曹林衛(wèi)， 黃明利， 楊澤， 管強(qiáng)

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；3.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司， 重慶 400037)

中國(guó)巖溶分布廣泛，約占國(guó)土面積的1/3，在巖溶地層中修建隧道極易遭遇溶洞、暗河等不良地質(zhì)，突涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，不僅會(huì)導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失和項(xiàng)目進(jìn)度推遲，甚至?xí)斐扇藛T傷亡、隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞和惡劣的社會(huì)影響[1-5]。在高壓富水隱伏溶洞突涌水問(wèn)題研究中，隧道與隱伏溶洞間圍巖安全厚度及其穩(wěn)定性是研究的重點(diǎn)。隧道與隱伏溶洞間預(yù)留足夠安全厚度是預(yù)防突涌水災(zāi)害發(fā)生的有效手段。

郭佳奇等[6]采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法，建立了隧道與側(cè)部中、小尺度充填溶腔間巖柱安全厚度的預(yù)測(cè)模型。孫周[7]采用有限元軟件ADINA分析了影響安全距離的因素，在此基礎(chǔ)上，采用多元線性回歸的方法進(jìn)行擬合，得到了隧道與隱伏溶洞安全距離預(yù)測(cè)模型。張毅等[8]采用FLAC3D有限元軟件分析了溶腔大小、位置及壓力對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為溶腔會(huì)引起隧道施工過(guò)程圍巖收斂變形和應(yīng)力增大。高壇等[9]利用MIDAS GTS對(duì)武漢地鐵隧道與溶洞安全距離的影響因素進(jìn)行數(shù)值正交試驗(yàn)，確定了各因素對(duì)安全距離的影響規(guī)律，并采用非線性多元回歸分析建立了隧道與溶洞安全距離預(yù)測(cè)模型。郭瑞等[10]以大方隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬方法研究了溶洞位置、大小及其與隧道距離等因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響規(guī)律，認(rèn)為隧道穩(wěn)定性最不利的溶洞位置是隧道側(cè)部溶洞。陳禹成等[11]采用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行了隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律模擬，得到了不同位置隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的影響規(guī)律。管鴻浩[12]結(jié)合工程實(shí)踐，利用有限差分軟件研究了不同情況的側(cè)部充水溶洞對(duì)隧道圍巖位移的影響規(guī)律。綜上所述，相關(guān)研究都僅將隧道與隱伏溶洞間圍巖作為突涌水的防突層，尚沒(méi)有開(kāi)展在隧道平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖導(dǎo)致圍巖安全厚度不足情況下將圍巖+注漿結(jié)石體、襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖及其穩(wěn)定性的研究。

為此，針對(duì)新圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工穿越2#高壓富水溶洞工程實(shí)例，采用巖石真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件(realistic failure process analysis， RFPA)開(kāi)展隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值計(jì)算，揭示復(fù)合圍巖破裂突水災(zāi)變演化規(guī)律，探討不同厚度和類(lèi)型復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)的抗水壓能力，為新圓梁山隧道穿越2#溶洞合理選擇臨時(shí)二次襯砌參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

新圓梁山隧道由既有圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖修建而成，穿越毛壩向斜。毛壩向斜段隧道洞身附近發(fā)育有3個(gè)高壓富水充填型溶洞，其中2#溶洞具有溶洞規(guī)模大、水壓高、水量大、涌水與地表降雨關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)施工影響最大。新圓梁山隧道施工期間進(jìn)行洞內(nèi)水壓測(cè)試，正洞水壓為3.013 MPa，平行導(dǎo)洞水壓為2.016 MPa。在隧道YDK340+285～YDK340+395里程范圍對(duì)2#溶洞進(jìn)行鉆探探測(cè)，溶洞空間分布特征如圖1所示。利用三維精準(zhǔn)探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，通過(guò)軟件形象模擬2#溶洞發(fā)育情況，創(chuàng)建三維模型如圖2所示。

由圖1可以看出，YDK340+285～YDK340+335范圍溶洞主要分布在襯砌右側(cè)，距離平行導(dǎo)洞襯砌的最小距離為5 m，平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后，隧道可能揭穿側(cè)部溶腔；在YDK340+345～YDK340+395范圍，溶洞分布在襯砌周?chē)?，平行?dǎo)洞擴(kuò)挖后，隧道將穿越溶洞。由此可見(jiàn)，2 #溶洞段平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工將導(dǎo)致隧道與周邊隱伏溶洞間無(wú)剩余圍巖或圍巖安全厚度不足。隧道擴(kuò)挖施工存在極大地突涌水風(fēng)險(xiǎn)。

