非充填型溶洞發(fā)育位置及大小對隧道施工的影響分析

朱國偉

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京100038)

非充填型溶洞發(fā)育位置及大小對隧道施工的影響分析

朱國偉

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京100038)

為研究非充填型溶洞發(fā)育位置及大小對鐵路隧道施工的影響，本文對長昆客運專線巖溶隧道周邊不同發(fā)育位置及大小的非充填型溶洞進行了二維數(shù)值模擬分析。分析結果表明:非充填型溶洞將引起隧道周邊位移、塑性區(qū)增大;不同位置的溶洞對圍巖應力影響不同，相交溶洞的存在對隧道結構最為不利。

隧道 溶洞 位置 影響

我國高速鐵路網(wǎng)越來越密，新線建設中鐵路隧道穿越非充填型溶洞區(qū)的情況不可避免，不同發(fā)育位置及大小非充填型溶洞的存在會對隧道施工產生不同的影響，需對此加以研究。鄒成杰［1］以魯布革水電站為依托工程，分析了不同洞徑的圓形隱伏溶洞對隧洞位移的影響。張延等［2］以內昆、南昆鐵路部分典型隧道溶洞為例，總結出巖溶對隧道工程的影響主要是洞害、水害、洞穴充填物坍塌、洞頂?shù)乇硭菟膫€方面。史世雍等［3］采用數(shù)值方法分析了不同尺度的頂部溶洞對夏家廟隧道圍巖位移和應力的影響，以及不同位置、規(guī)模的溶洞對隧道支護結構受力性能的影響。不同位置及大小的溶洞對隧道施工的影響規(guī)律目前尚研究得不夠全面。

本文采用數(shù)值分析方法，建立二維模型對拱頂、拱腰、邊墻、仰拱處不同大小的溶洞對隧道施工的影響規(guī)律進行研究，為隧道選線及設計施工提供參考。

1 溶洞形狀及尺寸統(tǒng)計分析

埋深較淺的隧道處于地下水垂直入滲循環(huán)帶內，其遇到的溶洞以近豎向發(fā)育溶洞為主。此類溶洞受溶解水流動特點的影響，其空間形態(tài)一般均呈柱狀或板面狀分布，且一般在地表處均有溶蝕跡象。在隧道勘察時通常會避開此類影響帶，因此，因大的豎向溶洞導致的工程災害相對較小。分析此類溶洞必須按實際情況模擬其空間形態(tài)，而其空間形態(tài)千差萬別，只能具體問題具體分析，基本無共性可言。巖溶區(qū)除垂直循環(huán)帶之外，還存在水平循環(huán)帶。對部分巖溶地區(qū)鐵路隧道既有資料的調查表明，對于近水平向發(fā)育的溶洞而言，當溶洞直徑＞16 m時，溶洞空間形態(tài)一般近似呈大廳狀;但在溶洞直徑較小時，溶洞一般均近似為圓形。本文分析圓形溶洞對隧道的影響。

在宋戰(zhàn)平［4］、綦彥波［5］對武都水庫地質勘查資料及隧道開挖揭露溶洞、已建成的宜萬鐵路巖溶隧道資料等統(tǒng)計的基礎上，匯總了在建的長昆客運專線上的巖溶隧道情況，總結出我國巖溶隧道施工中常見溶洞尺度，具體統(tǒng)計情況見表1。

表1 溶洞尺寸分布統(tǒng)計(據(jù)綦彥波資料和長昆線調查資料)

從表1可知，在調查地區(qū)當前隧道工程中所遇到的溶洞尺寸89%以上在2.0～14.0 m，因此本文主要對此類溶洞進行分析。

2 計算模型

根據(jù)長昆客運專線在建巖溶隧道的具體情況建立二維數(shù)值模型，計算模型尺寸，－45 m＜x＜45 m;－40 m＜y＜40 m，其中取巖溶區(qū)隧道的平均埋深為40 m。根據(jù)對溶洞形狀、直徑的統(tǒng)計分析結果，將溶洞簡化成直徑為2.5，5.0，7.5，10.0及12.5 m的圓形，溶洞位于距隧道拱頂、拱腰、邊墻、仰拱分別為0(溶洞與隧道相交)，3，6，9和12 m處總計100種工況。其中溶洞在隧道拱腰外側的情況如圖1所示。

