溶洞區(qū)大跨扁平隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析研究

□文/劉文靜

隨著社會的發(fā)展及建造技術(shù)的不斷進步，隧道逐步向大跨度、大斷面發(fā)展，眾多大跨地下結(jié)構(gòu)，如地下水電工程、地下油庫、地下LPG庫、地下場館等不斷建成。大跨隧道一般選擇在地質(zhì)較好的地層建設，但當不可避免地在如灰?guī)r、白云巖等巖層中建造時，會受到地下溶洞的影響。

國內(nèi)已有眾多學者[1～4]研究溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響，指出了溶洞的存在對洞室的穩(wěn)定性存在不利影響。但以上研究成果均針對小斷面、近圓形隧道，大跨、扁平隧道與小斷面、近圓形隧道的受力及施工方法存在較大差異，本文采用有限元數(shù)值分析方法分析溶洞對大跨、扁平隧道穩(wěn)定性的影響，研究隧道掘進中圍巖變形和破壞的規(guī)律并就處理措施進行分析，為后續(xù)大跨隧道的設計與施工給予指導。

1 數(shù)值模型建立

基于有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D，采用地層-結(jié)構(gòu)模型進行建模與計算。地層采用實體單元進行模擬，選取基于Mohr-Coulomb破壞準則的理想彈塑性本構(gòu)模型；錨索、錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬；C30噴層混凝土采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬。

計算模型范圍取隧道左右各100 m、底板下方100 m、隧道頂上方100 m，縱向取1 m。結(jié)合袁偉澤、徐干成等[5～6]的研究成果，隧道橫向分5 塊，導洞橫向?qū)挾热?0 m；錨索間距取5 m，長度取30 m，預加力取2 000 kN；錨桿間距取1 m，長度取6 m。見圖1。

圖1 計算模型

先開挖兩側(cè)導洞1、后開挖中導洞2、再開挖兩中立柱3，最后開挖下臺階4。開挖后立即對本區(qū)域范圍內(nèi)溶洞進行處理，施作錨桿、錨索等支護結(jié)構(gòu)并設置6個位移監(jiān)測點，分別位于拱頂、拱頂角、拱腰、拱腰角、拱肩角、拱肩。見圖2。

圖2 計算模型及監(jiān)測點布置

計算時將巖體簡化為均質(zhì)體，基于Ⅲ級圍巖，參照GBT 50218—2014《工程巖體分級標準》、RMR 分類及Hoek-Brown 經(jīng)驗準則綜合考慮，Ⅲ級均質(zhì)巖體的黏聚力為1 000 kPa。考慮到一般堅硬巖層中構(gòu)造應力的存在，本文取側(cè)壓力系數(shù)為2。見表1和表2。

表1 隧道結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

為研究不同位置溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響，選取拱頂加固區(qū)（直徑10 m）、拱頂（直徑10 m）、拱腰（直徑10 m）、拱肩（直徑10 m）、隧道內(nèi)（直徑10 m）、加固區(qū)外（直徑40 m）6個不同位置進行分析。

2 計算結(jié)果及討論

2.1 無溶洞無錨索

在無溶洞無錨索工況下，隧洞開挖后剪應變增量及塑性區(qū)見圖3和圖4。

圖3 無錨索工況剪應變增量

圖4 無錨索工況塑性區(qū)

隧洞開挖后在較大側(cè)壓力的工況下，拱頂、拱肩、洞室邊墻角及仰拱處均形成了貫通的塑性區(qū)，拱頂存在逐步塌落的風險。

2.2 無溶洞施加錨索

采用錨索對洞頂進行支護后的塑性區(qū)見圖5。

圖5 施作錨索后塑性區(qū)

隧洞頂部塑性區(qū)域大幅減少，僅在洞室周圍形成局部的塑性區(qū)且均未形成貫通區(qū)域，洞室可處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，洞頂錨索對洞室的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，需采取措施確保錨索加固效果。

2.3 不同位置存在溶洞

當溶洞位于隧道周圍不同位置時，會對洞室的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響。見圖6。

圖6 不同位置溶洞下不同位置位移

由圖6 可知，溶洞所處位置對成洞后拱頂及拱腰處的位移影響不大，而對拱肩處的位移影響要稍大，影響最大的溶洞位置為拱腰。

隧道開挖完成后，溶洞位于不同位置時錨桿軸力差異不大，最大差值僅為9 kN；錨索軸力差值較小，最大差值為50 kN，故可知溶洞的存在對洞室的穩(wěn)定性的影響不大。見圖7。

圖7 不同位置溶洞下錨桿和錨索軸力

另外，溶洞位于不同位置處時，隧道開挖完成后洞室周邊的塑性區(qū)均位于洞室壁周圍有限范圍，僅在溶洞周邊一定范圍內(nèi)存在區(qū)別，在其余位置處塑性區(qū)的分布差異不大。

2.4 拱頂溶洞回填與否

為研究溶洞回填與否對隧道穩(wěn)定性的影響，模擬計算了拱頂溶洞在回填后施工錨桿、錨索及直接在溶洞壁施工錨桿、錨索工況下隧道開挖后的穩(wěn)定性。見圖8。

圖8 拱頂溶洞回填與否不同位置位移

對溶洞進行回填后施作支護或直接在溶洞壁施工支護，除拱頂溶洞角部外，洞室周圍其他位置的位移差異不大；兩種工況下錨桿的軸力分別為29.1、29.0 kN，錨索的軸力為2 585、2 580 kN，故可知對于直徑不大的溶洞來說，可以不對溶洞進行處理，而在溶洞側(cè)壁直接施作支護結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1）對于水平應力較大的隧道而言，隧道開挖后存在拱頂逐層塌落的風險，需采取錨索、錨桿等支護措施，錨索對隧道的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，設計與施工時需確保錨索的施工質(zhì)量及耐久性。

2）溶洞位于隧道不同位置處時，對隧道的穩(wěn)定性影響不大，隧道開挖后可對洞室輪廓范圍內(nèi)的溶洞采取一般性的處理措施，但考慮到錨索錨固效果，設計與施工中需對位于錨索錨固區(qū)的溶洞加強處理措施。

3）對于隧道輪廓范圍的溶洞，隧道開挖后也可不對溶洞進行回填處理，而在溶洞側(cè)壁上直接施作支護措施。