林裕

摘?要：承壓溶洞作為典型不良地質(zhì)條件，在隧道近接其施工時，容易因為地層滲流的增加及塑性區(qū)的發(fā)展，產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害，威脅到隧道施工安全。以金巖隧道工程為例，采用數(shù)值模擬手段，研究了近接不同位置（拱頂、邊墻、拱底）承壓溶洞時，地層及隧道結(jié)構(gòu)的位移與滲流特點。結(jié)果表明：溶洞位于拱頂、邊墻、拱底的地表最大沉降分別為3.10?cm、3.00?cm、2.93?cm。說明當(dāng)拱頂存在溶洞時，地表變形最為危險，而拱底溶洞對隧道施工產(chǎn)生的地層擾動影響最?。浑S著向掌子面的靠近，地層滲流速度逐漸提高，且在臨近掌子面時流速呈現(xiàn)陡增形態(tài)。3種工況中流速極值分別為0.026?cm/s、0.027?cm/s?、0.030?cm/s，拱底流速最大，這是因為拱底溶洞埋深最大，溶洞壓力水頭最大所導(dǎo)致。當(dāng)承壓溶洞臨近隧道邊墻時，地層塑性區(qū)向溶洞貫通，再結(jié)合地層滲流分布，可見此工況最容易發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：承壓溶洞?隧道施工?流固耦合?塑性區(qū)?突水突泥

中圖分類號：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

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展，越來越多的交通網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)入地下。隧道作為地下交通的主體結(jié)構(gòu)，其建設(shè)安全十分重要。然而，我國幅員遼闊，多種地質(zhì)條件孕育，隧道施工期的突水突泥、巖爆、塌方等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，造成人員傷亡及國家財產(chǎn)損失[1-3]。

溶洞一般認為是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的天然地下空間，是巖溶隧道中最常見的不良地質(zhì)條件。隧道的施工會造成地層擾動，當(dāng)溶洞近接隧道時，可能會因此引發(fā)突水突泥災(zāi)害，大量泥水涌入隧道內(nèi)部，危害施工現(xiàn)場安全。當(dāng)隧道埋深較大且有隱伏溶洞發(fā)育時，近接溶洞的水壓較高，承壓溶洞更容易擊穿隔水巖體，造成工程事故[4]。因此，當(dāng)深埋隧道近接承壓溶洞時，需要進行特別分析。

在隧道近接溶洞施工方面，國內(nèi)外學(xué)者針對溶洞大小、位置等開展了大量研究。劉道炎等人[5]應(yīng)用物探法和電磁波CT法勘察了區(qū)間隧道的溶洞分布特征，并采用有限元手段研究了隧道下側(cè)溶洞對不同埋深的盾構(gòu)隧道施工受力特征的影響。趙勇[6]采用彈性力學(xué)理論對盾構(gòu)隧道與隱伏溶洞直接的安全距離開展研究，結(jié)果表明：運用尖點突變模型獲得的結(jié)果精度較高。張曉景等人[7]采用PFC2D離散元數(shù)值模擬手段，對隧道施工過程中拱頂溶洞的影響開展研究，給出了圍巖變形特征及最終破壞形態(tài)，結(jié)果表明：施工期裂紋首先出現(xiàn)在溶洞底部以及隧道拱頂。張旭[8]以鐵路隧道溶洞施工的主要原則為出發(fā)點，給出了適用于鐵路隧道近接溶洞的施工處理技術(shù)與方案。房忠棟等人[9]采用COMSOL數(shù)值分析軟件，研究了深埋巖溶隧道的開挖與突水過程，結(jié)果指出對隔水巖體最小安全厚度影響最為顯著的是溶洞水壓力，影響最小的是隧道跨度。汪祥國[10]以江西萍蓮高速公路蓮花隧道為工程背景，研究了溶洞不同位置、不同距離以及不同扁平率等條件下，大跨隧道開挖時地表沉降特征。姜波等人[11]通過數(shù)值模擬手段，探討了富水溶洞不同位置、不同水壓力下隧道的襯砌內(nèi)力，并對不同工況的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)開展分析，結(jié)果指出襯砌結(jié)構(gòu)安全性與溶洞位置關(guān)系密切。

