巖溶區(qū)水工隧洞穩(wěn)定性影響因素研究

周文俊

(江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

我國山區(qū)分布有大面積的可溶性巖石，處于巖溶區(qū)隧洞穩(wěn)定性是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。針對巖溶區(qū)隧洞穩(wěn)定性，大量的學(xué)者開展了相關(guān)的研究。金鵬[1]綜合采用理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬分析了層間孔隙巖溶區(qū)有壓水工隧洞穩(wěn)定性的影響因素。結(jié)果表明，隧洞圍巖應(yīng)力水平均隨洞徑增大而增大，當(dāng)洞徑保持不變時(shí)，隧洞位于隔水層時(shí)的開挖拱頂下沉量與其在含水層時(shí)的開挖拱頂下沉量相同。葉堃等[2]依托玉京山隧道巨型溶洞工程提出了“暗河改道、溶洞回填和橋梁跨越”總體處理措施建議。崔明等[3]依托廣州地鐵12號線棠溪站—南航新村站區(qū)間工程系統(tǒng)的研究了串珠形溶洞區(qū)盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性。結(jié)果表明，隧道上方溶洞對隧道變形和受力的影響最大，側(cè)方溶洞次之。此外，跨度比一定時(shí)，隨著溶洞距離的增加，管片拉應(yīng)力急劇減小。石菊創(chuàng)等[4]采用數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了下伏溶洞對運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，二次襯砌最大剪應(yīng)力和最大豎向位移隨溶洞埋深的增大而減小。當(dāng)溶洞埋深大于7m是，溶洞對隧洞的穩(wěn)定性影響較小。吳治生和張杰[5]綜合采用現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)對巖溶隧道地質(zhì)構(gòu)造與圍巖等級進(jìn)行了劃分，結(jié)果表明，采用提出的劃分方法可以較好的適用于可溶性圍巖級別的確定。結(jié)果表明，提出的新的隧道巖溶精細(xì)勘察模式在實(shí)際應(yīng)用中行之有效可在類似工區(qū)推廣使用。許壘等[6]依托實(shí)際工程，采用理論方法推導(dǎo)了巖溶地區(qū)壓力分散型錨索的錨固段應(yīng)力計(jì)算公式并與實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

巖溶區(qū)溶洞對隧洞穩(wěn)定性是影響隧洞施工和安全運(yùn)營的重要因素，為研究可溶巖地區(qū)隧洞的穩(wěn)定性，采用ABAQUS數(shù)值模擬建立計(jì)算模型，系統(tǒng)的分析溶洞位置及尺寸對隧洞穩(wěn)定性的影響。本文的研究可為巖溶區(qū)隧洞的設(shè)計(jì)及加固提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

研究區(qū)隧洞位于山區(qū)，隧洞全長4km，半徑為3m，埋深約20m。根據(jù)鉆孔資料揭示，巖層由上到下分別為填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和微風(fēng)化灰?guī)r。填土呈褐色，稍濕-濕，結(jié)構(gòu)松散，主要成分為黏土，粒徑50～300mm，欠固結(jié)，工程性質(zhì)較差；粉質(zhì)黏土呈灰色-褐色，土質(zhì)均勻，含礫石量20%，成分主要為灰?guī)r，粒徑為10～20mm；粉細(xì)砂顏色呈黃色-褐色，稍密，顆粒級配差，顆粒形狀不規(guī)則，工程性質(zhì)較差；強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r顏色呈灰色-灰黑色，分化強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)破碎。隧洞采用全斷面開挖方式施工，每次掘進(jìn)5m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探資料顯示，隧洞與溶洞位于殘積土層。為簡化計(jì)算，不考慮溶洞內(nèi)的水壓力對隧道的變形的影響。

1.2 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值有限元軟件建立計(jì)算模型如圖1所示。根據(jù)施工過程，選取24個(gè)斷面模擬施工過程。隧洞半徑為3m。為簡化計(jì)算，假定溶洞形狀為橢圓形。數(shù)值計(jì)算模型假定總長度為100m。溶洞與隧洞的凈間距為13m，計(jì)算不考慮襯砌對圍巖的約束和支護(hù)作用。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

模型網(wǎng)格采用C3D8R減縮積分單元。模型網(wǎng)格總數(shù)為54210。模型分析步驟首先為溶洞土體移除；地應(yīng)力平衡；模型左右邊界約束水平方向的位移，上下邊界約束水平和豎向位移。巖土體的計(jì)算參數(shù)見表1。計(jì)算本構(gòu)采用摩爾-庫倫模型。

表1 巖土體材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 溶洞對隧洞土體位移影響

得到隧洞左側(cè)有溶洞和無溶洞對隧洞變形的影響規(guī)律如圖2所示。由圖可知，拱頂和拱腰的變形均隨開挖深度的增大先增大后減小。存在溶洞時(shí)，隧洞拱頂?shù)膹较蜃冃未笥跓o溶洞時(shí)隧洞的徑向位移。存在溶洞時(shí)的拱腰位移小于無溶洞時(shí)的拱腰位移。導(dǎo)致的原因主要是應(yīng)力的屏蔽作用。有溶洞和無溶洞的拱頂最大徑向位移分別為32和28mm；拱腰最大徑向位移分別為16和21mm。