中數(shù)據(jù)為鉆探鉆孔與溶洞邊界相交時(shí)的長(zhǎng)度和鉆孔總長(zhǎng)度圖1 2#溶洞空間分布Fig.1 Distribution of no.2 karst cave

圖2 2#溶洞三維模型Fig.2 3D models of no.2 karst cave

在既有平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工過(guò)程中，保證隧道與溶洞之間圍巖(防突層)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。防突層厚度越大，其穩(wěn)定性越好。當(dāng)隧道與周邊溶腔間防突層厚度不足時(shí)，需進(jìn)行帷幕注漿加固，將圍巖與注漿結(jié)石體視作復(fù)合圍巖開(kāi)展抗水壓能力研究；對(duì)于擴(kuò)挖施工過(guò)程中隧道與溶腔間無(wú)圍巖情況，在雨季來(lái)臨前，為了安全起見(jiàn)，可根據(jù)需要先行施作臨時(shí)二次襯砌。此時(shí)，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖開(kāi)展抗水壓能力研究。目前，采用常規(guī)的力學(xué)分析方法難以解決上述工程問(wèn)題。數(shù)值分析方法因其具有適應(yīng)性強(qiáng)、能考慮各種復(fù)雜條件等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展較快，應(yīng)用十分廣泛。采用RFPA數(shù)值分析方法對(duì)隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力進(jìn)行研究。

2 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖破裂突水?dāng)?shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

假設(shè)平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后，隧道與側(cè)部隱伏溶腔間剩余3 m厚圍巖，此時(shí)圍巖安全厚度可能不足，需在平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖前對(duì)溶腔充填物進(jìn)行帷幕注漿加固。假設(shè)注漿加固厚度為5 m，平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后，將3 m厚圍巖與5 m厚的注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。將溶洞簡(jiǎn)化為含水空洞，考慮到平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖的影響范圍，數(shù)值計(jì)算模型寬度取為3倍洞徑，即計(jì)算模型尺寸為100 m×100 m。數(shù)值計(jì)算時(shí)不考慮泄水支洞和既有線的影響。數(shù)值計(jì)算模型按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，模型共劃分為400×400=160 000個(gè)單元。模型的上邊界和左右邊界處施加均布荷載邊界條件，下邊界施加豎直位移約束條件。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

p為豎向自重應(yīng)力；A、B、C、D為測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖3 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model for water pressure resistance of surrounding rock and grouting-reinforced rock mass

隧道埋深500 m，圍巖自重平均值為20 kN/m3，故外加均布荷載p為10 MPa。假定側(cè)壓力系數(shù)λ=1.5，隧道內(nèi)徑為10 m，平行導(dǎo)洞內(nèi)徑為5 m。模型均質(zhì)度m表征材料的均勻性，m值越大，材料的宏觀性質(zhì)就越均勻[13]，考慮到模型最小單元的尺寸為25 cm，可取m=80。巖石材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，故而使用修正后的庫(kù)侖準(zhǔn)則包含拉伸截?cái)嘧鳛閱卧茐牡膹?qiáng)度判據(jù)。

模型計(jì)算第一步為既有平行導(dǎo)洞注漿后穩(wěn)壓，含水空洞內(nèi)壁施加水壓荷載來(lái)模擬溶腔內(nèi)的水壓力作用。含水空洞初始水壓為0.1 MPa，單步增量為0.01 MPa。模型計(jì)算第二步為既有平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工。隨后將溶腔內(nèi)水壓逐步升高直到復(fù)合圍巖發(fā)生破裂突水為止。

2.2 參數(shù)選取

隧道穿越2#溶洞所處地層巖性主要為灰?guī)r。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣的試驗(yàn)結(jié)果，最終確定數(shù)值計(jì)算模型中圍巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

溶洞充填區(qū)裂隙發(fā)育，含有大量粉細(xì)砂和碎石，且以粉細(xì)砂為主。通過(guò)帷幕注漿可大幅度提高溶洞充填區(qū)的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力，從而提高溶腔充填物的穩(wěn)定性及承載能力。根據(jù)計(jì)算公式、研究結(jié)論及工程經(jīng)驗(yàn)，確定注漿結(jié)石體參數(shù)，如表2所示。

