頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道安全系數(shù)研究

王作偉， 歐陽(yáng)愍

(長(zhǎng)沙市中等城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 湖南 長(zhǎng)沙 410126)

山嶺隧道大都采用鉆爆法施工，若溶洞距離隧道過(guò)近，在爆破沖擊波作用下溶洞與隧道之間的中夾巖層極易發(fā)生垮塌。因此，圍巖穩(wěn)定性研究對(duì)于保障巖溶地區(qū)隧道施工安全意義重大。目前，巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究主要集中在數(shù)值分析和理論分析兩方面。范占鋒通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了隧道正上方和側(cè)上方存在溶洞對(duì)隧道圍巖的影響，得到了不同情況下巖墻安全厚度，認(rèn)為側(cè)上方存在充水溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響更大。方建勤等利用有限元軟件對(duì)比分析了隧道頂部有無(wú)溶洞對(duì)隧道圍巖的影響，認(rèn)為若隧道頂部離溶洞較近，則開(kāi)挖可能造成隧道頂板斷裂破壞。趙明階等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了不同大小溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得到了溶洞尺寸變化時(shí)圍巖應(yīng)力和變形的分布規(guī)律。吳賢國(guó)等基于模糊物元理論，提出了評(píng)價(jià)巖溶隧道開(kāi)挖中圍巖穩(wěn)定性的方法。鄭穎人等基于有限元強(qiáng)度折減法對(duì)隧洞的拉裂破壞進(jìn)行分析，認(rèn)為當(dāng)隧洞拉裂破壞時(shí)安全系數(shù)等于折減系數(shù)。何新亮采用強(qiáng)度折減法與有限差分法，結(jié)合摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)隧道圍巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，獲得了極限狀態(tài)下隧道圍巖的安全系數(shù)。喬金麗等將強(qiáng)度折減法運(yùn)用于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析，定義了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定安全系數(shù)的概念。

目前隧道圍巖穩(wěn)定性研究大都基于Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則，但在深埋隧道的工程問(wèn)題分析中采用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則更適合。該文構(gòu)建頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道模型，基于強(qiáng)度折減法和Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，計(jì)算巖溶隧道圍巖安全系數(shù)，通過(guò)分析極限狀態(tài)下隧道頂部圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽看_定隧道開(kāi)挖誘發(fā)頂部圍巖塌落破壞的范圍，為巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估提供參考。

1 頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道圍巖安全系數(shù)計(jì)算

1.1 基于強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)計(jì)算

1980年Hoek、Brown在理論和大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出Hoek-Brown非線性破壞準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則能準(zhǔn)確評(píng)估各種巖體的強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于各種巖質(zhì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性研究。安全系數(shù)是一種可對(duì)巖土構(gòu)筑物穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估的有效指標(biāo)，在邊坡穩(wěn)定性研究中得到廣泛應(yīng)用。鑒于安全系數(shù)可對(duì)土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行量化，隧道工程中也開(kāi)始應(yīng)用這一指標(biāo)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

但由于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則中用于評(píng)估強(qiáng)度的參數(shù)較多，目前對(duì)于采用哪些參數(shù)進(jìn)行折減更能體現(xiàn)巖體破壞特征等問(wèn)題尚有爭(zhēng)議。因此，在采用強(qiáng)度折減法計(jì)算Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則作用下圍巖安全系數(shù)時(shí)，先將Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則中的參數(shù)等效轉(zhuǎn)換為Mohr-Coloumb準(zhǔn)則中的粘聚力和內(nèi)摩擦角，再進(jìn)行折減。參數(shù)等效轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

(1)

(2)

Nσc=1+amb(s)a-1

(3)

(4)

τ=σ′tanφc+cc

(5)

式中：a為反映巖體特性的參數(shù)；mb為無(wú)量綱的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σ1、σ3分別為巖體達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的最大、最小有效主應(yīng)力；σci為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。