圖1 拱腰外側存在相離溶洞時的計算模型

隧道按新奧法施工，三臺階開挖，計算中僅考慮了初期支護(混凝土厚度為30 cm，強度等級為C30)，而未考慮二次襯砌，材料參數(shù)按現(xiàn)場實際情況選取，此處不贅述。

目前的數(shù)值分析軟件尚無法實現(xiàn)對溶洞形成過程的完全模擬，因此本文采用對地層人工開挖的方式來模擬溶洞的形成。首先進行初始地應力場的模擬，之后在初始應力場基礎上模擬溶洞形成過程，形成溶洞應力場，之后再在溶洞應力場中進行隧道的開挖與支護模擬，最后形成巖溶隧道應力場與位移場。在模擬時認為溶洞形成過程中所產生的位移在隧道開挖前已經(jīng)存在，對隧道開挖位移無影響，因此應該對自重與溶洞形成過程中產生的位移進行清零，最終使得地層及結構的位移全部為隧道開挖引起的位移。鑒于長昆線現(xiàn)場狀況，模型分析時認為溶洞在隧道開挖前處于穩(wěn)定狀態(tài)，且不考慮圍巖的蠕變效應。

3 計算結果分析

3.1 拱頂附近溶洞對隧道開挖的影響

3.1.1 位移變化

1)拱頂下沉。當隧道與溶洞相交時，隧道的拱頂豎向位移值隨著溶洞直徑的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，并且其豎向位移值為無溶洞情況下的3.5～5.5倍。溶洞與隧道拱頂相離時，隧道拱頂下沉值隨著溶洞直徑的增加而增加，隨著洞間距的增大，7.5 m直徑以下的溶洞影響下的隧道拱頂下沉值呈現(xiàn)增大的趨勢，7.5 m直徑以上的溶洞影響下的隧道拱頂下沉值呈現(xiàn)減少的趨勢，兩種趨勢共同趨近于無溶洞的情況。

2)周邊收斂。隨著溶洞間距的增大，隧道周邊收斂呈現(xiàn)減少的趨勢，隨著溶洞直徑的增大，隧道周邊收斂呈現(xiàn)增加的趨勢。有溶洞情況下周邊收斂值較無溶洞情況下要大，其比值約為1.0～1.3。

3)仰拱隆起。隧道拱頂存在溶洞時，隧道仰拱隆起值隨著溶洞直徑的增加呈現(xiàn)不斷減少的趨勢;隨著洞間距的擴大，隧道仰拱隆起值呈現(xiàn)增大的趨勢，整體而言，拱頂溶洞的存在有利于降低隧道仰拱隆起值，其隆起值為無溶洞情況下的0.88～1.00倍。

3.1.2 圍巖應力變化

拱頂上方存在溶洞時，隧道仰拱最大主應力、拱腳最小主應力均為壓應力，并且相應特征位置的最大、最小主應力與無溶洞時差別不大。溶洞直徑一定時，仰拱處最大主應力隨著溶洞與隧道間距的增大逐漸接近于無溶洞工況最大主應力，拱腳處最小主應力隨著洞間距的增大而逐漸增大，洞間距超過3 m時，應力增加趨于平緩，最終接近于無溶洞工況下拱腳處的最小主應力。

3.1.3 塑性區(qū)變化

拱頂上方存在溶洞工況下，隧道開挖引起周邊塑性區(qū)面積較無溶洞情況下增加;溶洞尺寸越大塑性區(qū)的面積增加得越多，隨著洞間距的增大，塑性區(qū)面積逐漸減少，最終接近無溶洞工況;溶洞與隧道相交時，塑性區(qū)面積增加尤為明顯，當洞間距相對溶洞直徑較小時，塑性區(qū)有可能貫穿洞間圍巖。

