敘（永）大（村）鐵路某高壓充水溶洞隧道安全厚度數值模擬

周 毅 ，鄧 輝 ，徐 靜

（成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 6 10059）

0 引言

巖溶是在可溶巖區(qū)隧道工程建設中一種常見的地質災害之一［1］。目前的研究主要還是集中在溶洞對隧道圍巖形態(tài)變化和圍巖變形破壞機理的研究，以及隧道四周存在溶洞時隧道穩(wěn)定性的研究這兩個方面［2-9］。對于隧道前方存在高壓充水溶洞時，隧道施工穩(wěn)定性及安全厚度確定方面的用數值模擬方法進行系統(tǒng)的研究尚未見報道。基于目前研究現狀，本文以敘（永）大（村）鐵路某巖溶隧道為工程背景進行研究。

1 工程概況

隧道所在位置為瀘州市古藺縣石屏鄉(xiāng)，交通較為不便。該區(qū)屬低山—低中山區(qū)構造剝蝕地貌，斜坡溝谷、山間凹地地形，山高谷深，地形起伏較大，相對高差約300m，植被發(fā)育，人煙稀少，巖溶地貌特征明顯，地表溶蝕嚴重，多見溶蝕洼地，溶洞、暗河發(fā)育較多，相互連接，形成一個龐大的地下水徑流系統(tǒng)。

區(qū)域溫暖潮濕，雨量充沛，區(qū)內溝槽及沖溝較發(fā)育，地表徑流多為季節(jié)性流水，旱季多斷流，少量溝槽、魚塘及水庫雖常年有水，但水量受季節(jié)影響變化大，主要由大氣降水補給。

區(qū)內地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+pl4），第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Qdl+el4），志留系下統(tǒng)龍馬溪、石牛欄組（S1l+s）頁巖、灰?guī)r地層，奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）灰?guī)r地層，奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）頁巖、灰?guī)r地層。

隧道地段位于古藺復式背斜北西翼，斷裂構造發(fā)育，全線共穿過四條斷層。

區(qū)域地下水類型主要有松散巖土類孔隙型潛水，巖溶水和基巖裂隙水，均主要大氣降水補給。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

根據文獻［10］敘大鐵路某隧道施工圖和文獻［11］敘大鐵路隧道襯砌斷面及鋼架支護參考圖，該巖溶隧道最大埋深為348m，隧道斷面高度為6.6m，斷面寬度為5.2m，隧道襯砌厚度為30cm。充水溶洞被簡化為一個半徑為5.9m的球形體。根據文獻［12］地下洞室圍巖范圍大約為其橫斷面最大尺寸的3～5倍，因此，我們取模型剖面尺寸為：-25m≤x≤25m，-25m≤z≤25m，-27m≤y≤16m，數值計算模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型斷面圖Fig.1 Sectional view of the numericalmode

2.2 材料參數選取

模型中圍巖采用理想彈塑性材料；開挖采用了Null模型；襯砌支護噴射混凝土層采用實體單元，彈性本構模型；計算過程中采用了FLAC3D提供的Mohr-Coulomb強度準則；初始應力場按自重應力場施加。圍巖及支護結構的物理力學參數見表1。

表1 圍巖及支護結構的物理力學參數表Table 1 Parameter value of surrounding rock and supporting structure

2.3 模型求解

本次模擬Ⅲ級圍巖在充水溶洞水壓為2MPa（200m水柱）條件下隧道開挖過程，確定隧道安全厚度，具體過程如下：

（1）邊界條件和初始應力的確定。模型四周除頂部邊界均施加法向約束，頂部表面施加上部巖體自重應力，溶洞內表面作用2MPa法向水壓，計算模型在自重應力作用下的初始應力狀態(tài)。

