叙（永）大（村）铁路某高压充水溶洞隧道安全厚度数值模拟

周 毅 ，邓 辉 ，徐 静

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 6 10059）

0 引言

岩溶是在可溶岩区隧道工程建设中一种常见的地质灾害之一［1］。目前的研究主要还是集中在溶洞对隧道围岩形态变化和围岩变形破坏机理的研究，以及隧道四周存在溶洞时隧道稳定性的研究这两个方面［2-9］。对于隧道前方存在高压充水溶洞时，隧道施工稳定性及安全厚度确定方面的用数值模拟方法进行系统的研究尚未见报道。基于目前研究现状，本文以叙（永）大（村）铁路某岩溶隧道为工程背景进行研究。

1 工程概况

隧道所在位置为泸州市古蔺县石屏乡，交通较为不便。该区属低山—低中山区构造剥蚀地貌，斜坡沟谷、山间凹地地形，山高谷深，地形起伏较大，相对高差约300m，植被发育，人烟稀少，岩溶地貌特征明显，地表溶蚀严重，多见溶蚀洼地，溶洞、暗河发育较多，相互连接，形成一个庞大的地下水径流系统。

区域温暖潮湿，雨量充沛，区内沟槽及冲沟较发育，地表径流多为季节性流水，旱季多断流，少量沟槽、鱼塘及水库虽常年有水，但水量受季节影响变化大，主要由大气降水补给。

区内地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层（Qal+pl4），第四系全新统残坡积层（Qdl+el4），志留系下统龙马溪、石牛栏组（S1l+s）页岩、灰岩地层，奥陶系中上统（O2+3）灰岩地层，奥陶系下统湄潭组（O1m）页岩、灰岩地层。

隧道地段位于古蔺复式背斜北西翼，断裂构造发育，全线共穿过四条断层。

区域地下水类型主要有松散岩土类孔隙型潜水，岩溶水和基岩裂隙水，均主要大气降水补给。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

根据文献［10］叙大铁路某隧道施工图和文献［11］叙大铁路隧道衬砌断面及钢架支护参考图，该岩溶隧道最大埋深为348m，隧道断面高度为6.6m，断面宽度为5.2m，隧道衬砌厚度为30cm。充水溶洞被简化为一个半径为5.9m的球形体。根据文献［12］地下洞室围岩范围大约为其横断面最大尺寸的3～5倍，因此，我们取模型剖面尺寸为：-25m≤x≤25m，-25m≤z≤25m，-27m≤y≤16m，数值计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型断面图Fig.1 Sectional view of the numericalmode

2.2 材料参数选取

模型中围岩采用理想弹塑性材料；开挖采用了Null模型；衬砌支护喷射混凝土层采用实体单元，弹性本构模型；计算过程中采用了FLAC3D提供的Mohr-Coulomb强度准则；初始应力场按自重应力场施加。围岩及支护结构的物理力学参数见表1。

表1 围岩及支护结构的物理力学参数表Table 1 Parameter value of surrounding rock and supporting structure

2.3 模型求解

本次模拟Ⅲ级围岩在充水溶洞水压为2MPa（200m水柱）条件下隧道开挖过程，确定隧道安全厚度，具体过程如下：

（1）边界条件和初始应力的确定。模型四周除顶部边界均施加法向约束，顶部表面施加上部岩体自重应力，溶洞内表面作用2MPa法向水压，计算模型在自重应力作用下的初始应力状态。

（2）隧道开挖。计算开始时，隧道掌子面距高压溶洞21.1m，隧道沿Y轴正方向开挖，前面部分采用全断面开挖，每次进尺3m，每次开挖后马上进行支护，再进行下次开挖，临近溶洞部分开挖尺寸有所减少，每次进尺0.5m，直至隧道围岩失稳破坏。图2为所模拟隧道围岩在破坏失稳前一施工步其沿隧道轴线（Y轴方向）方向上的位移云图。此时掌子面距溶洞1.1m，从图上可看到此时隧道掌子面中心处沿隧道轴线上的位移量最大，可达10.0mm。

图2 围岩在破坏前一施工步Y轴向位移云图Fig.2 Y axis displacement contour of surrounding rock before broken

（3）确定此种情况下临近有压溶洞隧道围岩的安全厚度。图3为模型开挖至溶洞前0.6m处，计算时步为58760时，围岩沿隧道轴线方向上的位移云图，从图上可以清楚地看到掌子面中心处沿隧道轴线上的位移已达1.4m，与上一计算步骤相比，其位移量巨增，达两个数量级，并且计算步骤不收敛，因此可以认为此时隧道围岩已失稳破坏。从而确定了此种情况下隧道最小安全厚度为1.1m。

图3 围岩在破坏时Y轴向位移云图Fig.3 Y axis displacement contour of surrounding rock when broken

3 模拟结果及分析

采用上述方法，作者对不同围岩级别（分别为Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩），不同水压条件下隧道安全厚度进行了模拟，确定了不同情况下隧道最小安全厚度值（表2）。

表2 掌子面安全厚度数值模拟值表Table 2 Safe thickness value of working face

3.1 不同围岩条件下隧道安全厚度变化规律

从表2中可以清楚的看到，在水压相同的条件下，随着围岩级别的变差，岩体力学强度降低，岩体更容易破坏，隧道安全厚度值增大；溶洞水压越大，这种变化更加剧烈，如1MPa水压时，Ⅴ级围岩比Ⅳ级围岩条件下安全厚度增加了约0.5m，而在4MPa水压时，其增量竟达3m。