相對于數(shù)值模擬，模型試驗可以更好的明確富水環(huán)境下隧道結(jié)構(gòu)的施工與受力特點。潘冬冬等人[12]利用自主研發(fā)的大型三維流固耦合模型試驗系統(tǒng)，針對強充填滯后型溶洞突水孕災(zāi)模式開展了試驗研究，揭示了承壓溶洞突水過程位移、應(yīng)力及滲壓的變化規(guī)律。周輝等人[13]利用自行設(shè)計研制的鹽巖裂隙滲流-溶解耦合試驗裝置對特定條件下的鹽巖裂隙滲流-溶解耦合過程進行試驗研究，并應(yīng)用鹽巖裂隙滲流-溶解耦合模型進行模擬分析與驗證。王克忠等人[14]結(jié)合錦屏二級水電站引水隧洞工程，對高滲透壓下深埋引水隧洞進行施工過程的物理模擬，試驗結(jié)論為引水隧洞的防滲施工技術(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。李術(shù)才等人[15]基于流固耦合模型試驗的現(xiàn)狀及存在的問題，探討了突涌水物理模擬的關(guān)鍵技術(shù)，研制了新的流固耦合實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下工程突涌水的精細化模擬。

綜上可見，目前研究多集中于近接隱伏溶洞的空間位置、大小以及距離等對隧道施工的影響，而對近接承壓溶洞的隧道施工考慮不足。深埋隧道所處位置環(huán)境復(fù)雜，水壓較高，需要考慮含水承壓溶洞所處位置對隧道施工的影響。基于此，本文依托G59呼北高速張家界至官莊段金巖隧道開展數(shù)值模擬，研究了高水壓作用下隧道的變形特征及地層的滲流特點，以期為類似工程提供參考。

1??工程背景

金巖隧道位于張家界市永定區(qū)金巖鄉(xiāng)，張家界端進口洞門位于樂元新村東側(cè)通村公路邊，交通條件較好，官莊端出口洞門位于巖塌村西北側(cè)，距通村路約220?m，交通條件較差。隧道區(qū)屬溶蝕丘陵地貌，山體形態(tài)不規(guī)則，山脈走向大致呈北東南西向，洞身橫穿山體。

結(jié)合地質(zhì)勘察，本工程的地層主要有第四系更新統(tǒng)、寒武系中統(tǒng)敖溪組、寒武系下統(tǒng)清虛洞組以及寒武系下統(tǒng)耙榔組等。其中，對于寒武系下統(tǒng)清虛洞組，其構(gòu)成主要為泥質(zhì)灰?guī)r，具水平條帶狀構(gòu)造，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，隧道周邊區(qū)域該套地層中發(fā)育廳堂式樣溶洞，巖溶較強烈。當(dāng)?shù)亟邓^多，易在地層中產(chǎn)生巖溶管道，形成承壓溶洞（圖1）。

考慮到近接承壓隱伏溶洞對隧道施工的危險性，在此采用數(shù)值模擬手段，研究不同位置承壓溶洞對地層變形及滲流的影響。

2??數(shù)值模型

在此建立近接不同位置承壓溶洞（拱頂、拱腰、拱底）的隧道開挖流固耦合數(shù)值模型，以明確結(jié)構(gòu)的危險區(qū)。

2.1??流固耦合計算原理

為模擬多孔介質(zhì)中流體的運動，滲流方程以Darcy定律為依據(jù)，流固耦合過程遵循Boit固結(jié)理論，通過空隙壓力的變化引起地層物理場的改變[12]。

在流體密度考慮為常量的情況下，對于各向同性的均質(zhì)巖土材料，流體運動方程如下：

式（1）中，為巖土體的滲透系數(shù)；為流體密度；為重力加速度分量。

對于小變形巖土體，流體質(zhì)點平衡方程為

式（2）中，為滲流速度；為單位體積內(nèi)流體強度；為單位體積內(nèi)流體體積變化量，

式（3）中，M為Biot模量；P為孔隙水壓力；為體積應(yīng)變。利用動態(tài)平衡的形式可以表述為

式（4）中，為體積密度。

對于線彈性巖土體本構(gòu)模型，體積應(yīng)變的改變會引起孔隙壓力發(fā)生變化，同時孔隙壓力變化也會導(dǎo)致體積應(yīng)變發(fā)生改變，其有效應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系如下：

