高鐵隧道與大型溶洞近接施工影響分區研究

甄映州

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隧道作為地下工程的一種主要形式，在其修建過程中不可避免的會遇到可溶巖地層，而巖溶不良地質發育的無規律性和近接問題的復雜性使得巖溶隧道的設計施工和運營安全面臨嚴峻挑戰。仇文革[1]最先對近接工程系統性進行研究。周斌[2]基于近接施工基本原理，利用結構強度準則對上下近接的隧道影響分區進行研究。趙明階等[3]以朝東巖隧道為背景，運用二維彈塑性分析研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞對隧道圍巖穩定性的影響。目前對巖溶隧道的研究停留在如何治理和施工方法的研究和圍巖應力分析上，范圍比較大，針對性不強[4-5]。

本文研究了溶洞尺寸、位置、埋深、圍巖條件、地應力場等因素對高鐵隧道近接溶洞施工的影響，以巖土體極限剪應變作為圍巖的破壞標準[6]，結合強度折減法計算高鐵隧道與溶洞破壞演化過程和穩定安全系數，形成相應的影響分區，探究其中規律。

1 隧道溶洞近接影響分區研究

1.1 數值計算模型

高鐵隧道按照鐵路隧道雙線斷面選定，擬定溶洞為φ14.7m的圓洞(與隧道最大高度相同)。計算選用有限差分軟件FLAC3D，模型見圖1。

在邊界條件施加完成后進行地應力平衡，之后對溶洞部分進行開挖計算至收斂，模擬天然溶洞的應力場條件；之后開挖隧道并強度折減，通過觀察中夾巖剪應變的變化判斷安全系數為1.0時是否滿足判據，不斷改變相對位置和間距以逼近臨界位置。隧道無支護措施，模型物理參數見表1。

圖1 數值計算模型

1.2 影響分區標準

本文在強度折減法[7-10]中引入極限剪應變作為巖土體由塑性進入破壞的指標，將極限塑性剪應變與塑性區貫通相結合作為隧道失穩判據。計算過程中通過判斷單元剪應變是否大于極限塑性剪應變，若大于則記錄失效指針和單元坐標，否則便以二分迭代的方式不斷折減安全系數，依次循環直至逼近擬定的安全系數邊界。

表1 圍巖參數

改變溶洞與隧道結構的相對位置關系，每種位置方向上通過改變隧道結構與溶洞中心的間距進行強度折減，直至求得在安全系數為1.0時，中夾巖達到極限剪應變且塑性區恰好貫通的臨界狀態，記錄該位置坐標。計算示意見圖2。

圖2 影響分區計算示意

本文認為綜合安全系數小于1.0的范圍內為有影響區，大于1.0的則為無影響區。將各個位置求得的安全系數為1.0時達到臨界狀態的點相連作為安全系數等值線，并以此作為影響分區的分界線。

2 數值計算結果分析

從溶洞尺寸、圍巖級別、埋深和應力場4個角度研究不同因素作用下高鐵隧道近接溶洞影響分區的變化規律，其中基準工況為溶洞半徑R7.4m、埋深200m、Ⅳ級圍巖和無額外水平應力場施加。

2.1 溶洞尺寸影響

改變溶洞半徑為R11.0m、R7.4m和R6.0m，下進行強度折減。計算后繪制的影響分區結果見圖3。其中有色部分為有影響區，無色部分為無影響區。由結果可以看出，在相對位置為-60°工況下有影響范圍最大，在溶洞半徑為R7.4m時達到了距離溶洞中心39.6m，0°范圍最小，為14m。溶洞半徑為R11m時，-60°處的影響分區范圍最大，達到了45.6m；隧道在溶洞下側時的有影響區范圍大于上側，隨著溶洞尺寸的增大，溶洞上部影響分區范圍明顯增大，尤其體現在90°位置處，溶洞影響分區形狀也逐漸趨近于圓；在溶洞尺寸較小時，高鐵隧道相對于溶洞的位置在0°～90°和0°～-90°內有影響區范圍先增大后減小。

圖3 溶洞尺寸對近接影響分區的影響規律

2.2 埋深影響

改變埋深100m、150m、200m3種工況，溶洞尺寸選擇半徑為7.4m，計算后繪制的影響分區見圖4。由結果可以看出，在埋深為100m時，影響分區在10m～30m范圍內，最大值為-90°處最小值在90°處。埋深為200m時-60°情況下影響分區最大點距溶洞中心39.6m；隨著溶洞埋深的增加，±60°范圍內有影響區范圍明顯增大，剩余位置處增加幅度較小；不同埋深下影響分區形狀相似，其中高鐵隧道與溶洞相對位置在0°～90°范圍內影響分區范圍先增大后減小，在溶洞下側影響分區明顯大于上側。

圖4 埋深條件對近接影響分區的影響規律

2.3 水平應力影響

改變水平應力為自重應力比的0.5倍、1.0倍和2.0倍，其中溶洞半徑為R7.4m，埋深200m。計算后繪制的影響分區結果見圖5。從結果可以看出隧道在溶洞上部(0°～60°)修建水平應力與豎向應力比為0.5時，0°～60°范圍內最小值出現在0°附近，應力比為1.0時出現在30°附近，應力比為2.0時出現在60°附近，可見隨著應力比的增大上部影響分區下限逐漸向溶洞斜上方發展；應力比對影響分區的影響主要集中在溶洞上側，下部影響分區的范圍和形狀基本不變。

圖5 水平應力對近接影響分區的影響規律

2.4 圍巖條件影響

由圍巖參數表1和影響分區圖6可以看出，隧道與溶洞相對位置為-60°時，影響分區范圍最大，Ⅲ～Ⅴ級圍巖情況下距離溶洞中心距離依次為39.3m、39.7m、54,7m；圍巖條件越好，近接影響分區范圍越小，形狀越趨近于“X”形，圍巖條件越差，影響分區越大，尤其體現在相對位置為90°附近，-90°位置隨著圍巖變差影響分區變化趨勢不明顯。

3 結論

本文在高鐵隧道近接溶洞模型上運用極限剪應變判據的強度折減法，求得了不同溶洞尺寸、埋深、水平應力場、圍巖級別條件下的溶洞影響分區，結論：

(1)溶洞半徑R7.4m，埋深200m，四級圍巖條件下，高鐵隧道近接影響分區最大值出現在相對位置-60°附近，距離溶洞中心39.3m，最小值出現在90°附近。從不同因素的影響分區圖可以看出，影響分區范圍較小(在20m以內)時形狀趨近于“X”形，范圍較大時趨近于圓形。

圖6 圍巖級別對近接影響分區的影響規律

(2)高鐵隧道近接溶洞的影響分區最大值普遍出現在溶洞下方，兩者相對位置-60°附近，且溶洞下側影響分區范圍大于上側，該部分基本不隨溶洞尺寸、埋深、應力比和圍巖條件的變化而改變。故隧道應盡量保持與溶洞平行施工，避免在溶洞下方修建。

(3)水平應力增大時，溶洞上部影響分區距離最小位置與溶洞相對位置關系從0°向60°方向轉移，水平應力較大時，影響分區形狀變化相較于其他條件表現出更強的無規律性，可見構造應力場溶洞影響分區影響較大。