圖2 開挖深度與隧洞位移的關(guān)系

兩個(gè)典型斷面S1和S2不同位置處的地表沉降變形如圖3所示，S1斷面無溶洞，S2斷面存在溶洞。結(jié)果表明，隨地表距隧洞中心線距離的增大，地表沉降變形先增大后減小。兩斷面處的地表沉降變形最大值均在中間位置最大。遠(yuǎn)離隧洞中線位置的地方，開挖對地表沉降變形的影響較小。溶洞的存在導(dǎo)致S2斷面地表變形總體大于S1斷面。由于溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比，溶洞對于地表變形的影響比隧洞開挖的影響更小。總體來看，地表位置距離隧道的距離大于3倍隧洞直徑時(shí)，地表沉降變形較小[7]。

圖3 不同位置處的地表沉降變形

2.2 溶洞尺寸對隧洞土體位移影響

溶洞尺寸對隧洞變形影響曲線如圖4所示。由圖4(a)看出，隧洞拱頂?shù)呢Q向位移隨溶洞長軸的增大由初始的19mm增大至35mm；隧洞拱底的變形由17mm增大至21mm。溶洞尺寸的大小對隧道拱頂?shù)挠绊懕人矶垂暗椎呢Q向變形影響更大。由圖4(b)看出，隧洞拱頂?shù)乃轿灰朴沙跏嫉?mm增大至1.2mm；隧洞拱底的變形由0mm增大至3.8mm。溶洞尺寸的大小對隧洞拱底水平位移的影響比對隧洞拱頂?shù)挠绊懜蟆Ｓ蓤D4(c)看出，隧洞右拱腰的水平位移隨由初始的12mm減小至5mm；左拱腰的水平變形由12mm增大至28mm。溶洞尺寸的大小對隧道拱底水平位移的影響比對隧洞拱頂?shù)挠绊懜蟆？傮w來看，溶洞位置與隧道左拱腰距離更近，溶洞尺寸對左拱腰的影響更大。

圖4 溶洞尺寸對隧道變形影響曲線

2.3 溶洞位置對隧道土體安全性影響

溶洞不同位置對隧洞穩(wěn)定性的影響結(jié)果表明，溶洞位于隧道頂部時(shí)，安全系數(shù)最大，溶洞位于隧道的側(cè)面時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)最小。穩(wěn)定性系數(shù)最大值和最小值分別為3.25和2.62。總體來看頂部存在溶洞對隧道的變形影響最小，底部存在溶洞對隧洞的影響次之，側(cè)面存在溶洞對隧道的變形影響最大。

2.4 溶洞與隧洞凈距對隧道土體位移影響

溶洞與隧洞間距對隧洞變形影響曲線，如圖5所示。由圖5(a)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時(shí)，隧洞拱頂?shù)呢Q向位移由40mm減小至28mm，拱底的豎向變形由47mm減小至40mm。隨著距離的增大，溶洞對隧洞拱頂和拱底的豎向變形影響逐漸減弱；由圖5(b)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時(shí)，隧洞拱頂?shù)乃轿灰朴?.9mm減小至1.2mm，而拱底的豎向變形由3.1mm減小至0mm。因此，隨著距離的增大，溶洞對隧洞拱頂和拱底水平變形的影響逐漸減弱，隧洞拱頂水平位移比拱頂水平位移受溶洞與隧道間距更大。由圖5(c)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時(shí)，隧洞右拱腰的水平位移由16mm減小至7mm，左拱腰的水平變形由12mm減小至0mm。總體來看，間距大于10m時(shí)，進(jìn)一步增大凈間距，左右拱腰處的圍巖水平變形值趨于0，即溶洞對隧洞圍巖的影響基本可以忽略。

圖5 溶洞與隧洞間距對隧洞變形影響曲線

3 結(jié)語

本文依托某地巖溶區(qū)隧洞工程，基于ABAQUS數(shù)值模擬開展溶洞對隧洞內(nèi)力及變形的影響。得到如下結(jié)論。

(1)隧洞施工過程中，拱頂和拱腰的變形均隨施工進(jìn)度先增大后減小。溶洞的存在導(dǎo)致隧洞拱頂?shù)膹较蜃冃卧龃螅把灰茰p小。溶洞對隧洞拱頂和拱底的豎向變形和水平變形影響逐漸減弱。溶洞與隧洞凈間距大于10m時(shí)，溶洞對隧洞圍巖的影響可忽略。

(2)溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比時(shí)，溶洞對地表變形的影響小于隧洞開挖的影響。頂部溶洞對隧洞的變形影響最小，底部溶洞對隧洞的影響次之，側(cè)面溶洞對隧洞的變形影響最大。

(3)由于工程地質(zhì)條件對研究結(jié)果有一定影響，研究結(jié)論需要結(jié)合其它地質(zhì)工況進(jìn)一步分析論證。