d=0.2D)，最大剪应力峰值呈环形分布于洞周一定深度的围岩内，与无溶洞工况下最大剪应力分布规律相近。随溶洞尺寸增大，最大剪应力逐渐向隧道边墙和底板下部围岩集中，且最大剪应力峰值逐渐增大(0.571 MPa→0.639 MPa→0.685 MPa)，洞周围岩受开挖扰动程度(应力重分布范围)增大。

由图5(b)分析可知，当溶洞尺寸较小时(d=0.2D)，隧道围岩塑性区主要分布于拱腰及底板两侧，且最大剪应变增量均较小，隧道围岩处于稳定状态。随溶洞尺寸增大，最大剪应变增量向拱顶岩柱、拱腰及底板集中，且最大剪应变增量峰值逐渐增大(5.2×10-3→7.6×10-3→8.2×10-3)。这是由于最大剪应力虽集中分布于拱腰和底板下部，而洞顶岩柱最大剪应力较小，但随溶洞尺寸增大，隧道顶部卸荷作用增强，拱顶岩柱单元法向应力减小，根据摩尔-库伦准则，该区域单元更易进入塑性状态，最大剪应变增量随之增大。当d=1.0D时，拱顶岩柱最大剪应变增量峰值较大且贯通整个岩柱，表明塑性区可能沿拱顶岩柱贯通。同时，当净距L=0.2D、溶洞直径d>0.6D时，顶部溶洞对隧道围岩塑性区分布具有明显的影响。

由图5(c)、图5(d)分析可知，与无溶洞工况相似，各溶洞尺寸下隧道拱顶沉降与拱脚水平位移曲线整体上均呈“S”形，即隧道变形主要为“瞬时释放变形”，开挖前变形及“后期变形”均较小。当溶洞尺寸较小时(d=0.2D)，隧道变形与无溶洞工况下相近。随溶洞尺寸增大，拱顶沉降显著增大(10.82 mm→13.55 mm→20.13 mm)，拱脚水平位移小幅增长(8.91 mm→9.58 mm→10.16 mm)，表明顶部溶洞主要对拱顶沉降影响较大，对拱脚水平位移影响很小，主要原因为顶部溶洞使拱顶塑性区增加，拱顶塑性变形随之增大。同时，当净距L=0.2D、溶洞直径d>0.6D时，顶部溶洞对隧道拱顶沉降具有明显影响。

图5 不同溶洞尺寸下应力场、应变场与典型位置位移变化Fig.5 Variation characteristics of stress, strain and typical displacement under different karst cave sizes

3.2 溶洞与隧道净距影响

取溶洞中心所在断面(X=15 m)为分析断面，不同溶洞与隧道净距情况下，最大剪应力、最大剪应变增量与典型位置位移变化特征如图6所示。

由图6(a)分析可知，与不同溶洞尺寸相似，各净距下最大剪应力均以隧道-溶洞为中心呈环形分布。随溶洞与隧道净距增大，隧道围岩受开挖扰动程度(应力重分布范围)逐渐减小，最大剪应力峰值逐渐减小(0.639 MPa→0.588 MPa→0.567 MPa)，且逐渐呈环形分布于洞周一定深度的围岩内。在溶洞直径d=0.6D情况下，当L=1.0D时，隧道围岩最大剪应力分布与无溶洞工况相近。

由图6(b)分析可知，与不同溶洞尺寸相似，各净距下最大剪应变增量集中分布于拱顶岩柱、拱腰及底板两侧。随溶洞与隧道净距增大，最大剪应变增量峰值逐渐减小(8.2×10-3→5.5×10-3→5.1×10-3)，当溶洞直径d=0.6D、净距L>0.6D时，溶洞存在对隧道围岩塑性区影响较小，洞周最大剪应变增量分布趋向于无溶洞工况。

由图6(c)、图6(d)分析可知，与不同溶洞尺寸相似，各净距下隧道拱顶沉降与拱脚水平位移曲线整体上均呈“S”形，随溶洞尺寸增大，拱顶沉降逐渐减小(13.55 mm→11.52 mm→10.71 mm)，而拱脚水平位移变化不明显(9.58 mm→9.24 mm→9.10 mm)。同时，当溶洞直径d=0.6D、净距L>0.6D时，溶洞存在对隧道变形影响较小，隧道变形趋向于无溶洞工况。

3.3 溶洞位置影响

取溶洞中心所在断面(X=15 m)为分析断面，不同溶洞位置情况下，开挖完毕后该断面最大剪应力、最大剪应变增量与典型位置位移变化特征如图7所示。

图6 不同净距下应力场、应变场与典型位置位移变化Fig.6 Variation characteristics of stress, strain and typical displacement under different net distances

图7 不同溶洞位置下应力场、应变场与典型位置位移变化Fig.7 Variation characteristics of stress, strain and typical displacement under different locations of the karst cave

由图7(a)分析可知，与前述不同溶洞尺寸或净距相似，各位置下最大剪应力均以隧道-溶洞为中心呈环形分布。随溶洞位置逐渐下移，最大剪应力峰值变化较小(0.639 MPa→0.642 MPa→0.673 MPa)，而其分布范围呈现较大变化(拱腰、底板→远离溶洞侧隧道洞周→底部溶洞下方)。对隧道-溶洞中间岩柱而言，最大剪应力随溶洞位置不同而变化较大(0.375 MPa→0.413 MPa→0.356 MPa)。

由图7(b)分析可知，溶洞位置对隧道围岩塑性区分布具有明显的影响。随溶洞位置变化，最大剪应变增量峰值变化较大(8.2×10-3→13.1×10-3→10.8×10-3)，溶洞-隧道中间岩柱均为较危险区域。以侧部溶洞工况(7#)为例，隧道-溶洞中间岩柱的最大剪应力虽较隧道左侧围岩小，但侧部溶洞的卸荷作用使中间岩柱单元法向应力减小，根据摩尔-库伦准则，塑性区更易沿中间岩柱贯通，最大剪应变增量则集中分布于该区域。

由图7(c)、图7(d)分析可知，各净距下隧道拱顶沉降与拱脚水平位移曲线整体上均呈“S”形，侧部溶洞与顶部溶洞使拱顶沉降显著增大(14.90 mm和13.50 mm)，而底部溶洞对拱顶沉降影响较小(11.5 mm)。相对地，侧部溶洞与底部溶洞使拱脚水平位移显著增大(15.3 mm和12.6 mm)，而顶部溶洞对拱脚水平位移影响较小(9.58 mm)。分析原因为：根据图7(b)可知，顶部溶洞与侧部溶洞使拱顶塑性区增加，拱顶塑性变形随之增大，而底部溶洞则对拱顶塑性区影响较小；拱脚水平位移分析类似。综上分析，侧部溶洞对隧道变形影响最显著，对隧道围岩稳定性最为不利。