隧道下伏巖溶空腔圍巖穩定性分析

王 運 慶

(中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

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隧道下伏巖溶空腔圍巖穩定性分析

王 運 慶

(中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

依托重慶某隧道工程實例，綜合地質雷達和超前鉆孔兩種方法的實際探測結果，采用FLAC軟件進行建模，并分析了存在空腔條件下某典型斷面豎直方向變形場、最大主應力場和塑性區的計算結果，建議隧道施工過程中應在保證隧道工期的同時，對隧道巖溶空腔災害進行實時監測和有效處理。

隧道，空腔，圍巖，穩定性

0 引言

隨著我國國民經濟的不斷發展，西部大開發和新絲綢之路經濟帶等西部發展戰略如火如荼地進行著，而交通事業是一切經濟發展的前提和保障，也必然會保持著迅猛增長態勢。在我國西南地區，分布著我國面積最大、發育類型最齊全的巖溶地貌區。巖溶隧道這一特殊工程形式必將在西南地區交通事業的發展過程中大量涌現，據不完全統計，西南地區已經建成和正在建設中的巖溶隧道占隧道總數量的50%[1-3]。

巖溶空腔一般具有隱伏性，前期的勘測很難發現，同時，到目前為止國內外缺乏針對巖溶區隧道建設的規范和指導性文件，因此，巖溶空腔對西南地區隧道的施工建設的安全和進度帶來巨大影響。國內外的學者在巖溶空腔對隧道圍巖穩定性的影響分析方面已開展大量研究[4-6]，而數值模擬方法是分析巖溶空腔對隧道穩定性影響的主要研究方法之一。如莫春陽[7]采用有限差分軟件對巖溶空腔存在于隧道底部情況下圍巖變形進行仿真分析；趙明階等[8-10]采用Drucker-Prager模型，運用二維彈塑性分析分別研究了位于隧道頂部、側巖和底部大小不同、距離不同的溶洞對隧道周邊圍巖變形及應力的影響；譚志宏[11]采用摩爾庫侖強度準則，對不同的空腔斷面形狀、大小、位置對隧道穩定性影響進行數值分析。

本文以西南地區某特長巖溶隧道為工程背景，針對此巖溶空腔，采用FLAC3D軟件進行模擬分析，得出一些有益研究結論可為類似工程提供一定的參考借鑒。

1 工程概況

重慶禮讓隧道左右洞長度分別為5 517.6 m和5 520.7 m，為特長隧道，隧道設計為80 km/h、雙向四車道，設計荷載為公路一級，隧道防水等級為二級。現場施工掘進過程中揭露一巖溶空腔，空腔呈持續發展狀況。綜合采用地質雷達和超前鉆孔兩種方法對空腔形態、大小及與隧道的相對位置關系進行探測，得出了巖溶空腔的具體情況見圖1，圖2。

空腔里程樁號為ZK11+710～ZK11+750，位于隧道仰拱正下方3 m～30 m，呈寬而扁的形狀，寬約18 m～23 m，高約1.4 m～2.2 m。此段隧道圍巖為侏羅系中統新田溝組地層灰、深灰色粉砂質頁巖夾薄層砂巖；粉砂質頁巖屬軟巖，巖體受地質構造影響較重，構造裂隙發育，空腔內無明顯地下水。經研究決定對空腔段隧道采用臺階法開挖和濕噴技術進行支護。采用2.5 m長φ22藥卷錨桿，錨桿按梅花形布置，間距100 cm×120 cm，每延米17.5根，100 cm間距格柵拱架支撐，噴射混凝土采用18 cm厚C20混凝土。

2 數值模型的建立

模擬巖體采用連續性介質力學模型，巖體的變形為各向同性，初始應力場只考慮自重應力，不考慮構造應力，參考隧道設計圖紙，與隧道實際尺寸1∶1進行建模。模型范圍取開挖斷面的3倍～5倍，所研究隧道里程范圍為ZK11+710～ZK11+750，包含隧道下方整個空腔段。圍巖采用理想的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則，隧道開挖采取FLAC3D中的null模型；錨桿采用Cable結構單元，初噴混凝土采用Shell結構單元，均為彈性本構模型。

由于現場巖溶空腔呈扁平狀，且走勢與寬高比均為不規則發展，結合FLAC3D模型建立的特點，將空腔斷面大體簡化成矩形，走勢及寬高比變化均在實際情況基礎上進行一定簡化，空腔模型基本符合現場實際情況。為了獲得較準確的模擬結果，同時避免運算時間過長，隧道及空腔周圍單元進行了加密處理，而周邊圍巖單元則較疏，通過FLAC3D中attach face指令進行共面單元的連接，保證了力傳輸的連續性，模擬結果顯示效果良好。圍巖及初支物理力學參數見表1。

表1 圍巖及初支物理力學參數

3 圍巖穩定性數值分析

下面對隧道存在完整復雜巖溶空腔情況進行數值計算，以ZK11+735斷面為例，分別討論了隧道圍巖的變形場、應力場及塑性區分布規律。

3.1 豎直方向變形分析

圖3表明，ZK11+735斷面左右側隧道初支及圍巖變形場圍繞空腔有較大差異，左右極不對稱。變形場分布極不規則，以空腔上緣和右側隧道拱底分別為下沉、上凸變形發展中心，在模型左下部、中間巖柱及模型右下部巖體形成了三個上凸、下沉變形場的交匯面。下沉變形最大值點在空腔上邊緣，為-49.6 mm；左側隧道拱底變形由上凸變為下沉，拱頂變形沉降最大值為-29.4 mm；右側隧道下沉變形最大值點在拱頂，其值為-35.3 mm，拱腰處下沉變形為-23.6 mm，拱底上凸變形為32.7 mm。