式（5）中，為初始應(yīng)力；為初始孔隙水壓力；分別為巖土材料的體積模量和剪切模量；為應(yīng)變張量。

描述巖土體應(yīng)變率與速度梯度之間關(guān)系的相容方程為

式（6）中，為速度張量；為應(yīng)變速率。

在流固耦合計算過程默認邊界為不透水邊界，透水邊界的外法線流速分量表述如下：

式（7）中，為滲透系數(shù)；為邊界面處的孔隙水壓力；?為滲流出口處的孔隙水壓力。

2.2??數(shù)值模型的建立

基于流固耦合計算原理，以金巖隧道為工程背景，采用有限元軟件Midas/GTS建立考慮承壓溶洞與隧道不同位置關(guān)系的流固耦合有限元模型（如圖2所示）。

其中，有限元模型的長×寬×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，高跨比為0.8，襯砌厚度0.45?m。模型采用混合網(wǎng)格剖分，總計單元18.4萬個，節(jié)點4.1萬個。為了分析不同位置承壓溶洞對隧道施工的影響，共設(shè)立3種工況，即溶洞分別位于隧道拱頂（工況一）、左邊墻（工況二）以及拱底（工況三）。溶洞直徑為7.38?m，即0.6倍隧道跨度；溶洞與隧道距離為2.46?m，即0.2倍隧道跨度。地層采用摩爾庫倫本構(gòu)，襯砌采用線彈性本構(gòu)。根據(jù)地勘報告，有限元模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

對于模型的應(yīng)力場，其邊界條件為：約束模型的底部及側(cè)面的法向位移，地表為自由面。對于模型的滲流場，其邊界條件為：模型的地表為透水邊界，底部及側(cè)面為不透水邊界。溶洞內(nèi)部水壓依照與地表距離而定。當(dāng)隧道開挖時，在隧道輪廓面及掌子面上設(shè)定為透水邊界，且壓力水頭為0。

數(shù)值計算中，首先為溶洞輪廓線上施加總水頭，然后進行初始滲流場和地應(yīng)力場分析。每開挖一個進尺，改變隧道輪廓線和掌子面上邊界條件與壓力水頭，并計算開挖后的滲流場和應(yīng)力場?？紤]到當(dāng)隧道掘進至溶洞側(cè)面時，隧道開挖輪廓與溶洞距離最近，此時隧道最為危險。因此隧道開挖過程中采用循環(huán)進尺，前一工序掘進開挖，后一工序施工隧道襯砌，直至施工至溶洞周邊。

3?計算結(jié)果分析

3.1??地表位移分析

對于不同工況，在模型中部，提取地表沿縱向及橫向的豎向位移，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，對于地表橫向位移，3種工況均呈現(xiàn)漏斗形的單凹槽沉降。其中，對于溶洞在拱頂與拱底兩種工況，由于溶洞與隧道為對稱結(jié)構(gòu)，地表沉降槽也呈對稱分布。而對于溶洞在邊墻工況，地表沉降槽明顯向溶洞方向傾斜。對于地表縱向沉降，從邊界處向地表中心逐漸增加，這是因為開挖初期對地層擾動較小，且地層滲流不明顯。隨著開挖的深入，地層開挖體積逐漸增加，地層擾動增加。同時，隨著臨近近接溶洞，地層滲流增加，地表沉降愈加明顯。

就地表沉降數(shù)值而言，溶洞位于拱頂、邊墻、拱底的地表最大沉降分別為3.10?cm、3.00?cm、2.93?cm。說明當(dāng)拱頂存在溶洞時，地表變形最為危險，而拱底溶洞對隧道施工產(chǎn)生的地層擾動最小。

3.2??地層滲流分析

提取地層拱頂、左邊墻、拱底、右邊墻各處的滲流速度，從洞口至掌子面處沿縱向繪制滲流分布曲線，如圖4所示。

由圖4可見，在臨近隧道洞口時，地層滲流速度較低。從洞口至掌子面，地層滲流速度初始變化較小，滲透速度基本呈線性分布。隨著向掌子面的靠近，滲流速度逐漸提高，且在臨近掌子面時流速呈現(xiàn)陡增形態(tài)。