表1 圍巖參數(shù)Table 1 Parameters of surrounding rock

表2 注漿結(jié)石體參數(shù)Table 2 Parameters of grouting-reinforced rock mass

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 損傷模式分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，提取出典型步驟的應(yīng)力云圖，如圖4所示。可以看出，由于溶腔初始狀態(tài)有0.1 MPa水壓，既有平行導(dǎo)洞開(kāi)挖前及溶洞周邊分布著環(huán)狀應(yīng)力帶，此時(shí)溶腔與平行導(dǎo)洞間復(fù)合圍巖未出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展。在既有平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工后，隧道周邊應(yīng)力平衡被打破，出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，此外，復(fù)合圍巖中出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，最終在應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用下達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著溶洞內(nèi)水壓力的升高，在復(fù)合圍巖外層的注漿結(jié)石體萌生了一條微裂紋。隨著注漿結(jié)石體的應(yīng)力集中進(jìn)一步加大，一條宏觀裂紋不斷擴(kuò)展貫通至復(fù)合圍巖內(nèi)層的圍巖體。此時(shí)溶腔水壓通過(guò)裂隙作用于圍巖。隨著溶腔內(nèi)水壓力持續(xù)升高，最后，一條連接溶腔底部與隧道拱底的主裂紋擴(kuò)展貫通，復(fù)合圍巖整體向隧道內(nèi)部塌陷。

2.3.2 聲發(fā)射分析

巖石單元發(fā)生脆性破壞釋放的彈性能以聲發(fā)射的形式對(duì)外釋放，因此可以根據(jù)巖石的聲發(fā)射特性來(lái)觀察巖石破裂過(guò)程。加載過(guò)程典型加載步的聲發(fā)射圖如圖5所示。

不難看出，在平行導(dǎo)洞剛擴(kuò)挖成隧道后，復(fù)合圍巖并沒(méi)有出現(xiàn)破壞單元。隨后溶腔內(nèi)水壓不斷升高，當(dāng)溶腔內(nèi)水壓升高至1.0 MPa時(shí)，復(fù)合圍巖外層的注漿結(jié)石體開(kāi)始出現(xiàn)壓剪單元，受壓?jiǎn)卧姆植佳刂芮粌?nèi)向隧道方向擴(kuò)展。這一現(xiàn)象反映在最小主應(yīng)力圖上即為注漿結(jié)石體出現(xiàn)裂紋并且開(kāi)始從溶腔內(nèi)部向隧道方向擴(kuò)展。溶腔內(nèi)水壓進(jìn)一步升高導(dǎo)致注漿結(jié)石體上壓剪單元的數(shù)量激增，最

圖4 典型步驟應(yīng)力云圖Fig.4 Stress diagrams of typical steps

終注漿結(jié)石體發(fā)生受壓破壞。溶腔內(nèi)水壓沿著注漿結(jié)石體破裂的裂隙作用于復(fù)合圍巖內(nèi)層的圍巖體。緊接著，圍巖體出現(xiàn)了拉剪破壞單元。當(dāng)溶腔內(nèi)水壓達(dá)到2.2 MPa時(shí)，圍巖體形成的主裂紋主要是由拉剪性破壞導(dǎo)致的。

加載過(guò)程聲發(fā)射能量與溶腔水壓關(guān)系如圖6所示。

紅色表示此時(shí)受拉；白色表示此時(shí)受壓圖5 典型步驟聲發(fā)射圖Fig.5 Acoustic emission diagrams of typical steps

由圖6可知，每當(dāng)圍巖單元出現(xiàn)大的破壞時(shí)，都會(huì)有大量的聲發(fā)射能量和次數(shù)。因此，工程中可通過(guò)對(duì)巖體聲發(fā)射現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)或判斷圍巖的破壞情況。

2.3.3 位移分析

平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后，隧道內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生水平收斂，通過(guò)對(duì)圍巖收斂變形進(jìn)行檢測(cè)，可判斷圍巖的穩(wěn)定性。在圖1所示的數(shù)值計(jì)算模型中，于隧道內(nèi)部?jī)蓚?cè)分別設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A、B、C、D。不同測(cè)點(diǎn)水平收斂位移與溶腔水壓關(guān)系曲線如圖7所示。

