串珠狀溶洞對隧道穩(wěn)定性影響分析

■蘇享戊

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350000）

串珠狀溶洞對隧道穩(wěn)定性影響分析

■蘇享戊

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350000）

本文以串珠狀溶洞地質(zhì)隧道為工程背景，通過MIDAS/GTS NX軟件計(jì)算影響隧道穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)、圍巖塑性區(qū)范圍、主應(yīng)力大小、豎向位移和施工采取的襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力大小及其豎向位移等，得出溶洞的半徑和距隧道的距離對隧道圍巖的穩(wěn)定性和隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定的影響，即距離隧道較遠(yuǎn)（大于6.5m），且半徑較小（小于1.5m）的溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響很小；距離隧道較近或半徑較大的溶洞會顯著增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)采取必要的處理措施，保證隧道的穩(wěn)定性。

溶洞 隧道 圍巖穩(wěn)定性 有限元計(jì)算

0 引言

巖溶工程地質(zhì)問題對工程的安全穩(wěn)定性影響較大，隧道開挖時(shí)由于溶洞引起的塌方、突水、突泥對工程建設(shè)極具危害，而且溶洞在運(yùn)營過程也具有危害性，很可能受到振動荷載后出現(xiàn)塌陷，從而影響隧道的運(yùn)營。對圍巖穩(wěn)定分析比較復(fù)雜和困難，目前主要分析方法有解析法、數(shù)值分析法、工程地質(zhì)類比法、模型實(shí)驗(yàn)法等。解析法對于受地表邊界和底面荷載影響的淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學(xué)處理上存在一定的困難。工程地質(zhì)類比法一般只能給定性的評價(jià)，模型實(shí)驗(yàn)法由于儀器設(shè)備的限制，操作復(fù)雜。因此采用數(shù)值模擬分析溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響的程度較為方便、高效。

本文以某市珠狀溶洞地質(zhì)隧道為工程背景，探討這類溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某隧道為分離式雙向六車道隧道，凈空14.0×5.0m。左線樁號ZK143+920～ZK145+755，全長1835m；右線樁號YK143+900～YK145+725，全長1825m。隧道最大埋深約157.5m。隧址區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂活動均較發(fā)育。場區(qū)上覆坡殘積粘性土、碎石（Qel-dl），下伏基巖為二疊系下統(tǒng)童子巖組（P1t）、棲霞組（P1q）粉砂巖和灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)安砂群桃子坑組（D3tz）石英砂巖、粉砂巖、千枚狀砂巖及風(fēng)化層。

鉆孔揭露強(qiáng)風(fēng)化—微風(fēng)化灰?guī)r層中有溶洞發(fā)育，溶洞頂板埋深14.7～101.5m，底板埋深18.8～102.0m，溶洞厚度0.3～9.7m，CNS32揭露的串珠狀溶洞[1,2]埋深最淺約 14.7m，厚度約 4.1m，XS14揭露的溶洞埋深最深約101.5m，厚度約0.5m。已揭露的溶洞多為全填充—半填充，充填物質(zhì)多為粘性土及碎石，碎石成分以灰?guī)r、方解石為主。隧道位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上，山坡坡體較陡，有利于地下水排泄。地表水總體較貧乏，洞頂多為中-強(qiáng)風(fēng)化，未見其他規(guī)模較大、透水性較好的斷裂發(fā)育。

2 模擬分析參數(shù)及內(nèi)容

2.1 分析依據(jù)和內(nèi)容

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）和地質(zhì)勘查報(bào)告，計(jì)算分析溶洞的存在對隧道穩(wěn)定性的影響。

2.2 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述資料，隧道圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該隧道溶洞段落采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，初期支護(hù)為30cm厚C25噴射混凝土配合工22b型鋼支撐（鋼支撐間距為0.5m），錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長4.0m，間距1m×1m，梅花型布置，二襯采用C30模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚60cm。支護(hù)參數(shù)及力學(xué)參數(shù)見表2和表3。

表2 復(fù)合支護(hù)參數(shù)表

表3 支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

3 三維有限元模型的建立及計(jì)算

采用巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX（Geotechnical&Tunnel analysis System）進(jìn)行計(jì)算[3]。采用地層-結(jié)構(gòu)法，圍巖采用德魯克-普拉格模型，初支、臨支支撐、二襯采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。有限元計(jì)算模型的水平寬度取為104m，縱向長度取為100m，高度取至實(shí)現(xiàn)地面高，幾何模型的邊界尺寸可消除邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響。相應(yīng)的邊界位移約束為：前、后、左、右邊界水平約束，下部邊界垂直約束，上部邊界自由；計(jì)算荷載考慮巖土體自重。在進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)，圍巖的荷載釋放系數(shù)按照如下方式確定：圍巖開挖釋放50%，初期支護(hù)施做后釋放50%；施工步劃分嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙，共分為166個(gè)施工步，地層劃分依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，并做相應(yīng)的簡化。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，選取三個(gè)對隧道最有影響的典型斷面[4]，分別為 ZK144+942、ZK145+200、ZK145+596，如圖1所示。限于篇幅，將重點(diǎn)介紹ZK145+596樁號橫斷面的計(jì)算過程，其余橫斷面計(jì)算過程類似。

3.1 ZK145+596斷面計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該斷面計(jì)算模型共分為六個(gè)巖層，從上到下依次為坡積粉質(zhì)粘土層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層、中風(fēng)化粉砂巖層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層、中風(fēng)化灰?guī)r層及微風(fēng)化灰?guī)r層。溶洞中心位于隧道底板1.6m處，溶洞用半徑為R=2.7m的球型空洞來模擬，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 隧道典型斷面圖