統(tǒng)計不同工況不同位置的地層滲流速度極值，如圖5所示。

從不同工況流速極值來看，溶洞的位置會極大地影響所在區(qū)域地層流速，即當(dāng)溶洞位于拱頂時，隧道拱頂?shù)貙恿魉僮畲?；溶洞位于左?cè)邊墻時，臨近左側(cè)邊墻地層流速最大，且右側(cè)邊墻處地層流速較小；溶洞位于拱底時，拱底地層流速最大。此外，3種工況中流速極值分別為0.026?cm/s、0.027?cm/s、0.029?cm/s，拱底存在溶洞時地層流速最大。這是因為拱底溶洞埋深最大，導(dǎo)致溶洞壓力水頭最大所導(dǎo)致的。

此時，在臨近溶洞的地層開挖面處，滲流場分布如圖6所示。

由圖6可見，在隧道外輪廓開挖后，由于開挖邊界上壓力水頭為0，則流體從溶洞內(nèi)向隧道內(nèi)流動。流體總是沿著最短路徑向隧道內(nèi)流入，且會影響整個隧道的開挖輪廓。即近接溶洞處的隧道外輪廓地層流速最大，但遠離溶洞的隧道其他區(qū)域依然有流體滲入。

3.3??地層塑性區(qū)

提取隧道開挖完成后的地層塑性區(qū)，如圖7所示。

由圖7可見，在臨近溶洞位置的隧道外輪廓開挖完成后，隧道邊墻、拱腳等位置均出現(xiàn)塑性區(qū)。對于工況一，隧道拱頂上方無塑性區(qū)出現(xiàn)，拱頂?shù)貙虞^為安全。對于工況三，拱底有塑性區(qū)產(chǎn)生，但未貫通至拱底溶洞。對于工況二，隧道左側(cè)塑性區(qū)較大，且與溶洞貫通。參考不同工況的地層滲流場，可見當(dāng)承壓溶洞近接隧道邊墻時，貫通的地層塑性區(qū)與高滲流場同時存在，此時存在突水突泥的風(fēng)險。

4?結(jié)論

本文以金巖隧道為工程背景，研究了流固耦合條件下近接承壓溶洞對深埋隧道施工的影響。本文采用有限元模擬手段，分別考慮了拱底、邊墻以及拱底存在承壓溶洞時，地表沉降、地層滲流以及地層塑性區(qū)的分布特征，所得結(jié)論如下。

（1）沿地表橫向，3種工況均呈現(xiàn)漏斗形的單凹槽地表沉降。當(dāng)溶洞近接隧道邊墻時，地表沉降槽明顯向溶洞方向傾斜。沿地表縱向，地表豎向沉降從邊界向地表中心逐漸增加，這是因為隨著開挖的深入，地層開挖體積逐漸增加，地層擾動加劇。同時，隨著臨近近接溶洞，地層滲流增加，地表沉降愈加明顯。

（2）溶洞位于拱頂、邊墻、拱底的地表最大沉降分別為3.10?cm、3.00?cm、2.93?cm。說明當(dāng)拱頂存在溶洞時，地表變形最為危險，而拱底溶洞對隧道施工產(chǎn)生的地層擾動最小。

（3）在臨近洞口段時，地層滲流速度較低。從洞口至掌子面，地層滲流速度初始變化較小，滲透速度基本呈線性分布。隨著向掌子面的靠近，滲流速度逐漸提高，且在臨近掌子面時流速呈現(xiàn)陡增形態(tài)。3種工況中流速極值分別為0.026?cm/s、0.027?cm/s、0.030?cm/s，拱底流速最大。這是因為拱底溶洞埋深最大，溶洞壓力水頭最大所導(dǎo)致的。

（4）隧道的開挖會形成塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布在隧道邊墻兩側(cè)，拱頂及拱底較少。其中，當(dāng)隧道邊墻處存在承壓溶洞時，地層塑性區(qū)向溶洞貫通，再結(jié)合滲流場分布特征，可見此處容易發(fā)生突水突泥災(zāi)害。

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