側(cè)壁垂直發(fā)育板狀溶洞隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性研究

吳明麗 盧超波 鐘乃龍

(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.廣西交通科學(xué)研究院；3.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

側(cè)壁垂直發(fā)育板狀溶洞隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性研究

吳明麗1盧超波2,3鐘乃龍2,3

(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.廣西交通科學(xué)研究院；3.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)喀斯特地貌中平行于隧道走向分布的垂直型板狀溶洞巖體，采用數(shù)值試驗(yàn)的方法對(duì)隧道開(kāi)挖后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①相對(duì)于無(wú)溶洞巖體，有板狀溶洞巖體模擬在隧道開(kāi)挖后圍巖位移的最大值增大了24%；②無(wú)溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出中心對(duì)稱分布狀，有板狀溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后，隧道圍巖的應(yīng)力分布呈非對(duì)稱狀態(tài)；③與無(wú)溶洞巖體相比，有板狀溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力分別增加了26%、228%；④無(wú)溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖未出現(xiàn)明顯的屈服破壞區(qū)域，而有板狀溶洞巖體在底板中心偏溶洞方向處出現(xiàn)了拉伸破壞區(qū)域。上述結(jié)論可為確保隧道穩(wěn)定性而進(jìn)行的巖溶處理工作提供參考。

喀斯特巖溶 板狀巖溶 圍巖穩(wěn)定性

喀斯特巖溶地貌分布廣泛，隨著工程建設(shè)速度的加快，在巖溶區(qū)修建的隧道數(shù)量越來(lái)越多，其所需要解決的問(wèn)題也日益增加。對(duì)隧道穿越巖溶地區(qū)所面臨的難題，張煒等分析了巖溶隧道涌突水原因，并探討了治理技術(shù)[1]；趙明階等對(duì)巖溶隧道側(cè)分布溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)巖溶尺寸對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究[2-3]；周雪銘[4]、譚代明等[5]對(duì)巖溶隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；臧守杰等[6]對(duì)喀斯特地區(qū)隧道施工中隧底巖層的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；李術(shù)才等[7]在綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的流程，并提出了隧道地質(zhì)災(zāi)害四色預(yù)警機(jī)制，制定了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，研發(fā)了性能更強(qiáng)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代陸地聲納儀，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件；張民慶等[8-9]對(duì)巖溶隧道安全設(shè)計(jì)、施工與管理進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)宜萬(wàn)線巖溶地區(qū)巖溶特征進(jìn)行研究，將施工中所遇到的巖溶按工程地質(zhì)特征分為洞穴型、溶隙溶槽型、管道型、大型巖溶等4類，并按無(wú)充填型、半充填型、充填型、充水型、過(guò)水型、暗河型等水文地質(zhì)特征進(jìn)行了次級(jí)分類，給出了有針對(duì)性的治理措施。此外，對(duì)不同的巖溶類型，許多學(xué)者對(duì)巖溶導(dǎo)致的災(zāi)害機(jī)制以及處治施工技術(shù)亦進(jìn)行了相關(guān)研究[10-12]。以常見(jiàn)的典型近側(cè)壁板狀溶洞對(duì)隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討板狀溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，為巖溶隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型計(jì)算

1.1 模型簡(jiǎn)介

為了探討板狀溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，將模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將溶洞與隧道作為二維平面問(wèn)題進(jìn)行探討。在數(shù)值計(jì)算中采用NULL單元模擬隧道以及溶洞。模型的位移邊界條件為左右邊界限制水平方向位移，底部邊界限制垂直位移；模型的應(yīng)力邊界條件為左右邊界施加1.0 MPa的水平應(yīng)力，上部邊界施加1.5 MPa的垂直應(yīng)力。

1.2 力學(xué)模型及參數(shù)

將圍巖假設(shè)為均勻介質(zhì)，采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行描述，模型介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算流程

對(duì)有、無(wú)巖溶的數(shù)值模型首先進(jìn)行應(yīng)力平衡并將位移歸零后進(jìn)行隧道單元的一次性開(kāi)挖，開(kāi)挖后進(jìn)行模型計(jì)算直至平衡，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 位移場(chǎng)特征

無(wú)溶洞巖體以及有板狀溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖的位移場(chǎng)特征如圖1所示。

圖1 巖體位移場(chǎng)特征

由圖1可知，板狀溶洞的存在使得對(duì)稱變形的巷道出現(xiàn)了非對(duì)稱變形，這與許多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程存在溶洞的變形規(guī)律是一致的。由于板狀溶洞的影響，造成隧道開(kāi)挖后近溶洞側(cè)隧道圍巖由于溶洞造成的空洞無(wú)法有效限制隧道變形，在應(yīng)力重新分布下，圍巖向溶洞方向發(fā)生了位移，如圖1(b)所示。經(jīng)監(jiān)測(cè)，無(wú)溶洞與有板狀溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖的位移最大值分別為2.07，2.57 mm，因而溶洞使得隧道開(kāi)挖后圍巖的位移增大了24%。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

無(wú)溶洞巖體以及有板狀溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布特征如圖2所示。

圖2 應(yīng)力場(chǎng)分布特征

無(wú)溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出中心對(duì)稱分布狀，其最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，近似平行于隧道的圓周方向，圍巖大部分區(qū)域的最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，垂直于隧道的徑向，并在隧道拱頂以及底板局部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力。有板狀溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后，隧道周邊圍巖的應(yīng)力分布呈非對(duì)稱狀，與無(wú)溶洞巖體隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力分布狀態(tài)相比，最小主應(yīng)力區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域增加，如圖2(b)中虛線區(qū)域所示，其拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力分布的區(qū)域向溶洞一側(cè)發(fā)生了偏移，并在隧道底板出現(xiàn)了大面積的拉應(yīng)力區(qū)域，如圖2(b)中的實(shí)線區(qū)域所示。此外，有溶洞巖體在隧道開(kāi)挖后最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的最大值均有大幅度增加，無(wú)溶洞巖體的最大壓應(yīng)力由4.96 MPa增大到6.25 MPa，最小拉應(yīng)力由0.30 MPa增加到0.99 MPa，分別增加了26%、230%。

2.3 圍巖屈服單元分布特征

無(wú)溶洞巖體以及有板狀溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖的屈服單元分布特征見(jiàn)圖3。

圖3 圍巖屈服單元分布特征

由圖3可知，無(wú)溶洞巖體隧道開(kāi)挖后圍巖未出現(xiàn)明顯的屈服破壞區(qū)域，而有溶洞巖體在底板中心偏溶洞方向出現(xiàn)了拉伸破壞區(qū)域。因此，隨著隧道圍巖埋深的增加，在地應(yīng)力較大時(shí)，底板出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)增加，可能導(dǎo)致隧道近溶洞側(cè)圍巖存在沿板狀溶洞底部方向形成類似于滑坡的災(zāi)害。

綜上所述，為了保障圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可在探測(cè)溶洞后施工聯(lián)絡(luò)道，并在板狀溶洞施工鋼筋混凝土水平梁支撐柱，從而抑制隧道近側(cè)壁圍巖向溶洞空間的水平位移，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Mohr-Coulomb模型對(duì)無(wú)溶洞及有板狀溶洞巖體的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布特征以及屈服單元分布特征進(jìn)行了深入分析，并給出了溶洞空間水平位移的防治措施，為維護(hù)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供參考。

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2015-01-06)

吳明麗 (1981—)，女，工程師，碩士，530007 廣西壯族自治區(qū)南寧市高新區(qū)高新二路6號(hào)。