巖溶隧道開挖穩定性的三維數值分析*

張軍， 劉洋洋， 李求常

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114；2.長沙南方職業學院， 湖南 長沙 410208)

由于超前地質預報的局限性及對掌子面突泥涌水機理缺乏認知，巖溶隧道施工中頻繁發生突泥涌水、塌方等現象，分析隧道開挖過程中不同大小、不同位置溶洞對開挖面應力及位移的影響，進而研究隧道突泥涌水機理很有必要。針對巖溶隧道開挖穩定性，史世雍、李培楠、徐長金等運用有限元軟件分析了隧道頂部溶洞分布對圍巖穩定性的影響；蔣穎利用有限差分軟件分析了不同位置溶洞對隧道圍巖穩定性的影響；吳夢軍、王高波、郭而東等通過分析溶洞發育程度和位置對圍巖施工力學行為的影響，總結了巖溶地區公路隧道圍巖位移場、塑性區的分布規律；趙明階等運用相似模型試驗和數值分析成果，分析了巖溶區公路隧道全斷面開挖中圍巖變形特性，提出了巖溶區域全斷面開挖隧道圍巖變形時空曲線的一般模式；宋戰平等運用原位試驗分析了不同位置、不同尺度隱伏溶洞對隧道圍巖空間位移變化的影響。前述研究一般以無填充的干溶洞為主，而實際中存在大量有填充物(或水)溶洞，隧道施工過程中溶洞被揭露，填充物(或水)從掌子面涌出形成突泥(或涌水)，對施工安全造成威脅。該文以永吉(永順—吉首)高速公路務西作隧道為工程背景，通過三維數值分析，研究溶洞位置、大小及間距對隧道開挖穩定性的影響。

1 工程概況

務西作隧道屬于中長隧道，處于巖溶較發育區段，地下水主要為巖溶裂隙水，主要發生在灰巖裂縫。隧道開挖過程中遇到各種不同位置、不同大小的溶洞。

2 隧道開挖數值模擬

結合工程實際情況，利用MIDAS/GTS有限元軟件模擬隧道開挖過程中掌子面前方頂部不同洞徑(1.1、3.3、5.5、8.25 m)、不同間距(1.1、3.3、5.5、8.25 m)溶洞對各開挖斷面圍巖應力及位移的影響。

2.1 有限元幾何模型建立

計算模型選取務西作隧道YK9+807—815開挖斷面尺寸按隧道洞徑3倍向周圍延伸，水平方向取100 m，豎直方向取80 m，軸向取45 m(見圖1)。根據務西作隧道設計資料和工程經驗確定各計算參數(見表1)。

圖1 隧道數值計算模型

表1 計算參數

隧道開挖采用上下臺階法或預留核心土臺階法，進行數值分析時近似模擬計算區域的連續變化。分成15步進行開挖，每一步開挖進尺3 m，然后進行錨桿施工、噴射砼，如此循環進行，直至掌子面達到溶洞中心處。

2.2 計算結果分析

2.2.1 拱頂沉降

溶洞大小一定時，拱頂沉降隨溶洞間距和水平距離的變化見圖2；溶洞間距一定時，拱頂沉降隨溶洞大小與水平距離的變化見圖3。

圖2 溶洞直徑D=1.1 m時各開挖斷面拱頂沉降隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖3 溶洞間距Dy=3.3 m時各開挖斷面拱頂沉降隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖2可知：溶洞直徑D=1.1 m時，開挖至開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂沉降隨著溶洞間距的增大而減小，沉降值相對較?。婚_挖至Dx=3 m處，Dy=3.3～5.5 m時，沉降值有所增加；Dx=0時，拱頂沉降隨溶洞間距增大呈減小趨勢，且沉降值較大。

由圖3可知：溶洞間距Dy=3.3 m時，開挖斷面Dx=9 m處，不同大小溶洞拱頂沉降值相差不大；開挖至Dx=6 m和Dx=3 m時，沉降差異逐漸明顯；Dx=0時，拱頂沉降隨著溶洞直徑的增加而增大。