可以看出，由于平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖卸荷造成應(yīng)力釋放，在平行導(dǎo)洞剛擴(kuò)挖時(shí)，A、B、C、D 4個(gè)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生一定的水平位移，靠近溶腔的B點(diǎn)的水平收斂位移最大，且之后B點(diǎn)位移均為最大。這說(shuō)明在巖溶區(qū)修建隧道，如果隧道施工中一側(cè)的水平收斂值一直大于另一側(cè)，此時(shí)應(yīng)該注意該側(cè)存在隱伏有壓溶洞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于A、C測(cè)點(diǎn)，由于其位置距離溶腔較遠(yuǎn)，受溶腔水壓影響較小，在平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后一直到隧道右側(cè)復(fù)合圍巖破壞，其測(cè)值基本穩(wěn)定不變。對(duì)于B、D測(cè)點(diǎn)，其位移曲線大致可以分為5個(gè)階段：緩慢增長(zhǎng)期、加速期、穩(wěn)定期、突躍期、劇增期。平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖初期，B、D兩點(diǎn)位移緩慢增加；在溶腔水壓達(dá)到1MPa時(shí)，B、D兩點(diǎn)位移突然增加，這與注漿結(jié)石體的破壞有關(guān)；而后測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)入穩(wěn)定期，期間位移幾乎不增加；當(dāng)溶腔內(nèi)水壓達(dá)到1.5 MPa時(shí)，B、D測(cè)點(diǎn)位移出現(xiàn)略微突增，在溶腔內(nèi)水壓達(dá)到2.2 MPa時(shí)，B、D兩點(diǎn)位移曲線進(jìn)入劇增期，說(shuō)明復(fù)合圍巖發(fā)生了破裂失穩(wěn)。因此，在巖溶隧道施工中，如果一側(cè)位移收斂出現(xiàn)加速發(fā)展的情況，應(yīng)警惕該側(cè)發(fā)生突涌水災(zāi)害的可能，應(yīng)盡快采取相應(yīng)的工程措施防止突涌水災(zāi)害發(fā)生。

圖7 測(cè)點(diǎn)水平位移與溶腔水壓關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of monitoring points’ horizontal displacements and water pressure in karst cave

3 防突層圍巖抗水壓能力分析

3.1 模擬工況

根據(jù)以往的計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)踐可知，當(dāng)隧道周邊存在隱伏溶洞時(shí)，隧道、隱伏溶洞洞徑的增大及隧道與溶洞之間距離的減少，都會(huì)導(dǎo)致隧道周邊距隱伏溶洞最近點(diǎn)的相對(duì)位移增大，其中隧道與隱伏溶洞的距離對(duì)隧道安全的影響最為顯著。研究巖溶區(qū)隧道與溶洞間的圍巖安全厚度，確保二者間圍巖的穩(wěn)定性對(duì)于保證巖溶區(qū)隧道施工及運(yùn)營(yíng)的安全具有重要意義。

針對(duì)新圓梁山隧道側(cè)面含隱伏溶腔，為研究隧道與溶洞間不同厚度圍巖的抗水壓能力，建立計(jì)算模型如圖8所示。圍巖厚度依次取為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m，模型開(kāi)挖方式、溶腔水壓施加方式及圍巖參數(shù)同上。

圖8 防突層圍巖抗水壓能力數(shù)值計(jì)算模型Fig.8 Numerical calculation model for water pressure resistance of inrush prevention surrounding rock

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)不同厚度圍巖的抗水壓能力進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果如表3所示，圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線如圖9所示。

表3 不同厚度圍巖抗水壓能力Table 3 Water pressure resistance of different thicknesses rock

圖9 圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve of rock thicknesses and water pressure resistance

由表3和圖9可知，圍巖厚度為1 m時(shí)只能抵抗0.15 MPa水壓，圍巖厚度為2 m時(shí)已經(jīng)能抵抗0.6 MPa水壓，是圍巖厚度為1 m時(shí)抗水壓能力的4倍。圍巖厚度增加至10 m時(shí)，抗水壓能力已經(jīng)達(dá)到3.1 MPa，抗水壓能力為1 m厚圍巖抗水壓能力的20倍。圍巖越厚，其抗水壓能力越強(qiáng)，且曲線斜率幾乎沒(méi)有改變。這一方面是因?yàn)閲鷰r越厚，其承載能力越大，另一方面是因?yàn)槿芮粚?duì)圍巖穩(wěn)定性的影響會(huì)隨著溶腔與隧道距離的增加而減弱。