（2）隧道開挖。計算開始時，隧道掌子面距高壓溶洞21.1m，隧道沿Y軸正方向開挖，前面部分采用全斷面開挖，每次進尺3m，每次開挖后馬上進行支護，再進行下次開挖，臨近溶洞部分開挖尺寸有所減少，每次進尺0.5m，直至隧道圍巖失穩(wěn)破壞。圖2為所模擬隧道圍巖在破壞失穩(wěn)前一施工步其沿隧道軸線（Y軸方向）方向上的位移云圖。此時掌子面距溶洞1.1m，從圖上可看到此時隧道掌子面中心處沿隧道軸線上的位移量最大，可達10.0mm。

圖2 圍巖在破壞前一施工步Y軸向位移云圖Fig.2 Y axis displacement contour of surrounding rock before broken

（3）確定此種情況下臨近有壓溶洞隧道圍巖的安全厚度。圖3為模型開挖至溶洞前0.6m處，計算時步為58760時，圍巖沿隧道軸線方向上的位移云圖，從圖上可以清楚地看到掌子面中心處沿隧道軸線上的位移已達1.4m，與上一計算步驟相比，其位移量巨增，達兩個數量級，并且計算步驟不收斂，因此可以認為此時隧道圍巖已失穩(wěn)破壞。從而確定了此種情況下隧道最小安全厚度為1.1m。

圖3 圍巖在破壞時Y軸向位移云圖Fig.3 Y axis displacement contour of surrounding rock when broken

3 模擬結果及分析

采用上述方法，作者對不同圍巖級別（分別為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖），不同水壓條件下隧道安全厚度進行了模擬，確定了不同情況下隧道最小安全厚度值（表2）。

表2 掌子面安全厚度數值模擬值表Table 2 Safe thickness value of working face

3.1 不同圍巖條件下隧道安全厚度變化規(guī)律

從表2中可以清楚的看到，在水壓相同的條件下，隨著圍巖級別的變差，巖體力學強度降低，巖體更容易破壞，隧道安全厚度值增大；溶洞水壓越大，這種變化更加劇烈，如1MPa水壓時，Ⅴ級圍巖比Ⅳ級圍巖條件下安全厚度增加了約0.5m，而在4MPa水壓時，其增量竟達3m。

3.2 不同水壓條件隧道安全厚度變化規(guī)律

表中數據表明相同的圍巖級別條件下，水壓的增大對隧道應力的影響較大，較大的應力促使圍巖更容易破壞，隧道安全厚度值變大；圍巖級別越差，安全厚度的變化越明顯。圖4為同圍巖級別條件下安全厚度與溶洞水壓的關系曲線。

圖4 同圍巖條件安全厚度與溶洞水壓的關系曲線Fig.4 Relationship curve between safe thickness and water pressure under same surrounding rock condition

從圖4可見，隧道安全厚度值隨著水壓的增大而不均勻的增加，兩者的關系近似于對數關系。

綜上所述，圍巖級別的降低，水壓的增大都會增大隧道安全厚度，在兩者對其的影響作用中又以水壓的影響更為突出，當溶洞水壓增大時，隧道安全厚度的增加量較圍巖變差時其增量變化更大。

4 結論

通過用FLAC有限差分方法模擬高壓充水巖溶隧道安全厚度，得到了一些認識，形成結論如下：

（1）圍巖級別和溶洞水壓都影響著隧道安全厚度的取值，圍巖級別的不同通過巖體強度參數的高低來影響安全厚度，圍巖級別越低，安全厚度越大；而溶洞水壓通過影響巖體應力來影響安全厚度，水壓越大，安全厚度越大。

（2）從安全厚度值表中可以發(fā)現，隧道安全厚度對圍巖級別和溶洞水壓這兩種因素的敏感程度不同，其對前者的敏感程度不如后者，因此，在實際工作中，如果已知溶洞水壓屬高水壓力時，施工中更要注意。

（3）值得一提的是本文中模型在模擬過程中，當圍巖破壞前幾個時步起我們采用的是0.5m/次的開挖進尺量，實際施工中一般會更大些，在更大的進尺過程中，由于圍巖應力劇烈變化，應變來不及跟上應力的變化而導致圍巖提早破壞，因此，實際隧道施工安全厚度的尺度將增大。

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