林裕

摘?要：承壓溶洞作為典型不良地質條件，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，產生突水突泥災害，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，地層及隧道結構的位移與滲流特點。結果表明：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生的地層擾動影響最??；隨著向掌子面的靠近，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致。當承壓溶洞臨近隧道邊墻時，地層塑性區(qū)向溶洞貫通，再結合地層滲流分布，可見此工況最容易發(fā)生突水突泥災害。

關鍵詞：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

隨著我國交通建設的發(fā)展，越來越多的交通網絡轉入地下。隧道作為地下交通的主體結構，其建設安全十分重要。然而，我國幅員遼闊，多種地質條件孕育，隧道施工期的突水突泥、巖爆、塌方等地質災害時有發(fā)生，造成人員傷亡及國家財產損失[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條件。隧道的施工會造成地層擾動，當溶洞近接隧道時，可能會因此引發(fā)突水突泥災害，大量泥水涌入隧道內部，危害施工現(xiàn)場安全。當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，國內外學者針對溶洞大小、位置等開展了大量研究。劉道炎等人[5]應用物探法和電磁波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溶洞對不同埋深的盾構隧道施工受力特征的影響。趙勇[6]采用彈性力學理論對盾構隧道與隱伏溶洞直接的安全距離開展研究，結果表明：運用尖點突變模型獲得的結果精度較高。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力，并對不同工況的結構安全系數(shù)開展分析，結果指出襯砌結構安全性與溶洞位置關系密切。

相對于數(shù)值模擬，模型試驗可以更好的明確富水環(huán)境下隧道結構的施工與受力特點。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模式開展了試驗研究，揭示了承壓溶洞突水過程位移、應力及滲壓的變化規(guī)律。周輝等人[13]利用自行設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，試驗結論為引水隧洞的防滲施工技術設計提供理論依據。李術才等人[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鍵技術，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，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。

結合地質勘察，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，其構成主要為泥質灰?guī)r，具水平條帶狀構造，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?shù)亟邓^多，易在地層中產生巖溶管道，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，以明確結構的危險區(qū)。

2.1??流固耦合計算原理

為模擬多孔介質中流體的運動，滲流方程以Darcy定律為依據，流固耦合過程遵循Boit固結理論，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，流體質點平衡方程為

式（2）中，為滲流速度；為單位體積內流體強度；為單位體積內流體體積變化量，

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模型，體積應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致體積應變發(fā)生改變，其有效應力和應變的關系如下：

式（5）中，為初始應力；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；為應變張量。

描述巖土體應變率與速度梯度之間關系的相容方程為

式（6）中，為速度張量；為應變速率。

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，襯砌采用線彈性本構。根據地勘報告，有限元模型的物理力學參數(shù)如表1所示。

對于模型的應力場，其邊界條件為：約束模型的底部及側面的法向位移，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，底部及側面為不透水邊界。溶洞內部水壓依照與地表距離而定。當隧道開挖時，在隧道輪廓面及掌子面上設定為透水邊界，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力場?？紤]到當隧道掘進至溶洞側面時，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構，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，即當溶洞位于拱頂時，隧道拱頂?shù)貙恿魉僮畲?；溶洞位于左側邊墻時，臨近左側邊墻地層流速最大，且右側邊墻處地層流速較??；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，導致溶洞壓力水頭最大所導致的。

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，則流體從溶洞內向隧道內流動。流體總是沿著最短路徑向隧道內流入，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)產生，但未貫通至拱底溶洞。對于工況二，隧道左側塑性區(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險。

4?結論

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，拱頂及拱底較少。其中，當隧道邊墻處存在承壓溶洞時，地層塑性區(qū)向溶洞貫通，再結合滲流場分布特征，可見此處容易發(fā)生突水突泥災害。

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