4 圍巖+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力分析

4.1 模擬工況

防突層圍巖抗水壓能力研究結(jié)果顯示，如果需要抵抗3 MPa水壓，圍巖厚度需要達(dá)到10 m。當(dāng)新圓梁山隧道平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后圍巖厚度不足10 m時(shí)，如果需要抵抗3 MPa水壓力，則需對(duì)溶腔充填物進(jìn)行帷幕注漿加固，此時(shí)將開(kāi)挖后剩余圍巖與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。為研究圍巖+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖抗水壓能力，圍巖厚度依次取為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m。對(duì)于每種圍巖厚度，分別進(jìn)行不同帷幕注漿范圍數(shù)值模擬計(jì)算，注漿結(jié)石體厚度依次取為3、4、5、6、7、8、9、10 m。計(jì)算模型如圖3所示、開(kāi)挖方式、溶腔水壓施加方式、圍巖參數(shù)同上。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)圍巖+注漿結(jié)石體組成的不同厚度復(fù)合圍巖的抗水壓能力進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果如表4所示，復(fù)合圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線如圖10所示。

由表4和圖10可知，圍巖厚度越大，注漿結(jié)石體厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越高。注漿結(jié)石體厚度一定時(shí)，復(fù)合圍巖抗水壓能力隨著圍巖厚度增加而增加，其變化曲線可以分為3個(gè)階段：增長(zhǎng)期、平穩(wěn)期、加速期。圍巖厚度在3 m以?xún)?nèi)時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加明顯增大；當(dāng)圍巖厚度在3～4 m時(shí)，抗水壓能力增速減緩；當(dāng)圍巖厚度達(dá)到4 m以上時(shí)，抗水壓能力增加趨勢(shì)逐漸增大?？傮w而言，復(fù)合圍巖厚度越大，其抗水壓能力越強(qiáng)，且隨著復(fù)合圍巖厚度的增加，溶洞與隧道的距離越遠(yuǎn)，溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響越弱。當(dāng)圍巖厚度達(dá)到9 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力均已經(jīng)達(dá)到3.0 MPa以上。

表4 不同厚度復(fù)合圍巖抗水壓能力Table 4 Water pressure resistance of different thicknesses composite surrounding rock

圖10 復(fù)合圍巖厚度與抗水壓能力關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves of composite surrounding rock thicknesses and water pressure resistance

5 襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓能力分析

5.1 模擬工況

隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖有穩(wěn)定和支護(hù)作用，鐵路和公路隧道與水工隧洞不同，它還需要保持干燥無(wú)水的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。以新圓梁山隧道2#溶洞側(cè)部溶腔為例，當(dāng)平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖后與溶腔間無(wú)剩余圍巖時(shí)，只有注漿結(jié)石體抵抗溶腔內(nèi)水壓。在雨季時(shí)，溶腔內(nèi)水壓可能增高，突水風(fēng)險(xiǎn)增加。為安全起見(jiàn)，在擴(kuò)挖隧道輪廓外進(jìn)行帷幕注漿的同時(shí)，還需要先行施作臨時(shí)二次襯砌，此時(shí)將臨時(shí)二次襯砌+初期支護(hù)+注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖。對(duì)臨時(shí)二次襯砌+初期支護(hù)+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖的抗水壓能力進(jìn)行研究，建立數(shù)值計(jì)算模型如圖11所示。模型中注漿結(jié)石體厚度定為5 m，初期支護(hù)厚度為0.2 m，二次襯砌厚度依次取0、0.4、0.8、1.0、1.2 m。模型開(kāi)挖方式、溶腔水壓施加方式、圍巖參數(shù)同上。

模型中初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)采用等效剛度加權(quán)平均法計(jì)算。密度和彈性模量的等效計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：ρsteel、ρcon、ρe分別為鋼筋密度、混凝土密度和襯砌結(jié)構(gòu)的等效密度；Asteel、Acon、Atotal分別為鋼筋斷面面積、混凝土斷面面積和襯砌結(jié)構(gòu)斷面總面積；Esteel、Econ、Ee分別為鋼筋彈性模量、混凝土彈性模量和襯砌結(jié)構(gòu)的等效彈性模量。

圖11 襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體復(fù)合圍巖抗水壓數(shù)值計(jì)算模型Fig.11 Numerical calculation model for water pressure resistance of lining structure and grouting-reinforced rock mass