分別計(jì)算橫斷面的圍巖塑性區(qū)，圍巖第一、第三主應(yīng)力大小，圍巖豎向位移等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算支護(hù)后，襯砌結(jié)構(gòu)第一、第三主應(yīng)力大小及其豎向位移。為了更好地體現(xiàn)溶洞對隧道的影響[5]，選取ZK145+596樁號的附近ZK145+581樁號（此處無溶洞）斷面做對比計(jì)算。

3.2 ZK145+596斷面計(jì)算結(jié)果

（1）圍巖塑性區(qū)計(jì)算

從圖3兩處斷面塑性區(qū)范圍比較可知，溶洞的存在對圍巖穩(wěn)定性影響很小。

（2）圍巖主應(yīng)力計(jì)算

從圖4兩樁號橫斷面第一主應(yīng)力（受拉）和第三主應(yīng)力（受壓）等色圖對比可知，溶洞的存在一定程度上擴(kuò)大了隧道受拉區(qū)的范圍，但對拱腳主壓應(yīng)力影響不大。

由圖5兩樁號斷面底板沿縱向軸線處圍巖第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力變化圖可知，由于溶洞的存在，溶洞所在位置底板附近第一主應(yīng)力（受壓）減少約53.3%，第三主應(yīng)力（受壓）增加約65%，溶洞對圍巖應(yīng)力的影響范圍約為2倍溶洞直徑。

（3）圍巖豎向位移計(jì)算

根據(jù)圖6和圖7可知，兩樁號斷面圍巖豎向位移差別較小，溶洞所在位置附近拱底上隆減少約5%。

（4）襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

由圖8可以看出，溶洞的存在使得第一主應(yīng)力 （受拉）增加0.29MPa，約為非溶洞區(qū)域的22.3%；第三主應(yīng)力（受壓）增加0.204MPa，與非溶洞區(qū)相比，增加約16.4%。

（5）襯砌結(jié)構(gòu)底板上隆量計(jì)算

由圖9可知，溶洞的存在使拱底的上隆量減小，相較樁號ZK145+681斷面處，減少約3.0%。

3.3 ZK145+596斷面計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，樁號145+596斷面處溶洞的存在對圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的主要影響如下：

（1）圍巖塑性區(qū)幾無變化，因此溶洞的存在對圍巖的穩(wěn)定性影響不大；

（2）溶洞的存在，擴(kuò)大了圍巖受拉區(qū)的范圍，但對拱腳附近主壓應(yīng)力影響不大；在溶洞所在位置，底板附近第一主應(yīng)力（受壓）減少約53.3%，第三主應(yīng)力（受壓）增加約65%；可認(rèn)為溶洞對圍巖應(yīng)力的影響范圍約為2倍溶洞直徑；

（3）對圍巖的豎向位移影響不大；溶洞所在樁號斷面處，拱底上隆減少約5%；

圖2 ZK145+596斷面計(jì)算模型

圖3 圍巖塑性區(qū)結(jié)果

圖4 圍巖主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 底板縱向主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比

圖6 圍巖豎向位移計(jì)算結(jié)果

圖7 底板縱向豎向位移計(jì)算結(jié)果

（4）溶洞的存在使拱底的上隆量減小，溶洞所在樁號斷面的襯砌結(jié)構(gòu)下沉量為5.0mm，相較樁號ZK145+681斷面處，減少3.0%左右；

（5） 溶洞使襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力 （受拉） 增加0.29MPa，約為非溶洞區(qū)的22.3%；第三主應(yīng)力（受壓）增加0.204MPa，增加約16.4%。

3.4 不同樁號斷面計(jì)算結(jié)果分析

按照 ZK145+596斷面的計(jì)算過程，分別計(jì)算ZK144+942和ZK145+200斷面，三類典型斷面的計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示[6-7]。

表4 溶洞對圍巖應(yīng)力、位移影響計(jì)算結(jié)果

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)底板主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表5 溶洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移影響計(jì)算結(jié)果

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)底板上隆對比結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析計(jì)算，可得到如下結(jié)論：

（1）樁號ZK144+942處的溶洞，半徑較小，距離隧道底板距離較遠(yuǎn)，對隧道周邊圍巖的影響較小；但溶洞的存在使得襯砌結(jié)構(gòu)底板第一主應(yīng)力（受拉）減少，第三主應(yīng)力（受壓）增加，但變化值較小，因此對溶洞可不做處理或采取適當(dāng)措施。

（2）樁號ZK145+200和ZK145+596斷面處的溶洞，半徑較大，距離隧道結(jié)構(gòu)較近，對隧道周邊圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的影響均較大；對于靠近溶洞一側(cè)的圍巖，使其主拉應(yīng)力減少，主壓應(yīng)力增加，且變化幅度較大；同時(shí)溶洞使襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生較大的增幅，對襯砌結(jié)構(gòu)造成隱患，進(jìn)而影響隧道的穩(wěn)定性。因此必須對該樁號處及附近斷面采取相應(yīng)措施處理，如溶洞回填和注漿加固等，防止隧道失穩(wěn)變形，保證隧道使用安全。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對于隧道圍巖中的串珠狀溶洞，參考典型斷面的處理措施，根據(jù)其斷面特征采取類似措施處理。

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