3.1.4 支護結構受力變化

隧道拱頂存在相交溶洞時，支護結構的軸力明顯減少，彎矩明顯增加。當溶洞與隧道拱頂相離時，溶洞的存在使得溶洞附近支護結構軸力較無溶洞狀況下有所增加;隨著洞間距的增大，支護結構的拱頂軸力逐漸減少，但最終軸力值仍是比無溶洞狀況下要大。在同樣洞間距情況下，隨著溶洞直徑的增大，拱頂軸力呈增大趨勢，溶洞對拱頂彎矩值影響不大。

3.2 仰拱附近溶洞對隧道開挖的影響

3.2.1 位移變化

1)拱頂下沉。仰拱下方存在溶洞時，隧道的拱頂下沉值較無溶洞情況下要小，仰拱處溶洞的存在對于減少拱頂下沉是有利的。隨著溶洞直徑的增加，拱頂下沉值呈減少的趨勢，隨著洞間距的擴大，隧道拱頂下沉值呈現(xiàn)增大的趨勢。隧道拱頂下沉值與無溶洞情況下的比值約為0.4～1.0。

2)周邊收斂。隧道仰拱處存在溶洞時，相交溶洞與相離溶洞對周邊收斂的影響呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但其收斂值均比無溶洞情況下大。當隧道與溶洞相交時，隧道的周邊收斂值隨著溶洞直徑增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。當隧道與溶洞相離時，隨著洞間距的擴大，隧道周邊收斂呈現(xiàn)減少的趨勢;隨著溶洞直徑的增加，隧道周邊收斂呈現(xiàn)增大的趨勢。隧道周邊收斂值與無溶洞情況下的比值約為1.1～2.3。

3)仰拱隆起。同一溶洞直徑情況下，隨著洞間距的增大，隧道仰拱隆起呈現(xiàn)減少的趨勢。在同一洞間距的情況下，隨著溶洞直徑的增加，隧道仰拱隆起呈現(xiàn)增大的趨勢。整體而言，有溶洞情況下仰拱隆起值比無溶洞情況下要大，其比值約為1.0～3.8。

3.2.2 圍巖應力變化

仰拱下方相交溶洞直徑較小時，隧道仰拱最大主應力可能為拉應力。就整體而言，仰拱處最大主應力與無溶洞時差別不大，拱腳處最小主應力較無溶洞時最小主應力要小，其比值為0.37～1.0。拱腳處最小主應力隨著溶洞直徑的增大而減少;隨著洞間距的增大而逐漸增大，最終接近于無溶洞工況下拱腳處的最小主應力。

3.2.3 塑性區(qū)變化

仰拱下方存在溶洞時，隧道開挖引起周邊塑性區(qū)面積較無溶洞情況下增加;洞間距一定時，溶洞尺寸越大塑性區(qū)的面積增加得越多;當塑性區(qū)貫穿溶洞與隧道間圍巖時，隨著洞間距的增大，塑性區(qū)大小將逐漸趨于穩(wěn)定;溶洞尺寸越大塑性區(qū)貫穿的幾率越高，若溶洞與隧道圍巖間塑性區(qū)未貫通時，隧道結構周邊的塑性區(qū)面積將較貫通時明顯減少。

3.2.4 支護結構受力變化

仰拱下部存在相交溶洞時，支護結構所受軸力明顯減少，而彎矩變化不明顯;當仰拱下部存在相離溶洞時，支護結構所受軸力較無溶洞工況下大，且隨著洞間距的增大軸力逐漸減少，隨著溶洞直徑的增大，仰拱軸力呈增大趨勢，支護結構所受彎矩變化不明顯。