初期支護(hù)為網(wǎng)噴20 cm厚的CF25鋼纖維混凝土，然后使用H200型鋼架支護(hù)，鋼架在縱向的間隔為50 cm；二次襯砌為C30混凝土。支護(hù)結(jié)構(gòu)換算后計(jì)算參數(shù)如表5所示。

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of support structure

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)不同二次襯砌厚度下復(fù)合圍巖的抗水壓能力進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果如表6所示。二次襯砌厚度與復(fù)合圍巖的抗水壓能力關(guān)系如圖12所示。

相關(guān)研究結(jié)果顯示[14]，隧道外5 m厚注漿結(jié)石體的抗水壓能力為0.35 MPa。由表6和圖12可知，在隧道外圍注漿結(jié)石體厚度為5 m情況下，只施作初期支護(hù)，就可使復(fù)合圍巖抗水壓能力從0.35 MPa提高至0.68 MPa，為原抗水壓能力的1.94倍；當(dāng)隧道施作0.4 m厚的臨時(shí)二次襯砌結(jié)構(gòu)后，復(fù)合圍巖的抗水壓能力已經(jīng)達(dá)到1.51 MPa。由此可見(jiàn)，初期支護(hù)和二次襯砌的施作可以極大地提高隧道結(jié)構(gòu)和注漿加固圈的抗水壓能力，并且襯砌厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越強(qiáng)。當(dāng)二次襯砌厚度達(dá)到1.2 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力可提高至4.44 MPa。

表6 不同二次襯砌厚度下復(fù)合圍巖抗水壓能力Table 6 Water pressure resistance of composite surrounding rock under different secondary lining thicknesses

圖12 二次襯砌厚度與復(fù)合結(jié)構(gòu)抗水壓能力關(guān)系圖Fig.12 Relation curve of secondary lining thicknesses and water pressure resistance of composite structure

6 結(jié)論

結(jié)合新圓梁山隧道工程背景，開(kāi)展了隧道與溶洞間復(fù)合圍巖抗水壓能力數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論。

(1)針對(duì)平行導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工導(dǎo)致隧道與溶洞間圍巖安全厚度不足的情況，將圍巖與注漿結(jié)石體視為復(fù)合圍巖，獲取了水壓加載過(guò)程中復(fù)合圍巖應(yīng)力、聲發(fā)射和位移變化特征：復(fù)合圍巖破壞分為兩個(gè)階段，首先是外層注漿結(jié)石體裂紋萌生、擴(kuò)展直至破壞，隨后水壓力直接作用在內(nèi)層圍巖上；在注漿結(jié)石體破壞和圍巖破壞時(shí)均出現(xiàn)大量聲發(fā)射現(xiàn)象；靠近溶洞側(cè)圍巖水平位移變化最大，具有緩慢增長(zhǎng)期、加速期、穩(wěn)定期、突躍期、劇增期5個(gè)階段。

(2)僅有圍巖作為防突層時(shí)，防突層的抗水壓能力隨著圍巖厚度的增加呈近似線性增加，當(dāng)圍巖厚度達(dá)到10 m時(shí)，其抗水壓能力達(dá)到3.1 MPa。

(3)對(duì)于圍巖+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖，圍巖厚度越大，注漿結(jié)石體厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越高。注漿結(jié)石體厚度一定時(shí)，圍巖厚度小于3 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加明顯增大，當(dāng)圍巖厚度在3～4 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨圍巖厚度增大增加趨勢(shì)放緩；當(dāng)圍巖厚度大于4 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力隨著圍巖厚度增加快速增加。當(dāng)圍巖厚度為9 m時(shí)，不同厚度注漿結(jié)石體的復(fù)合圍巖的抗水壓能力均大于3.0 MPa。

(4)對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)+注漿結(jié)石體組成的復(fù)合圍巖，在注漿結(jié)石體厚度保持不變時(shí)，施作初期支護(hù)和二次襯砌均能顯著提升復(fù)合圍巖抗水壓能力。當(dāng)注漿結(jié)石體厚度為5 m時(shí)，僅施作初期支護(hù)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力提升近1倍；二次襯砌厚度越大，復(fù)合圍巖的抗水壓能力越強(qiáng)；當(dāng)二次襯砌厚度達(dá)到1.2 m時(shí)，復(fù)合圍巖的抗水壓能力可提高至4.44 MPa，為新圓梁山隧道穿越2 #溶洞施工合理選擇臨時(shí)二次襯砌參數(shù)提供了依據(jù)。