巖溶地區隧道圍巖穩定性影響研究

摘要：文章為探究巖溶地區修建隧道圍巖穩定性的變化規律，采用ANSYS軟件建立計算模型，系統研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對隧道各個位置變形的影響規律，得到以下結論：溶洞位于隧道正上方和正下方時拱頂的沉降最小，當溶洞位置與隧道相水平時，隧道拱頂的沉降變形最大；當溶洞位置處于隧道正上方時，隧道底部的隆起變形最小，而當溶洞位置處于隧道正下方時，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時的隆起變形；當隧道右側存在溶洞時，隧道左拱腰產生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形；隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢，當溶洞位置與隧道相水平時，右拱腳的變形量達到峰值，但溶洞位于隧道右下角時，隧道左拱腳處的變形達到最大值。研究結果可為巖溶地區隧道的設計及施工提供參考。

關鍵詞：巖溶地貌；交通隧道；ANSYS；圍巖穩定性

0引言

隨著我國交通建設事業的蓬勃發展，在西南地區新建了大量的公路及鐵路線路來改善西南地區的出行條件。但西南地區降雨豐沛，多山多河的氣候及地質條件使該地區存在大量的巖溶地貌，分布有大量的溶洞，給隧道的修建及日后的運營帶來極大的安全隱患。

對于在巖溶地區修建隧道，葉堃等［1］基于玉京山隧道建設中遇到的大型溶洞的研究成果，提出了暗河改道、溶洞回填、橋梁跨越的總體處置措施；袁以堂等［2］通過建模研究發現，加強仰拱襯砌可以有效限制仰拱變形，并能使仰拱的受力更加均勻合理；蓋孝乾［3］研究發現，存在溶洞使得地表的沉降顯著增大，且當隧道距溶洞距離大于4倍隧道直徑時，溶洞的存在并不會對隧道圍巖的應力分布產生影響；張晉龍［4］基于彈性理論與數值仿真計算結果發現，可以通過特征值的變化來判定隧道圍巖是否穩定；甄映州［5］基于強度折減法對隧道圍巖的穩定性進行研究，認為高鐵隧道施工應盡量保證與溶洞平行，避免在溶洞下方修建高鐵隧道；常洲等［6］研究了溶洞位置對隧道穩定性的影響，認為溶洞的存在對隧道側部的影響最大，對隧道頂部的影響最小，并根據溶洞與隧道相對位置的不同，對側部、頂部、底部處的溶洞給出了不同的工程處理建議；于濤［7］通過研究發現在交通荷載作用下，位于隧道側方的溶洞對隧道穩定性有顯著影響，隧道與溶洞邊距越小，動荷載下隧道圍巖的穩定性越弱；方振華等［8］對成貴鐵路中溶洞的處置進行研究，結果表明在巖溶地區修建隧道時，隧道頂板和側壁的穩定性較差，但隧道地板的穩定性較好。但當前的研究多集中于隧道跨越溶洞時各種工程處置措施的比選，對于溶洞的位置、溶洞的大小及間距對隧道圍巖的影響研究鮮有報道。

基于此，本文以某新建隧道為研究背景，通過ANSYS軟件建立計算模型，系統研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對隧道各個位置變形的影響規律。研究結果可為巖溶地區隧道的設計及施工提供參考。

1 工程概況及模型的建立

擬建隧道高12 m、寬9 m。經地質勘查發現，擬建隧道旁存在球形溶洞，最大溶洞半徑接近6 m，距隧道最近處的溶洞間距僅為3 m，對隧道的施工及安全運營有巨大的安全隱患。

由于隧道埋深較大且山體巖性較為均勻，對工點處的隧道圍巖進行試驗后得到其力學參數，如表1所示。采用ANSYS軟件建立計算模型，以實際工況為參考，建立模型高150 m，寬120 m，以充分消除邊界條件對隧道變形的影響，所建立的計算模型如圖1所示。圖1中R為溶洞半徑；L為溶洞與隧道邊的間距；θ為溶洞與隧道中線的夾角；A為隧道拱頂位移監測點；B、F為左右拱腰變形監測點；C、E為左右拱腳變形監測點；D為隧道底部變形監測點。

2 試驗結果與分析

溶洞位置對隧道圍巖變形及穩定性有重要影響，不同位置工況下隧道拱頂沉降的變化如圖2所示。需要說明的是，其圖例中R2L3表示溶洞的半徑為2 m，距離隧道的距離為3 m。由圖2可知，溶洞位于隧道正上方和正下方時對應的拱頂沉降最小，當溶洞位置與隧道相水平時，隧道拱頂的沉降變形最大，隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，拱頂處的沉降變形呈先增大后減小的趨勢。此外，在溶洞位置與間距不變的工況下，溶洞半徑越大，拱頂的沉降變形越大。這是由于半徑越大的溶洞其內部空腔的體積越大，削弱了圍巖的支撐作用，所以在圍巖半徑越大的情況下，隧道拱頂的沉降變形越大。在溶洞位置與大小不變的工況下，溶洞與隧道的間距越大，隧道圍巖的厚度就越大，對圍巖的支撐作用越強，對隧道拱頂沉降變形的限制就越強，故隨著溶洞與隧道間距的增加，隧道拱頂位置處的沉降變形在逐漸減小。