空腔至左側隧道底面圍巖形成了貫通的下沉變形場，下沉變形劇烈，考慮到拱底在隧道掘進同時還要承受較多的施工荷載，應在此段隧道對拱底圍巖進行加強支護。中間巖柱十分活躍，變形自上而下變化極快，圍巖穩定性很低。

3.2 最大主應力分析

圖4表明，ZK11+735斷面因左側隧道拱底下方存在空腔應力場較復雜。隧道拉應力區主要集中在隧道初支及空腔附近巖體，最大拉應力為2.68 MPa；最大壓應力存在于右側隧道右側巖體，其值為-1.22 MPa。左右側隧道拱頂上方巖體壓應力比較小，變化較緩；右側隧道右側巖體出現明顯受壓應力集中區域，中間巖柱靠近右側隧道區域出現與空腔貫通的壓應力區。左側隧道下方拉應力區與空腔貫通，右側隧道受拉區域明顯小于左側隧道。

鄰近空腔的隧道受拉區域和最大拉應力值均大于遠離空腔段隧道，在隧道掘進時應該對此段隧道的初支及隧道底部巖體進行持續的監測，必要時進行相應的支護增強；遠離空腔隧道右側巖體有明顯的壓應力集中區，壓應力值較大，空腔與遠離空腔隧道間巖體存在一定的壓應力集中區。

3.3 塑性區分析

圖5表明，ZK11+735斷面空腔存在單側洞下方，鄰近空腔一側塑性區整體范圍遠大于遠離空腔的隧道，而隧道拱頂上方圍巖塑性區范圍遠小于遠離空腔一側隧道，空腔左下方、隧道左上方、隧道右上方塑性區均延伸至模型邊界，遠離空腔一側隧道右下方塑性區較小。

塑性區均正在發生或者曾經發生剪切破壞；同時發生拉、剪破壞區主要集中在空腔周圍及隧道初支附近巖體；空腔周圍塑性區都與兩側隧道貫通；中間巖柱均為正在發生剪切破壞集中區域；遠離空腔一側隧道右下方巖體塑性區范圍較??；兩側隧道初支塑性破壞區域較少。

4 結語

1)通過有限差分軟件對存在空腔條件下ZK11+735斷面豎直方向變形場、最大主應力場和塑性區的計算結果分析可以發現：由于空腔鄰近一側隧道，兩側隧道的變形場、應力場和塑性區均以空腔為影響中心發散分布；鄰近空腔一側隧道普遍會受到較大影響，遠離空腔一側隧道，因空腔位置不同而受到不同程度的影響。

2)建議對于類似的工程問題可以先根據現場情況結合以往的工程經驗對隧道支護進行變更加強，在隧道向前掘進的同時采用數值軟件對空腔段隧道開挖支護進行模擬分析，了解空腔災害對隧道施工穩定性造成的具體影響，掌握隧道及周邊圍巖的危險部位，再依據現場施工環境制定空腔治理方案。在保證隧道工期的同時，對隧道巖溶空腔災害進行實時監測和有效處理。

[1] 劉宇濤,謝世友.中國西南地區巖溶地貌發育影響因素分析[J].許昌學院學報,2010,29(2):143-146.

[2] 管洪良,郝 杰.隧道頂部溶洞對圍巖穩定性影響的數值分析[J].山西建筑,2010,36(32):313-315.

[3] 張慶松,力術才,韓宏偉,等.巖溶隧道施工風險評價與突水災害防治技術研究[J].山東大學學報(工學版),2009,39(3):106-110.

[4] 徐成進,王木群.隧道底部溶洞的處理及溶洞對隧道圍巖穩定性影響的研究[J].公路工程,2011,36(1):102-108.

[5] 宋戰平,綦彥波,李 寧.頂部既有隱伏溶洞對圓形隧道穩定性影響的數值分析[J].巖土力學,2007,28(sup):485-489.

[6] 曹 勇.隧道拱頂溶洞處治及溶洞對隧道圍巖穩定性影響分析[J].湖南交通科技,2012,38(2):111-129.

[7] 莫春陽.底部隱伏空腔隧道施工過程中的圍巖變形分析[J].中外公路,2011,31(3):225-229.

[8] 趙明階,劉緒華,敖建華,等.隧道頂部巖溶對圍巖穩定性影響的數值分析[J].巖土力學,2003，24(3):445-449.

[9] 趙明階,王學軍,劉緒華,等.隧道側巖巖溶分布對圍巖穩定性影響的數值模擬研究[J].重慶建筑大學學報,2003,25(1):6-11.

[10] 趙明階,敖建華,劉續華,等.隧道底部溶洞對圍巖變形特性的影響分析[J].重慶交通學院學報,2003,22(2):20-40.

[11] 譚志宏.巖溶區隱伏空洞對路橋工程穩定性影響的研究[D].沈陽:東北大學,2008:90-137.

Analysis on the stability of underling cavity karst surrounding rock under the tunnel

Wang Yunqing

(ChinaPowerConstructionHighway&BridgeGroupCo.,Ltd,Beijing100048,China)

Based on Chongqing tunnel engineering example, the paper comprehensively considers actual survey results by applying two methods of geological radar and advanced drilling, makes an establishment by applying FLAC software, analyzes calculation results of the vertical deformation field, maximum stress field and plastic region of the typical section under the cavity condition, and suggests to guarantee tunnel construction duration and to carry out timely monitoring and effective treatment for processing tunnel karst cavity disasters.

tunnel, cavity, surrounding rock, stability

1009-6825(2016)28-0163-03

2016-07-21

王運慶(1981- )，男，工程師

U451.2

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