含溶洞隧道在地震和渗流耦合作用下塌落特征研究

2022-09-30李冰

铁道建筑技术 2022年8期

李冰

(中铁十九局集团有限公司广西百色 533000)

1 引言

岩溶地区地下工程施工过程中，若溶洞与隧道间的顶板较薄[1]或者位置大小较为特殊[2]，由于开挖引起围岩塑性变形，导致隧道出现不稳定趋势的事例并不少见。陈禹成等[3]针对不同溶洞体积、形态特征、溶腔有无充填物等方面进行了数值模拟，提出鄂西山区岩溶发育特征，并得出围岩应力随隐伏溶洞位置变化而有所差异的结论。雷勇、杨博铭[4－5]对穿越溶洞桩进行了研究。王建、王丽君等[6]对公路隧道穿越大型溶洞进行数值计算分析，得出隧道侧面溶洞对隧道围岩位移扩展影响较大的结论。Lu等[7]利用正交试验法，以E、μ、c等为影响因子反演计算了围岩的其他特征参数。胡昌文等[8]基于刚体平动运动单元上限有限元法，以不同围岩内的ϕ、ψ为条件，计算分析了隧道拱部围岩潜在塌落破坏规律。F.Guarracino[9]利用上限定理和Hoke-Brown准则推导出岩质围岩隧道塌落面的解析解。Garnier D[10]等分析了渗流力作用下岩质边坡的稳定性，并给出了考虑渗流力作用下的极限定理表达式。Fu Huang[11]研究了填充溶洞位于隧道正下方时隧道塌落面曲线。李良全[12]提出利用综合物探法，可科学判定隧道基底岩溶分布情况。崔建锋[13]基于“楔形塌落体＋圆弧转动体”的破坏机理，对只考虑地震效应下深埋硐室围岩稳定性进行分析，得出当地震效应变大时，支护力应与之成正比的结论。江亲华[14]研究了不同渗流条件下，地层参数变化对渗流系数影响规律，发现渗流系数较大时极限支护力对其更为敏感。何宏伟[15]对隧道仰拱下土体发生软化时的沉降进行分析，提出了“不均匀拉裂”型塌方模式。付廷波[16]分析了不同开挖进尺时破碎岩层的塑性区深度和主应力场分布，揭示了开挖面塌方机制。

上述研究主要集中于岩溶对隧道围岩变形规律方面，而对于上方存在溶洞的隧道在地震力和渗流力耦合作用下研究隧道稳定性的文献较少。鉴于此，本文广西逻皓隧道为工程背景，基于非线性Hoke-Brown准则，结合上限定理及能量守恒准则，对溶洞位于隧道上方时隧道坍塌机理进行理论计算，对实际隧道施工过程中遇到此类岩溶条件处理具有重要意义。

2 工程概况

逻皓隧道为双线隧道，进口位于百色市田阳县六机村，出口位于百色市四塘镇平布村。隧道洞身段埋深一般在20～30 m之间，且多为山间沟槽，风化层较厚。整个隧道以软质岩为主，含有大量绢云母、绿泥石、滑石等矿物质成分，易于风化和软化。进口端和出口端基岩裂隙发育，岩性相近，为泥质砂岩夹砂岩、页岩。在施工掘进过程中，发现该区岩溶较发育。隧区地下水主要为基岩裂隙水，隧道洞身褶皱很发育，影响范围大。洞身含水岩组为碎屑岩，有基岩裂隙水填充。地下水中对混凝土有腐蚀性的化学离子很少。隧道旱期涌水量为1.05×104m3/d，雨洪期涌水量为2.6×104m3/d。根据中国地震动参数区划图，隧区地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱级围岩为3 120 m，Ⅴ级围岩段长2 780 m，采用台阶法开挖，见图1。

图1 现场图片

3 溶洞位于隧道上方坍塌机理分析

3.1 分析思路

逻皓隧道具有以下代表性特点:该区岩溶较发育，易产生塌方；围岩含大量易于风化和软化等化感物质，在隧道开挖时易引起围岩产生塑性变形；裂隙发育，构造节理密集带、褶皱构造带是富水带，构造裂隙及断层中的裂隙水分布不均匀，施工时遇突水、塌方的可能性较大。

利用上限定理假设隧道围岩发生相对滑动导致坍塌，再利用能量守恒准则推导出溶洞在隧道上部情况下的坍塌曲线。计算有4个基本假设:(1)满足流动性法则；(2)隧道周边假设为刚体，即不发生弹性变形；(3)隧道各层岩体满足非线性Hoke-Brown准则；(4)溶洞假设为理想状态，即无填充水或填充土。