2.2.2 拱腳水平位移

溶洞大小一定時，拱腳水平位移隨溶洞間距和水平距離的變化見圖4；溶洞間距一定時，拱腳水平位移隨溶洞大小和水平距離的變化見圖5。

圖4 溶洞直徑D=1.1 m時各開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖5 溶洞間距Dy =1.1 m時各開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖4可知：溶洞直徑D=1.1 m時,開挖斷面Dx=9 m與Dx=6 m處，拱腳水平位移變化趨勢基本一致，隨溶洞間距變化不明顯；Dx=3 m處，Dy=1.1～3.3 m時，拱腳水平位移變化較大；Dx=0時，拱腳水平位移達到最大，且隨著溶洞間距的增大而減小。

由圖5可知：溶洞間距一定時，不同開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞大小變化的趨勢基本一致，均為隨著溶洞直徑的增大而增加；Dx=9 m和Dx=6 m時，拱腳水平位移量值隨溶洞直徑的變化不大；Dx=0時，拱腳水平位移達到最大。

2.2.3 拱頂最大主應力

溶洞大小一定時，拱頂最大主應力隨溶洞間距和水平距離的變化見圖6；溶洞間距一定時，拱頂最大主應力隨溶洞大小和水平距離的變化見圖7。

圖6 溶洞直徑D=1.1 m時各開挖斷面拱頂最大主應力隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖7 溶洞間距Dy=1.1 m時各開挖斷面拱頂最大主應力隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖6可知：溶洞大小一定時，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂最大主應力隨溶洞間距的增大變化不明顯；Dy=5.5 m時，拱頂最大主應力最大值出現Dx=0處，最小值位于Dx=9 m處，且最大主應力出現在溶洞間距較小處。

由圖7可知：溶洞間距Dy=1.1 m時，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂最大主應力隨溶洞直徑的增加而增大，變化趨勢較平緩；Dx=3 m，直徑為1.1 m時拱頂最大主應力最小，拱頂最大主應力最大值位于開挖斷面Dx=0處。

2.2.4 拱腳最小主應力

溶洞大小一定時，拱腳最小主應力隨溶洞間距和水平距離的變化見圖8；溶洞間距一定時，拱腳最小主應力隨溶洞大小和水平距離的變化見圖9。

圖8 洞徑D=3.3 m時各開挖斷面拱腳最小主應力隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖9 溶洞間距Dy=1.1 m時各開挖斷面拱腳最小主應力隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖8可知：溶洞大小一定時，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱腳最小主應力變化趨勢基本一致，隨著溶洞間距的增加而增大；Dy=8.25 m時，拱腳最小主應力值最大；Dx=3 m和Dx=0時，拱腳最小主應力值變化不大。

由圖9可知：溶洞間距Dy=1.1 m時，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱腳最小主應力隨溶洞直徑的增大而減??；D=5.5 m時變化趨于平緩；Dx=0時，拱腳最小主應力值最小。

3 結論

運用MIDAS/GTS 三維有限元軟件模擬巖溶隧道施工過程，得到不同位置、不同大小溶洞對各開挖斷面圍巖應力及位移的影響。主要結論如下:

(1) 溶洞大小一定時，開挖斷面距離溶洞越近，拱頂沉降越大；距離較遠時，溶洞間距變化對拱頂沉降影響不大，開挖至溶洞正下方時沉降值較大。溶洞間距一定時，開挖斷面離溶洞越近，拱頂沉降越大；洞徑越大，沉降越大。

(2) 溶洞大小一定時，拱腳水平位移隨溶洞間距的增大而減小，溶洞間距較大時，變化趨于平緩；溶洞間距一定時，隨著溶洞尺寸的增加，拱腳水平位移呈增大趨勢，離溶洞越近增量越大，開挖至Dx=0時，拱腳水平位移達到最大。

(3) 溶洞大小一定，開挖斷面由遠至近時，最大主應力有一定幅度增大，開挖至溶洞正下方時應力最大，最大值出現在溶洞間距較小的位置；溶洞間距一定時，最大主應力整體上隨溶洞尺寸的增大而增大，Dx=0時最大主應力最大，應適當加強支護。

(4) 溶洞大小一定時，拱腳最小主應力隨溶洞間距的增大而增大，開挖斷面由遠及近時，最小主應力有一定幅度減小，應適當加強這類溶洞隧道的拱腳支護；溶洞間距一定時，拱腳最小主應力隨著溶洞直徑的增大而減小，開挖至溶洞正下方時最小主應力最小。