(6)

(7)

(3) 將Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則的參數(shù)等效轉(zhuǎn)換為粘聚力和內(nèi)摩擦角后，根據(jù)強(qiáng)度折減法原理將等效粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減直至計(jì)算收斂，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為隧道圍巖的安全系數(shù)。

1.2 頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道數(shù)值模型

1.2.1 構(gòu)建模型

先采用MIDAS GTS NX軟件建模并劃分網(wǎng)格，再將模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行后處理。模型的長(zhǎng)、寬、縱深分別為80、80和3 m。坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道底部中心點(diǎn)，埋深H為60 m，隧道半徑d1為7.37 m，溶洞半徑d2為3 m，溶洞中心到隧道底部間距h為14 m，隧道底部到模型底部為20 m。為在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，溶洞與隧道之間的中夾巖層采用加密網(wǎng)格，其他區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格(見(jiàn)圖1)。

圖1 巖溶隧道整體模型

1.2.2 參數(shù)選取

模擬過(guò)程中調(diào)用軟件中自帶的Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則的表達(dá)式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：mi為反映巖體完整程度的參數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；D為擾動(dòng)系數(shù)。

各參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

表1 初始參數(shù)的取值

1.3 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，模型左右邊界施加水平約束，模型底部施加豎向約束，前后邊界施加軸向約束。計(jì)算中調(diào)用有限差分軟件FLAC3D中的Hoek-Brown本構(gòu)模型，將Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則中的各參數(shù)賦值給模型，在模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后模擬隧道開(kāi)挖；在隧道和溶洞表面施加環(huán)向均布力模擬隧道支護(hù)力和溶洞溶腔壓力，最后利用solve fos命令求解圍巖的安全系數(shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在不改變其他初始參數(shù)的情況下，計(jì)算單一參數(shù)變化下隧道圍巖安全系數(shù)，分析不同參數(shù)對(duì)圍巖安全系數(shù)和隧道拱頂圍巖剪切破壞范圍的影響。

2.1 隧道支護(hù)力q對(duì)安全系數(shù)的影響

初始參數(shù)如下：隧道半徑d1=7.37 m，溶洞半徑d2=3 m，溶洞中心到隧道底部間距h=14 m，擾動(dòng)系數(shù)D=0，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI=50，Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則參數(shù)mi=3，圍巖抗壓強(qiáng)度σci=3 MPa，容重γ=22 kN/m3，溶腔壓力T=100 kPa。支護(hù)力q分別為50、100、150、200、250、300 kPa時(shí)隧道圍巖安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖2。在計(jì)算隧道圍巖安全系數(shù)的過(guò)程中，當(dāng)計(jì)算收斂時(shí)，分析圍巖最大剪切應(yīng)變?cè)隽靠傻玫綐O限狀態(tài)下由于隧道開(kāi)挖誘發(fā)的圍巖塌方破壞范圍。圖3為支護(hù)力q為50、300 kPa時(shí)隧道圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

從圖2、圖3可看出：在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖安全系數(shù)隨著支護(hù)力的增大而增大。隧道與溶洞之間的中夾巖層出現(xiàn)由較大剪切應(yīng)變?cè)隽繕?gòu)成的剪切破壞帶，表明圍巖在該剪切破壞帶所示范圍內(nèi)產(chǎn)生了剪切破壞；剪切破壞帶可反映隧道頂部圍巖的塌落破壞范圍，頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道在開(kāi)挖擾動(dòng)的影響下，拱頂圍巖塌方范圍隨支護(hù)力的增大而減小。

圖2 不同支護(hù)力q作用下圍巖安全系數(shù)

(a) q=50 kPa

(b) q=300 kPa

2.2 溶腔壓力T對(duì)安全系數(shù)的影響

初始參數(shù)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。溶腔壓力T分別為100、300、500、700、900 kPa時(shí)隧道圍巖的安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖4，T為100、900 kPa時(shí)隧道圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D見(jiàn)圖5。

