不同位置承压溶洞对隧道施工影响研究

2024-06-24林裕

科技资讯 2024年7期

林裕

摘要：承压溶洞作为典型不良地质条件，在隧道近接其施工时，容易因为地层渗流的增加及塑性区的发展，产生突水突泥灾害，威胁到隧道施工安全。以金岩隧道工程为例，采用数值模拟手段，研究了近接不同位置（拱顶、边墙、拱底）承压溶洞时，地层及隧道结构的位移与渗流特点。结果表明：溶洞位于拱顶、边墙、拱底的地表最大沉降分别为3.10 cm、3.00 cm、2.93 cm。说明当拱顶存在溶洞时，地表变形最为危险，而拱底溶洞对隧道施工产生的地层扰动影响最小；随着向掌子面的靠近，地层渗流速度逐渐提高，且在临近掌子面时流速呈现陡增形态。3种工况中流速极值分别为0.026 cm/s、0.027 cm/s 、0.030 cm/s，拱底流速最大，这是因为拱底溶洞埋深最大，溶洞压力水头最大所导致。当承压溶洞临近隧道边墙时，地层塑性区向溶洞贯通，再结合地层渗流分布，可见此工况最容易发生突水突泥灾害。

关键词：承压溶洞隧道施工流固耦合塑性区突水突泥

中图分类号：U455.43;U451.2

Research on the Influence of Confined Karst Caves at Different Positions on Tunnel Construction

LIN Yu

Capital Engineering & Research Incorporation Limited，BeiJing ， 100176 China

Abstract：As a typical adverse geological condition， a confined karst cave is prone to water and mud burst disasters due to the increase of formation seepage and the development of plastic zones during tunnel construction near it， which poses a threat to the safety of tunnel construction. With the Jinyan Tunnel project as an example， this paper uses numerical simulation to study the displacement and seepage characteristics of strata and tunnel structures in close proximity to the confined karst cave at different positions （the vault， the side wall and the bottom of the arch）. The results show that the maximum surface settlement is 3.10 cm， 3.00 cm and 2.93 cm， respectively when the karst cave is at the vault， the side wall and the bottom of the arch， which indicates that the surface deformation is the most dangerous when the krast cave is at the vault， while the krast cave at the bottom of the arch has the least impact on the stratum disturbance caused by tunnel construction， and that with the approach to the face， the seepage velocity of strata gradually increases， and it increases sharply when approaching the face. In the three working conditions， the extreme value of seepage velocity is 0.026 cm/s， 0.027 cm/s and 0.030 cm/s， respectively， with the maximum seepage velocity at the bottom of the arch， which is caused by the largest buried depth and the maximum pressure head of the karst cave at the bottom of the arch. When the confined karst cave is close to the side wall of the tunnel， the plastic zone of strata penetrates to the krast cave， and combined with the distribution of formation seepage， it can be seen that this working condition is most prone to water and mud burst disasters.

Key Words：Confined krast cave; Tunnel construction; Fluidsolid coupling; Plastic zone; Water and mud inrush

随着我国交通建设的发展，越来越多的交通网络转入地下。隧道作为地下交通的主体结构，其建设安全十分重要。然而，我国幅员辽阔，多种地质条件孕育，隧道施工期的突水突泥、岩爆、塌方等地质灾害时有发生，造成人员伤亡及国家财产损失[1-3]。

溶洞一般认为是可溶性岩石中因喀斯特作用所形成的天然地下空间，是岩溶隧道中最常见的不良地质条件。隧道的施工会造成地层扰动，当溶洞近接隧道时，可能会因此引发突水突泥灾害，大量泥水涌入隧道内部，危害施工现场安全。当隧道埋深较大且有隐伏溶洞发育时，近接溶洞的水压较高，承压溶洞更容易击穿隔水岩体，造成工程事故[4]。因此，当深埋隧道近接承压溶洞时，需要进行特别分析。