3.2 考虑地震和渗流作用下塌落上限分析

隧道坍塌模式见图2。

图2 溶洞在上方隧道坍塌模式

非线性的Hoke-Brown失效准则为:

式中:A、B为材料常数；τ为切应力；σn为有效主应力；σci为岩体单轴抗压强度；σtm为岩体拉伸强度；mb、s为无量纲参数。

考虑渗流情况下的上限表达式文献[10]已给出:

式中:σij和εij分别为机动许可速度场中的应力张量和应变率；Ti为作用在边界上的荷载；Xi为体力；V为速度场的微观体积；υi为速度场中速度间断面上的速度；－gradu为超孔隙压力；Ω为坍塌块的体积。

外功包括5个部分，分别为滑动面上的耗散功率PD、重力做功Pγ、地震力做功Ps、支护力做功Pq及渗流力做功Pu。

满足假设条件(1)时，当隧道围岩发生相对滑动，引起随机点的能量损耗做功[9]:

式中:L1和L2分别为坍塌块顶部和底部的半长度；f(x)为假设的塌落曲线；v为坍塌块向下塌落速度；t为分离表面的厚度。根据假设条件(2)，t可忽略不计。

同理:

式中:γ′为岩体浮容重。

圆形溶洞和隧道半径设为R1和R2，g1(x)和g2(x)为下半圆和上半圆曲线。

式中:kv为垂直地震系数。

式中:γw为水容重，一般取10 kN/m3；rp为孔隙水压力系数。

根据上限定理和能量守恒准则，可得:

联立式(4)～式(14)，整理可得:

式中:ψ(x)为一个包含f(x)、f′(x)、x的泛函数。

求解式(17)，需欧拉方程:

将式(17)代入式(18)求偏导数:

式(19)为二阶常系数方程，不妨设为f′(x)为p，则f″(x)为。

则式(19)可简化为:

通过式(22)可求解出1个含有两个积分常数的f(x)的通解表达式。同时，因为在溶洞与塌落面交接点的剪切应力τ＝0，可得:

联合(1)、式(2)、式(22)、式(23)并回代M、D可解出只含1个常量的f(x)的通解表达式:

式(24)只有C1未解出。由图2可以看出，该坍塌模式满足两个边界条件:

将上述两个边界条件代入式(24)，求解C1:

此时，可求出f(x)的特解形式:

为了能运用到其他类似工程，由式(9)、式(25)、式(27)可知:当L1＝0时，认为不发生塌落，可以求出地震力和渗流力耦合作用下溶洞与隧道最小的安全距离hcr。相较于难以观测到的L1，隧道顶部的L2可利用相关仪器探测得到。当h

4 结果分析

为了验证式(27)的正确性，需要与前人研究成果相比较。Fu Huang研究溶洞在隧道下方的情况，且没有考虑渗流力与地震力对隧道稳定性的影响，令rp＝0和kv＝0，可实现本文准确性验证。可以看出:当rp＝0和kv＝0时式(27)可以转化式(29)，曲线形式基本一致，故认为本文推导出的公式具有更广的适用性。Fu Huang推导的计算式如下:

此外，参考文献[9－11]并结合现场实际，可取以下参数:A＝1/3，B＝2/3，σci＝20 MPa，σtm＝σci/100，γ＝24 kN/m3，L1＝2 m。同时考虑孔隙水压力系数分别为rp＝0.25、0.5、0.75，垂直地震系数分别为kv＝0、0.1、0.2时，根据对称性，分别绘制潜在塌落面形状随rp值及kv值的变化情况，见图3。

图3 塌落曲线

从图3可以看出，塌落曲线类似一条开口向下且顶部截去小部分的抛物线。当溶洞大小确定时(溶洞的大小可以用地质雷达、红外探水、TSP等手段检测)，塌落面会随着rp的增大而增大，即孔隙水压越大，隧道越容易发生塌落，需要引起注意的是水也会对抗剪强度起到弱化作用，侧面反映了工程应特别注意水对隧道稳定性的影响。相比rp，kv对塌落面影响要小的多，且塌落面随kv的增大而减小，这是因为本文塌落体系主要考虑垂直地震力向下做功，而水平地震力对该体系不做功。无论是rp还是kv的变化，当塌落面曲线与地表相交时，或者塌落面曲线小于隧道开挖线，隧道便存在坍塌风险。