3.3 拱腰附近溶洞對隧道開挖的影響

3.3.1 位移變化

1)拱頂下沉。隧道拱腰處存在溶洞時，拱頂下沉較無溶洞狀況下要大，隧道拱頂下沉與無溶洞情況下的比值約為1.0～1.6，且隨著溶洞直徑的增大拱頂下沉逐漸增大，隨著洞間距的擴大，隧道拱頂下沉逐漸減少。

2)周邊收斂。溶洞與隧道相對關系不同時，周邊收斂呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)形式。當洞間相交時，隨著溶洞直徑的增加，周邊收斂值呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，而洞間相離時則相反。

3)仰拱隆起。拱腰上方存在溶洞時，隨著洞間距的擴大，隧道周邊收斂、仰拱隆起呈現(xiàn)減少的趨勢。在洞間距≤3 m的情況下，隨著溶洞直徑的增加，仰拱隆起呈現(xiàn)增大的趨勢;在洞間距＞3 m的情況下，隨著溶洞直徑的增加，仰拱隆起呈現(xiàn)減少的趨勢。

3.3.2 圍巖應力變化

拱腰上方存在溶洞時，仰拱處的最大主應力與無溶洞工況下接近，拱腳處最小主應力較無溶洞時最小主應力大，其比值為1.00～1.06。拱腳處最小主應力隨著溶洞直徑的增大而增大，隨著洞間距的增大而逐漸減少，最終接近于無溶洞工況下拱腳處的最小主應力。

3.3.3 塑性區(qū)變化

右拱腰上方存在溶洞時，隧道開挖引起周邊塑性區(qū)面積較無溶洞情況下增加。溶洞直徑越大塑性區(qū)的面積增加得越多，塑性區(qū)面積隨著洞間距的增大而減少;溶洞直徑越大塑性區(qū)貫穿的幾率越高，若溶洞與隧道間塑性區(qū)未貫通時，隧道結構周邊的塑性區(qū)面積將較貫通時明顯減少。

3.3.4 支護結構受力變化

隧道右拱腰存在相交溶洞時，與無溶洞工況相比，初期支護結構軸力明顯減少，而彎矩明顯增加，局部存在強變化區(qū)，對于結構安全不利。當隧道與溶洞相離時，隨著洞間距的增大，支護結構右拱腰的軸力、彎矩逐漸減少，最終拱腰處軸力、彎矩值由大于無溶洞工況轉變?yōu)樾∮跓o溶洞工況，軸力、彎矩與無溶洞工況下的比值分別為0.8～2.0，0.6～1.5。在同樣洞間距情況下，隨著溶洞直徑的增大，右拱腰處軸力、彎矩呈增大的趨勢。

3.4 邊墻附近溶洞對隧道開挖的影響

3.4.1 位移變化

1)拱頂下沉。隧道邊墻側部存在溶洞時，拱頂下沉較無溶洞工況要大，其比值為1.0～2.2，且隨著邊墻溶洞直徑的增大，拱頂下沉呈增大趨勢;隨著洞間距的擴大，隧道拱頂下沉呈減少趨勢。

2)周邊收斂。邊墻側存在溶洞時，溶洞與隧道間是否相離影響著隧道周邊收斂的變化。當隧道與溶洞相交時，周邊收斂隨著溶洞直徑的增加呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，溶洞的存在使得隧道收斂相對無溶洞情況下減少;當隧道與溶洞相離時，在洞間距較小的情況下，周邊收斂整體上呈現(xiàn)隨著溶洞直徑增大而增大的趨勢，在洞間距較大的情況下，周邊收斂隨著溶洞直徑的增大呈現(xiàn)減少的趨勢。

3)仰拱隆起。當隧道邊墻側存在溶洞時，隧道整體隆起值較無溶洞時大。隧道與溶洞相交時，隧道仰拱隆起值隨著溶洞直徑增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢;當隧道與溶洞相離時，仰拱隆起值隨著溶洞直徑的增加而增加，隨著洞間距的增大而減少。