在隧道近接溶洞施工方面，国内外学者针对溶洞大小、位置等开展了大量研究。刘道炎等人[5]应用物探法和电磁波CT法勘察了区间隧道的溶洞分布特征，并采用有限元手段研究了隧道下侧溶洞对不同埋深的盾构隧道施工受力特征的影响。赵勇[6]采用弹性力学理论对盾构隧道与隐伏溶洞直接的安全距离开展研究，结果表明：运用尖点突变模型获得的结果精度较高。张晓景等人[7]采用PFC2D离散元数值模拟手段，对隧道施工过程中拱顶溶洞的影响开展研究，给出了围岩变形特征及最终破坏形态，结果表明：施工期裂纹首先出现在溶洞底部以及隧道拱顶。张旭[8]以铁路隧道溶洞施工的主要原则为出发点，给出了适用于铁路隧道近接溶洞的施工处理技术与方案。房忠栋等人[9]采用COMSOL数值分析软件，研究了深埋岩溶隧道的开挖与突水过程，结果指出对隔水岩体最小安全厚度影响最为显著的是溶洞水压力，影响最小的是隧道跨度。汪祥国[10]以江西萍莲高速公路莲花隧道为工程背景，研究了溶洞不同位置、不同距离以及不同扁平率等条件下，大跨隧道开挖时地表沉降特征。姜波等人[11]通过数值模拟手段，探讨了富水溶洞不同位置、不同水压力下隧道的衬砌内力，并对不同工况的结构安全系数开展分析，结果指出衬砌结构安全性与溶洞位置关系密切。

相对于数值模拟，模型试验可以更好的明确富水环境下隧道结构的施工与受力特点。潘冬冬等人[12]利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统，针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究，揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律。周辉等人[13]利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流-溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流-溶解耦合过程进行试验研究，并应用盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型进行模拟分析与验证。王克忠等人[14]结合锦屏二级水电站引水隧洞工程，对高渗透压下深埋引水隧洞进行施工过程的物理模拟，试验结论为引水隧洞的防渗施工技术设计提供理论依据。李术才等人[15]基于流固耦合模型试验的现状及存在的问题，探讨了突涌水物理模拟的关键技术，研制了新的流固耦合实验系统，实现了地下工程突涌水的精细化模拟。

综上可见，目前研究多集中于近接隐伏溶洞的空间位置、大小以及距离等对隧道施工的影响，而对近接承压溶洞的隧道施工考虑不足。深埋隧道所处位置环境复杂，水压较高，需要考虑含水承压溶洞所处位置对隧道施工的影响。基于此，本文依托G59呼北高速张家界至官庄段金岩隧道开展数值模拟，研究了高水压作用下隧道的变形特征及地层的渗流特点，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景

金岩隧道位于张家界市永定区金岩乡，张家界端进口洞门位于乐元新村东侧通村公路边，交通条件较好，官庄端出口洞门位于岩塌村西北侧，距通村路约220 m，交通条件较差。隧道区属溶蚀丘陵地貌，山体形态不规则，山脉走向大致呈北东南西向，洞身横穿山体。

结合地质勘察，本工程的地层主要有第四系更新统、寒武系中统敖溪组、寒武系下统清虚洞组以及寒武系下统耙榔组等。其中，对于寒武系下统清虚洞组，其构成主要为泥质灰岩，具水平条带状构造，岩石节理裂隙发育，岩体较破碎，隧道周边区域该套地层中发育厅堂式样溶洞，岩溶较强烈。当地降水较多，易在地层中产生岩溶管道，形成承压溶洞（图1）。