3.2 不同水压条件隧道安全厚度变化规律

表中数据表明相同的围岩级别条件下，水压的增大对隧道应力的影响较大，较大的应力促使围岩更容易破坏，隧道安全厚度值变大；围岩级别越差，安全厚度的变化越明显。图4为同围岩级别条件下安全厚度与溶洞水压的关系曲线。

图4 同围岩条件安全厚度与溶洞水压的关系曲线Fig.4 Relationship curve between safe thickness and water pressure under same surrounding rock condition

从图4可见，隧道安全厚度值随着水压的增大而不均匀的增加，两者的关系近似于对数关系。

综上所述，围岩级别的降低，水压的增大都会增大隧道安全厚度，在两者对其的影响作用中又以水压的影响更为突出，当溶洞水压增大时，隧道安全厚度的增加量较围岩变差时其增量变化更大。

4 结论

通过用FLAC有限差分方法模拟高压充水岩溶隧道安全厚度，得到了一些认识，形成结论如下：

（1）围岩级别和溶洞水压都影响着隧道安全厚度的取值，围岩级别的不同通过岩体强度参数的高低来影响安全厚度，围岩级别越低，安全厚度越大；而溶洞水压通过影响岩体应力来影响安全厚度，水压越大，安全厚度越大。

（2）从安全厚度值表中可以发现，隧道安全厚度对围岩级别和溶洞水压这两种因素的敏感程度不同，其对前者的敏感程度不如后者，因此，在实际工作中，如果已知溶洞水压属高水压力时，施工中更要注意。

（3）值得一提的是本文中模型在模拟过程中，当围岩破坏前几个时步起我们采用的是0.5m/次的开挖进尺量，实际施工中一般会更大些，在更大的进尺过程中，由于围岩应力剧烈变化，应变来不及跟上应力的变化而导致围岩提早破坏，因此，实际隧道施工安全厚度的尺度将增大。

［1］徐则民，黄润秋.深埋特长隧道及其施工地质灾害［M］.成都：西南交通大学出版社，2000.XU Zeming，HUANG Runqiu.Deep buried long tunnel and its construction geology disaster［M］.Chengdu：Southwest Jiao Tong University Press，2000.

［2］赵明阶，敖建华.隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析［J］.重庆交通学院学报，2003，22（2）：22-25.ZHAO Mingjie，AO Jianhua.Study on deformation character of the surrounding rock masses concerning the influence of karst caves in the bottom of tunnel［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，2003，22（2）：22-25.

［3］王勇，孙彩红.隧道底部溶洞顶板安全厚度预测模型［J］.公路，2006，5 ：228-232.WANG Yong，SUN Caihong.Forecasting model of safe thickness for roof of karst cave under highway tunnel［J］.Highway，2006，5：228-232.

［4］臧守杰.强岩溶区隧道施工中隧底最小安全厚度分析研究［J］.隧道建设，2007，27（5）：17-19.ZANG Shoujie.Theoretical study on minimum safe thick-Ness of floors of tunnels in heavy karst areas during construction［J］.Tunnel Construction，2007，27（5）：17-19.

［5］蒋颖.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析［J］.铁道标准设计，2009（9）：67-70.JIANG Ying.Numerical analysis on influence of karat cave distribution an stability of tunnels railway［J］.Standard Design，2009（9）：67-70.

［6］黄明利，王飞，路威，等.隧道开挖诱发富水有压溶洞破裂突水过程数值模拟［J］.中国工程科学，2009，11（12）：93-96.HUANG Mingli，WANG Fei，LU Wei，et al.Numerical study on the process of water inrush in karst caves with hydraulic pressure caused by tunnel excavation［J］.Engineering Sciences，2009，11（12）：93-96.

［7］郭佳奇，乔春生，曹茜.侧部高压富水溶腔与隧道间岩柱安全厚度的研究［J］.现代隧道技术，2010，47（6）：10-16.GUO Jiaqi，QIAO Chunsheng，CAO Qian.Research on safe thickness of rock pillar between the tunnel and adjacent karst cave with pressurised water［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47（6）：10-16.

［8］孙谋，刘维宁.高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究［J］.岩土力学，2011，32（4）：1176-1180.SUN Mou，LIUWeining.Research on water inrush mechanism induced by karst tunnel face with high risk［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（4）：1176-1180.

［9］张会远，穆静静.岩溶区大断面隧道突泥突水的防治［J］.铁道建筑，2009（6）：49-51 ZHANG Huiyuan，MU Jingjing.Prevention and treatment of the water and mud bursting happened in large cross section tunnels in karst［J］.Railway Engineering，2009（6）：49-51.

［10］中国中铁二院工程集团有限责任公司.叙大铁路某隧道施工图［R］.重庆：中国中铁二院工程集团有限责任公司，2011.China Railway Eryuan Engineering Group CoMpany.Construction drawing of some tunnel in Xuda railway tunnel［R］.Chongqi：China Railway Eryuan Engineering Group CoMpany，2011.

［11］中国中铁二院工程集团有限责任公司.叙大铁路隧道衬砌断面及钢架支护参考图［R］.重庆：中国中铁二院工程集团有限责任公司，2010.China Railway Eryuan Engineering Group Company.The lining section and steel frame for supporting map for reference in Xuda railway tunnel［R］.Chongqi：China Railway Eryuan Engineering Group CoMpany，2010.

［12］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，1994.ZHANG Zhuoyuan，WANG Shitian，WANG Lansheng.Analysis principle of engineering geology［M］.Beijing：Geological Press，1994.