3.4.2 圍巖應力變化

邊墻右側存在溶洞時，除溶洞與隧道相交外，其他工況拱腳處最小主應力較無溶洞時大，其比值為1.00～1.18。在同樣洞間距的情況下，拱腳處最小主應力隨著溶洞直徑的增大而增大;在同樣溶洞直徑的情況下，拱腳處最小主應力隨著洞間距的增大而逐漸減少，最終接近于無溶洞工況下拱腳處最小主應力。

3.4.3 塑性區(qū)變化

邊墻右側存在溶洞時，隧道開挖引起周邊塑性區(qū)較無溶洞時增加;洞間距一定時，溶洞尺寸越大塑性區(qū)的面積增加得越多，塑性區(qū)隨著洞間距的增大而減少;邊墻右側存在溶洞時，溶洞尺寸越大塑性區(qū)貫穿的幾率越高，若溶洞與隧道間塑性區(qū)未貫通時，隧道結構周邊的塑性區(qū)將較貫通時明顯減少。

3.4.4 支護結構受力變化

隧道右邊墻存在相交溶洞時，初期支護結構軸力明顯減少，而彎矩明顯增加。當溶洞與隧道相離時，隨著洞間距的增大，支護結構右拱腰的軸力、彎矩逐漸減少，最終拱腰處軸力、彎矩值大小接近于無溶洞時，軸力、彎矩與無溶洞時比值分別為1.0～2.7，1.0～18.0。

4 結論與建議

1)隧道拱頂上方、仰拱下方存在溶洞時，溶洞的影響使得隧道有由兩邊向中間擠壓的趨勢，并且這種趨勢隨著溶洞離隧道距離的增大而減少。拱腰與邊墻側溶洞的存在使得隧道結構處于偏壓狀態(tài)，隧道呈現(xiàn)不均勻沉降，拱頂下沉值較無溶洞時增大，為其1.0～2.2倍。

2)溶洞對結構的應力有一定的影響，這種影響隨著溶洞直徑的增大、溶洞與隧道間間距的減少而呈現(xiàn)增大的趨勢。總體而言，其與無溶洞時應力的比值隨著溶洞位置的不同而在0.37～1.18內變化，其中仰拱處溶洞較其他位置的溶洞對隧道應力的影響大。

3)溶洞對周邊圍巖的塑性區(qū)影響較大，隧道離溶洞較近(隧道與溶洞相交)時，尤其嚴重，甚至塑性區(qū)發(fā)生貫穿，不利于發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)作用。就拱頂、拱腰、邊墻、仰拱四種位置的溶洞而言，拱腰處溶洞對塑性區(qū)的影響最為嚴重、邊墻次之，拱頂與仰拱處溶洞對塑性區(qū)的影響最小。

4)溶洞附近支護結構所受彎矩增大，軸力減少，存在相交溶洞時其影響尤為嚴重，這種趨勢隨著溶洞離隧道距離的增加而減弱。根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》中破損階段法計算結構的安全系數(shù)，結果表明，溶洞的存在使得支護結構的安全系數(shù)降低，應注意對結構予以加強［6］。

5)本文計算中僅是對圍巖平面應力進行了靜態(tài)分析，實際施工中尚應考慮爆破震動、溶洞的空間效應等因素的影響。

6)本文的結論僅針對非充填型溶洞。若溶洞為充填型，其影響有待進一步研究。

［1］鄒成杰.水利水電巖溶工程地質［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］張延，陳中.隧道巖溶處理面面談［J］.現(xiàn)代隧道技術，2001 (1):60-64.

［3］史世雍，梅世龍，楊志剛.隧道頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2005，1(5):698-702.

［4］宋戰(zhàn)平.隱伏溶洞對隧道圍巖—支護結構穩(wěn)定性的影響研究［D］.西安:西安理工大學，2006.

［5］綦彥波.既有溶洞對鐵路單線隧道施工穩(wěn)定性的影響研究［D］.天津:天津大學，2007.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責任審編李付軍)

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.12

1003-1995(2015)06-0041-04

2015-02-03;

2015-03-22

朱國偉(1971—)，男，河北鹽山人，高級工程師。