巖溶隧道施工階段圍巖穩定性影響分析

呂濤，董增春，高文立

（1.浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310000；2.杭州市交通規劃設計研究院，杭州 310006）

1 工程概況

某巖溶隧道為雙洞雙向隧道，全長2 870 m，左右洞測設線有2.98～29.8 m的間距。所處地質條件為巖溶地貌，有著較大的地形起伏，最大埋深180 m。基于現場勘探結果可知，該隧道所經區域與其垂直相交有兩條斷層，并有顯著的地表水系，地下水對隧道僅有較小的影響[1]。

為確定巖溶地質對隧道開挖的影響，本文將采用有限元分析軟件對其進行建模分析。

2 數值模擬分析

2.1 三維數值建模

該隧道使用的是復合式襯砌結構，由系統錨桿、鋼支撐以及鋼拱架等組成。其中，以3.5 m長的錨桿，按照1 m的環向間距和0.75 m的縱向間距設置系統錨桿；布置φ8 mm@200 mm×200 mm的鋼筋網，并在其上噴射C20混凝土，厚度為26 cm。在對開挖進行模擬時，使用摩爾-庫倫彈塑性模型作為圍巖模型；以實體單元作為初期支護，以板單元作為二次襯砌，均以彈性模擬本構模型；以植入式桁架單元作為錨桿，模型中不對地下水進行考慮。為使圍巖參數得以提高，采用簡化的方式模擬鋼支護，以各施工工法的施工工序為準進行添加。在建模時，將溶洞簡化成半圓球加圓柱加半圓球的形狀，約有1～5 m的半徑[2]。

2.2 圍巖初始應力場的模擬

在模擬時先對溶洞形成階段進行模擬，再對隧道開挖階段進行模擬。首先，基于圍巖參數進行地層的生成，以產生初始應力場；再基于此形成溶洞，以產生二次應力場；最后，模擬隧道開挖隨后支護以產生最終應力場，并且在模擬隧道施工時，不考慮溶洞導致的應力集中現象。為對隧道施工時的圍巖穩定性進行分析，選取如圖1所示幾個典型斷面進行監控[3]。

圖1 巖溶隧道監控剖面示意圖

3 施工工法對巖溶隧道穩定性的影響

3.1 留核心土法

隧道從起點開始開挖至各典型斷面時的豎向位移如表1所示。

表1 典型斷面隧道周圍特征位置豎向位移計算值mm

從表1結果可知，隧道施工時，仰拱底和拱頂有相對較大的豎向位移。當隧道施工和巖溶區不斷接近并穿越時，仰拱底豎向位移不斷增加。在30 m斷面時，仰拱底有16.2 mm的豎向位移，在施工到40 m斷面時，仰拱底有20.0 mm的豎向位移。當隧道開挖面開始進入巖溶區時，在45 m斷面時隧道拱頂有最大的豎向位移。隧道拱肩豎向位移在施工到巖溶區后不斷增大，并在50 m斷面位置出現最大值，拱腰位置則有相對較小的豎向位移，拱腳變化較小[4]。

進一步分析可知，在仰拱處有著最為顯著的位移增量，其原因在于隧道底部巖體因溶洞而變得軟弱，對于仰拱而言，在完成隧道的開挖之后巖體剛度有所降低，故使得仰拱出現較大的向上位移。此外，對其進行進一步分析可知，在隧道的拱腰處存在較大的水平位移，并且隨著隧道施工的推進，其影響范圍不斷增大。當巖溶區有隧道進入時，在隧道開挖后拱腰處的圍巖開始向中心收縮，相比于右側拱腰圍巖而言，左側拱腰處的圍巖有著更大的水平位移。

3.2 C R D法開挖

從表2可以看出，隧道施工時，拱頂和仰拱有相對較大的豎向位移。當巖溶區和施工面接近時，隧道拱頂豎向位移不斷增加，且在40 m斷面位置出現最大值。施工面在巖溶區時則有所降低，此時，拱腳和拱腰豎向位移不斷增加。