不同位置處的溶洞對隧道底部變形的影響如圖3所示。由圖3可知，在不同工況下，隧道底部的變形都是隆起變形。當溶洞位置處于隧道正上方時，隧道底部的隆起變形最小；當溶洞位置處于隧道正下方時，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時的隆起變形。分析主要原因是溶洞位于隧道底部時，溶洞的空腔對巖石沒有支撐作用，在兩側壓力的作用下，溶洞頂部的隆起變形越大，反映在隧道中就是隧道底部的隆起變形越大。當溶洞位于隧道頂部時，由于頂部的溶洞并不會引起隧道底部圍巖處過大的應力重分布，故當溶洞位于隧道頂部時，溶洞的大小及間距對隧道底部的隆起變形影響不大，且隧道底部的隆起變形都在8～12 mm。當溶洞位置與隧道相水平時，隧道底部的隆起變形達到了最大值，這主要是由于隧道本就兩側拱腰受到的壓應力較大，當拱腰處存在溶洞時，削弱了巖石對圍巖的支撐作用，一方面使得拱腰處的圍巖變形增大，另一方面使得隧道底部處的圍巖在應力重分布的作用下產生了更大的附加應力。所以，當溶洞與隧道相水平時，隧道底部的隆起變形最大。此外，當溶洞半徑越大，溶洞與隧道的間距越小，隧道底部的隆起變形量越大，這主要是由于半徑越大，間距越小的溶洞對圍巖的支撐作用削弱越強，故隧道底部的隆起變形量越大。

不同位置處的溶洞對隧道左拱腰變形的影響如圖4所示。需要說明的是，圖4中的變形值為總變形量，負值代表產生背離隧道中心的變形，正值代表產生侵入隧道中心的變形。由圖4可知，當溶洞位于隧道頂部時，左拱腰處產生的是背離隧道中心的變形；當溶洞位于隧道底部時，左拱腰產生的是侵入隧道的變形；當溶洞位置與隧道相水平時，左拱腰并不會出現背離隧道變形的峰值。這可能是由于當溶洞位置與隧道相水平時，產生較大的拱頂沉降及底部隆起，使拱腰處的圍巖附加應力增加的程度不大，所以當溶洞與隧道相水平時，左拱腰處并沒有出現變形的峰值。此外，當溶洞離隧道越近且溶洞半徑越大時，左拱腰處的變形就越大。當溶洞位于隧道上部時，對應的溶洞與隧道中線的夾角θ為0°～90°，左拱腰產生的變形都是背離隧道的變形；當溶洞位于隧道下部時，對應的溶洞與隧道中線的夾角θ為90°～180°，左拱腰處既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

不同溶洞位置對右拱腰變形的影響如圖5所示。由圖5可知，當溶洞位于隧道上方時，右拱腰產生背離隧道中線的變形，且與左拱腰的變形進行對比發現，當溶洞位于隧道正上方時，左右拱腰產生的變形相對稱且都是背離隧道中線的變形。隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腰的變形逐漸由背離隧道的變形向侵入隧道的變形轉化。當溶洞位于隧道的斜上方時（θ=45°），不同半徑、不同間距工況下，隧道右拱腰的變形全部為侵入隧道的變形，與此同時左拱腰的變形全部為背離隧道的變形，當溶洞位置位于隧道上部時（θ為0°～90°），右拱腰的變形大多為侵入隧道的變形，但左拱腰的變形卻全部為背離隧道的變形。當溶洞位置與隧道位置相水平時，右拱腰幾乎不產生變形。當溶洞位置位于隧道下部時（θ為90°～180°），隧道右拱腰的變形大多為背離隧道的變形，當溶洞位于隧道右下方時（θ=135°），右拱腰處背離隧道的變形量達到了峰值。當溶洞位于隧道正下方時，右拱腰的變形反而產生了一定的減小。對比分析溶洞對左右拱腰變形的影響，當隧道右側存在溶洞時，左拱腰產生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

溶洞位置對隧道左拱腳變形的影響如圖6所示。由圖6可知，當溶洞位于隧道正上方時，溶洞半徑越大，間距越小，隧道左拱腳的變形就越大。當溶洞位于隧道正下方時，半徑越大，間距越小的溶洞，其左拱腳的變形也越大，但隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，左拱腳變形呈現出先增大后減小的趨勢，且溶洞位于隧道右下角時（θ=165°），隧道左拱腳處的變形達到最大值。當溶洞半徑越小且離隧道距離越遠時，溶洞對左拱腳變形的影響越小。

溶洞位置對隧道右拱腳變形的影響如圖7所示。由圖7可知，當溶洞位于隧道正上方或正下方時，由于結構對稱使得左右拱腳處的變形相同，都產生侵入隧道的變形，但隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢。當溶洞位置與隧道相水平時，右拱腳的變形量達到了峰值；同樣的，當溶洞半徑越小且離隧道距離越遠時，溶洞對右拱腳變形的影響越小。

3 結語

本文采用ANSYS軟件建立計算模型，系統研究了溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對隧道各個位置變形的影響規律，主要得到了以下結論：

（1）溶洞位于隧道正上方和正下方時對應的拱頂沉降最小，當溶洞位置與隧道相水平時，隧道拱頂的沉降變形最大。

（2）當溶洞位于隧道正上方時，隧道底部的隆起變形最小，當溶洞位于隧道正下方時，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時的隆起變形。

（3）當隧道右側存在溶洞時，左拱腰產生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

（4）隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢，當溶洞位置與隧道相水平時，右拱腳的變形量達到了峰值，但溶洞位于隧道右下角時，隧道左拱腳處的變形達到最大值。

參考文獻：

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作者簡介：李國強（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。