考虑到近接承压隐伏溶洞对隧道施工的危险性，在此采用数值模拟手段，研究不同位置承压溶洞对地层变形及渗流的影响。

2 数值模型

在此建立近接不同位置承压溶洞（拱顶、拱腰、拱底）的隧道开挖流固耦合数值模型，以明确结构的危险区。

2.1 流固耦合计算原理

为模拟多孔介质中流体的运动，渗流方程以Darcy定律为依据，流固耦合过程遵循Boit固结理论，通过空隙压力的变化引起地层物理场的改变[12]。

在流体密度考虑为常量的情况下，对于各向同性的均质岩土材料，流体运动方程如下：

式（1）中，为岩土体的渗透系数；为流体密度；为重力加速度分量。

对于小变形岩土体，流体质点平衡方程为

式（2）中，为渗流速度；为单位体积内流体强度；为单位体积内流体体积变化量，

式（3）中，M为Biot模量；P为孔隙水压力；为体积应变。利用动态平衡的形式可以表述为

式（4）中，为体积密度。

对于线弹性岩土体本构模型，体积应变的改变会引起孔隙压力发生变化，同时孔隙压力变化也会导致体积应变发生改变，其有效应力和应变的关系如下：

式（5）中，为初始应力；为初始孔隙水压力；分别为岩土材料的体积模量和剪切模量；为应变张量。

描述岩土体应变率与速度梯度之间关系的相容方程为

式（6）中，为速度张量；为应变速率。

在流固耦合计算过程默认边界为不透水边界，透水边界的外法线流速分量表述如下：

式（7）中，为渗透系数；为边界面处的孔隙水压力；为渗流出口处的孔隙水压力。

2.2 数值模型的建立

基于流固耦合计算原理，以金岩隧道为工程背景，采用有限元软件Midas/GTS建立考虑承压溶洞与隧道不同位置关系的流固耦合有限元模型（如图2所示）。

其中，有限元模型的长×宽×高=50 m×100 m×131 m，隧道埋深78.6 m。隧道的跨度×高度=12.3 m×9.9 m，高跨比为0.8，衬砌厚度0.45 m。模型采用混合网格剖分，总计单元18.4万个，节点4.1万个。为了分析不同位置承压溶洞对隧道施工的影响，共设立3种工况，即溶洞分别位于隧道拱顶（工况一）、左边墙（工况二）以及拱底（工况三）。溶洞直径为7.38 m，即0.6倍隧道跨度；溶洞与隧道距离为2.46 m，即0.2倍隧道跨度。地层采用摩尔库伦本构，衬砌采用线弹性本构。根据地勘报告，有限元模型的物理力学参数如表1所示。

对于模型的应力场，其边界条件为：约束模型的底部及侧面的法向位移，地表为自由面。对于模型的渗流场，其边界条件为：模型的地表为透水边界，底部及侧面为不透水边界。溶洞内部水压依照与地表距离而定。当隧道开挖时，在隧道轮廓面及掌子面上设定为透水边界，且压力水头为0。

数值计算中，首先为溶洞轮廓线上施加总水头，然后进行初始渗流场和地应力场分析。每开挖一个进尺，改变隧道轮廓线和掌子面上边界条件与压力水头，并计算开挖后的渗流场和应力场。考虑到当隧道掘进至溶洞侧面时，隧道开挖轮廓与溶洞距离最近，此时隧道最为危险。因此隧道开挖过程中采用循环进尺，前一工序掘进开挖，后一工序施工隧道衬砌，直至施工至溶洞周边。

3 计算结果分析

3.1 地表位移分析

对于不同工况，在模型中部，提取地表沿纵向及横向的竖向位移，结果如图3所示。

由图3可见，对于地表横向位移，3种工况均呈现漏斗形的单凹槽沉降。其中，对于溶洞在拱顶与拱底两种工况，由于溶洞与隧道为对称结构，地表沉降槽也呈对称分布。而对于溶洞在边墙工况，地表沉降槽明显向溶洞方向倾斜。对于地表纵向沉降，从边界处向地表中心逐渐增加，这是因为开挖初期对地层扰动较小，且地层渗流不明显。随着开挖的深入，地层开挖体积逐渐增加，地层扰动增加。同时，随着临近近接溶洞，地层渗流增加，地表沉降愈加明显。

就地表沉降数值而言，溶洞位于拱顶、边墙、拱底的地表最大沉降分别为3.10 cm、3.00 cm、2.93 cm。说明当拱顶存在溶洞时，地表变形最为危险，而拱底溶洞对隧道施工产生的地层扰动最小。