表2 典型斷面隧道周圍特征位置豎向位移計算值mm

當隧道施工至巖溶區時，仰拱處并無較大的豎向位移產生，但當巖溶區中有隧道進入時，圍巖的豎向位移出現了較大的增量，隧道仰拱在50 m斷面處有著最大的豎向位移。因此，對于仰拱的豎向位移而言，當巖溶區未有隧道進入時，溶洞并未對其產生影響。50 m斷面處隧道位移變化如圖2所示。

圖2 50 m斷面處隧道位移變化圖

在50 m斷面處，兩個特征點在第15步開挖前均具有較小的豎向位移，此后其豎向位移則不斷增大，仰拱的位移量到開挖第21步時比拱頂的要大，仰拱的變形量在23步開挖時保持在20 mm周圍，拱頂則有著15 mm左右的沉降。此外，在隧道拱腰處有著顯著的水平位移，并且該位移在隧道進入巖溶區之后逐漸向溶洞擴大。當巖溶區中有隧道進入的時候，隧道拱腰表現出向中心收攏的變形，水平位移表現出不斷增加的趨勢。

4 施工工法對比分析

從上述分析可知，兩種施工方法均會對圍巖變形產生影響。基于所得結論，相比于其他位置的位移而言，隧道的拱頂以及拱頂處有著較大的位移。對比拱頂以及仰拱處在不同工法下的位移變化規律。

對于圍巖的位移而言，不管是何種施工方法，在圍巖位移場中，拱頂處均表現為沉降，仰拱處均表現為突起，拱腰處均表現為收斂。當巖溶區與開挖面不斷接近時，隧道開挖對圍巖位移產生的影響越來越大。對于圍巖的變形量而言，當巖溶區所產生的影響較小時，拱頂位置比起仰拱位置有著更大的變形量。當巖溶區中有隧道進入時，對于隧道的底部巖體而言，溶洞的存在弱化了其整體性，并且其仰拱和周圍土體的變形剛度在開挖完隧道后均有所降低，使得仰拱處比起拱頂有著更大的變形量。

基于上述分析可知，在隧道施工時應對其拱頂和拱肩有著較大位移的位置進行局部加強。位移變化主要表現為拱頂的沉降以及仰拱的隆起，拱腰處位移較小。隧道圍巖，支護參數及其設置時間是影響圍巖位移的重要因素。因CRD法施工的不對稱性，隧道的位移存在不對稱性。在實際施工時，當巖溶區中有隧道開挖時，采用CRD法比起留核心土法有著更小的拱頂沉降，但兩種施工工法所導致的仰拱位移基本一致。采用留核心土法施工時，對于仰拱處的豎向位移而言，其大約有一個半徑的影響范圍，而使用CRD法進行施工時其影響范圍有所減小。

基于溶洞所處的具體位置，針對其最具代表性的監測斷面開展分析。對比30 m斷面處和50 m斷面處的拱頂沉降的實測結果以及模擬結果后可得到如圖3所示結果。

圖3 數據對比結果

相比于數值模擬結果，現場實測結果有著更大的數值，原因主要在于現場地下水等的存在，使得實際地質情況更復雜。但無論是實測結果還是模擬結果都在允許范圍內，即數值模擬與實測結果基本保持一致，能夠在一定程度上準確反映施工情況。

5 結論

基于上述分析可知：

1）當隧道施工至巖溶區時，仰拱位移急劇增長，并且因為溶洞的存在，弱化了底部巖體的整體性，仰拱和周圍土體的變形剛度均有所降低，導致仰拱處出現了更大的位移。

2）以留核心土法進行施工時，巖溶區在30 m斷面處即對隧道的豎向位移產生影響，而采用CRD法進行施工時，巖溶區在40 m斷面處才對其產生影響。

3）對于上述兩種施工方法可知，對于隧道圍巖的豎向位移而言，相比于CRD法，以留核心土法進行施工時該值較大，在最大位移處應適當對圍巖進行加固。

4）對比實測數據以及模擬數據可知，兩者具有較為一致的變化規律，表明以模擬結果具有一定的參考價值，所得規律可應用于實際工程中。基于安全以及經濟性的角度進行考慮，該項目以預留核心土的方法進行施工更加合適。