圖4 不同溶腔壓力T作用下圍巖安全系數(shù)

(a) T=100 kPa

(b) T=900 kPa

從圖4、圖5可看出：在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖安全系數(shù)隨溶腔壓力的增大而減小，拱頂圍巖塌方范圍隨頂部溶洞溶腔壓力的增大而增大。

2.3 mi對(duì)安全系數(shù)的影響

初始參數(shù)如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，σci=3 MPa，D=0，GSI=50，γ=22 kN/m3，q=200 Pa，T=100 Pa。mi分別為1、5、10、15、20和25時(shí)隧道圍巖安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖6，mi為1、25時(shí)隧道圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D見(jiàn)圖7。

圖6 不同mi作用下圍巖安全系數(shù)

(a) mi=1

(b) mi=25

從圖6、圖7可看出：在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖安全系數(shù)隨著mi的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨mi的增大而減小。

2.4 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI對(duì)安全系數(shù)的影響

初始參數(shù)如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，σci=3 MPa，D=0，mi=3，γ=22 kN/m3，T=100 kPa，q=200 kPa。GSI分別為30、35、40、45和50時(shí)圍巖安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖8，GSI為30、50時(shí)隧道圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D見(jiàn)圖9。

從圖8、圖9可看出：在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖安全系數(shù)隨著GSI的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨GSI的增大而減小。

2.5 圍巖抗壓強(qiáng)度σci對(duì)安全系數(shù)的影響

初始參數(shù)如下：d1=7.37 m，d2=3 m，h=14 m，D=0，GSI=50，mi=3，γ=22 kN/m3，q=100 kPa，T=200 kPa。σci分別為1、2、3、4、5 MPa時(shí)圍巖安全系數(shù)的變化見(jiàn)圖10，σci為1、5 MPa時(shí)隧道圍巖的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D見(jiàn)圖11。

圖8 不同地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI作用下圍巖安全系數(shù)

(a) GSI=30

(b) GSI=50

圖10 不同圍巖抗壓強(qiáng)度σci作用下圍巖安全系數(shù)

從圖10、圖11可看出：在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖安全系數(shù)隨著σci的增大而增大，隧道頂部圍巖塌落破壞范圍隨σci的增大而減小。

(a) σci=1 MPa

(b) σci=5 MPa

3 結(jié)論

基于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則和強(qiáng)度折減法，利用有限差分軟件FLAC3D模擬巖溶地區(qū)深埋隧道的開(kāi)挖過(guò)程，計(jì)算頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道圍巖安全系數(shù)，通過(guò)對(duì)不同參數(shù)作用下安全系數(shù)的分析，得到以下結(jié)論：

(1) 巖溶隧道圍巖的安全系數(shù)隨巖體抗壓強(qiáng)度σci、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和mi的增大而增大。GSI和mi可有效反映巖體的節(jié)理發(fā)育情況和節(jié)理面粗糙程度，圍巖完整性是影響巖溶地區(qū)隧道施工安全性的重要因素。

(2) 圍巖的安全系數(shù)隨著支護(hù)力q的增大而增大，隨著溶腔壓力T的增大而減小。頂部存在隱伏溶洞的深埋隧道開(kāi)挖時(shí)，采用加強(qiáng)式襯砌結(jié)構(gòu)，可有效防治隧道頂部圍巖的塌方破壞。

(3) 在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)的影響下，頂部溶洞與隧道之間的中夾巖層發(fā)生剪切破壞，剪切破壞范圍隨著圍巖支護(hù)力q的增大而減小，隨著溶腔壓力T的增大而增大。同一參數(shù)作用下破壞范圍和安全系數(shù)的變化趨勢(shì)相反，說(shuō)明隱伏溶洞誘發(fā)隧道頂部圍巖塌落破壞是造成隧道安全系數(shù)下降的主要原因。