3.2 地层渗流分析

提取地层拱顶、左边墙、拱底、右边墙各处的渗流速度，从洞口至掌子面处沿纵向绘制渗流分布曲线，如图4所示。

由图4可见，在临近隧道洞口时，地层渗流速度较低。从洞口至掌子面，地层渗流速度初始变化较小，渗透速度基本呈线性分布。随着向掌子面的靠近，渗流速度逐渐提高，且在临近掌子面时流速呈现陡增形态。

统计不同工况不同位置的地层渗流速度极值，如图5所示。

从不同工况流速极值来看，溶洞的位置会极大地影响所在区域地层流速，即当溶洞位于拱顶时，隧道拱顶地层流速最大；溶洞位于左侧边墙时，临近左侧边墙地层流速最大，且右侧边墙处地层流速较小；溶洞位于拱底时，拱底地层流速最大。此外，3种工况中流速极值分别为0.026 cm/s、0.027 cm/s、0.029 cm/s，拱底存在溶洞时地层流速最大。这是因为拱底溶洞埋深最大，导致溶洞压力水头最大所导致的。

此时，在临近溶洞的地层开挖面处，渗流场分布如图6所示。

由图6可见，在隧道外轮廓开挖后，由于开挖边界上压力水头为0，则流体从溶洞内向隧道内流动。流体总是沿着最短路径向隧道内流入，且会影响整个隧道的开挖轮廓。即近接溶洞处的隧道外轮廓地层流速最大，但远离溶洞的隧道其他区域依然有流体渗入。

3.3 地层塑性区

提取隧道开挖完成后的地层塑性区，如图7所示。

由图7可见，在临近溶洞位置的隧道外轮廓开挖完成后，隧道边墙、拱脚等位置均出现塑性区。对于工况一，隧道拱顶上方无塑性区出现，拱顶地层较为安全。对于工况三，拱底有塑性区产生，但未贯通至拱底溶洞。对于工况二，隧道左侧塑性区较大，且与溶洞贯通。参考不同工况的地层渗流场，可见当承压溶洞近接隧道边墙时，贯通的地层塑性区与高渗流场同时存在，此时存在突水突泥的风险。

4 结论

本文以金岩隧道为工程背景，研究了流固耦合条件下近接承压溶洞对深埋隧道施工的影响。本文采用有限元模拟手段，分别考虑了拱底、边墙以及拱底存在承压溶洞时，地表沉降、地层渗流以及地层塑性区的分布特征，所得结论如下。

（1）沿地表横向，3种工况均呈现漏斗形的单凹槽地表沉降。当溶洞近接隧道边墙时，地表沉降槽明显向溶洞方向倾斜。沿地表纵向，地表竖向沉降从边界向地表中心逐渐增加，这是因为随着开挖的深入，地层开挖体积逐渐增加，地层扰动加剧。同时，随着临近近接溶洞，地层渗流增加，地表沉降愈加明显。

（2）溶洞位于拱顶、边墙、拱底的地表最大沉降分别为3.10 cm、3.00 cm、2.93 cm。说明当拱顶存在溶洞时，地表变形最为危险，而拱底溶洞对隧道施工产生的地层扰动最小。

（3）在临近洞口段时，地层渗流速度较低。从洞口至掌子面，地层渗流速度初始变化较小，渗透速度基本呈线性分布。随着向掌子面的靠近，渗流速度逐渐提高，且在临近掌子面时流速呈现陡增形态。3种工况中流速极值分别为0.026 cm/s、0.027 cm/s、0.030 cm/s，拱底流速最大。这是因为拱底溶洞埋深最大，溶洞压力水头最大所导致的。

（4）隧道的开挖会形成塑性区，塑性区主要分布在隧道边墙两侧，拱顶及拱底较少。其中，当隧道边墙处存在承压溶洞时，地层塑性区向溶洞贯通，再结合渗流场分布特征，可见此处容易发生突水突泥灾害。

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