某巖溶隧道支護結(jié)構(gòu)的處治效果分析

程　灝，胡　興

(1.貴州高速集團有限公司,貴州 貴陽 550009;2.貴州大學,土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

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某巖溶隧道支護結(jié)構(gòu)的處治效果分析

程灝1，胡興2*

(1.貴州高速集團有限公司,貴州 貴陽 550009;2.貴州大學,土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

結(jié)合某巖溶隧道工程，分析其巖溶發(fā)育的特征和機理，利用有限差分軟件FLAC3D對側(cè)部溶洞和底部溶洞處治前后的隧道施工過程進行數(shù)值模擬，評價其處治效果。結(jié)果表明：出露的溶洞在處治后，側(cè)部溶洞拱頂位移減小了8.9%，拱底位移減小了4.9%，錨桿軸力減小7.7%，而拱腳壓應(yīng)力增大39.7%，拱腰壓應(yīng)力增大10.7%，隧道底部和頂部出現(xiàn)塑性區(qū)；底部溶洞處治后拱底位移減小了18.2%，錨桿軸力和最大主應(yīng)力變化不大，而拱頂位移增大1.03%，底部塑性區(qū)范圍增大。

巖溶隧道；隧道開挖； FLAC3D模擬；治理效果

巖溶普遍存在于隧道開挖建設(shè)工程中，給隧道施工和運營帶來了極大的安全隱患，目前針對巖溶隧道致災(zāi)機理、穩(wěn)定性評價和控制方法已經(jīng)有了一定的研究。任美鍔和劉振中[1]認為，巖溶隧道產(chǎn)生的主要危害為隧道遇到基底溶洞時底板塌陷，以及開挖至頂部溶洞并含有充填物時，造成的突水、突泥。李彪、梁富清[2]認為溶洞會弱化圍巖性質(zhì)，導致隧道失穩(wěn)變形；且溶洞本身松散的結(jié)構(gòu)和可能存在的危石，都會影響隧道正常施工并威脅人員、設(shè)備的安全?？涤耓3]認為溶洞的存在會弱化隧道圍巖，引起支護結(jié)構(gòu)變形、開裂甚至失穩(wěn)。文獻[4-7]探討了巖溶區(qū)隧道施工的工藝和方法，包括采用拱橋、人工挖孔樁和高壓注漿處理大型出露溶洞；采用鋼筋混凝土底板筏礎(chǔ)、混凝土回填處理中型出露溶洞；對于小型溶洞可以采用支護、注漿的方式進行處理。

該巖溶隧道位于鄂西南褶皺山地，碳酸鹽巖廣泛出露，沿線巖溶地貌發(fā)育。本文利用有限差分軟件FLAC3D對溶洞分布于不同部位的巖溶隧道處治施工過程進行模擬，對處治效果進行了評價。

1　隧道工程概況

該巖溶隧道是一座分離式隧道，左幅隧道起訖里程樁號為ZK1+830～ZK3+035，長1205 m，最大埋深133 m，右幅隧道起訖里程樁號為YK1+824～YK3+024，長1200 m，最大埋深134 m。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探、物探等勘察手段得出，隧址區(qū)出露地層主要為三疊系嘉陵江組(T1j)地層及局部薄層第四系殘坡積物(Q4dl+el)，按地層的地質(zhì)年代、形成機制及其物理力學性質(zhì)，自地表往下各地層主要特征分述如下：(1)粉質(zhì)粘土(Q4dl+el)：黃褐色、稍濕、可塑，含少量碎石。(2)中風化灰?guī)r(T1j)：灰色、灰白色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。

在隧道施工過程中，隧道的側(cè)部、底部發(fā)現(xiàn)多處中、小型溶洞。掌子面圍巖為中風化灰?guī)r，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾泥明顯，開挖后有掉塊現(xiàn)象，給施工安全帶來了嚴重影響(見圖1)。

隧道在開挖到Y(jié)K2+138時在隧道左側(cè)發(fā)現(xiàn)，溶洞(1)形狀極不規(guī)則，走向與隧道平行，高度約12 m，最大寬度4.8 m，進深6 m。在YK2+150處底部發(fā)現(xiàn)溶洞(2)，基本位于隧道底板以下位置，溶洞呈水平狀，深度最大為6 m，向左延伸10 m，向右延伸約6 m，進深6 m，溶洞內(nèi)基本上無填充物，沒有發(fā)現(xiàn)地下水。

圖1　現(xiàn)場開挖出露的溶洞

2　處治效果的數(shù)值分析

2.1處治方案

隧道是按新奧法進行的施工設(shè)計，采用錨噴支護。隧道YK2+138掌子面和YK2+150掌子面原設(shè)計支護類型采用Z3。具體支護參數(shù)見表1。

經(jīng)前期變更，溶洞(1)前后段按Z4-支護類型進行施工，溶洞段采取Z5+支護類型進行施工。溶洞底部采取洞渣回填處理，分層填筑，并進行夯實，回填至上臺階開挖面后，按照Z5+進行初支封閉。拱腰采用泵送混凝土充實，保證隧道底部和邊墻背后沒有空洞。

溶洞(2)經(jīng)討論變更支護類型不變，溶洞采取洞渣回填方式對溶洞進行分層填筑進行夯實，并將仰拱調(diào)平層厚度調(diào)整為60 cm，同時增加鋼筋。

2.2數(shù)值模型

實際的巖溶形狀很不規(guī)則，因此在建模過程中對模型進行了適當簡化，溶洞(1)簡化成形狀為與隧道相交的圓柱，溶洞(2)簡化為形狀為一橫向的圓柱，如圖2(b)所示。對于隧道工程，數(shù)值計算模型的范圍一般取開挖斷面3～5倍最大洞徑[8]。隧道的埋深為104 m，跨徑12.4 m，高度9.75 m。故取整個模型邊界尺寸取為寬度60 m，高度60 m，縱向取18 m。整個模型左右兩側(cè)施加水平方向約束邊界條件；底部施加豎直方向約束邊界條件；頂部為自由邊界[9]。

表1　隧道襯砌支護參數(shù)

(a)隧道溶洞段模型(溶洞1)　　　　　　　　(b)隧道溶洞段模型(溶洞2)圖2　溶洞分布的計算模型

2.3本構(gòu)模型及參數(shù)選取

本模型圍巖采用摩爾-庫倫模型，開挖模擬采用Null模型，初期支護中噴射混凝土與鋼拱架等效采用shell結(jié)構(gòu)單元，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元，土石渣采用摩爾-庫倫模型，混凝土填充采用彈性模型。本次計算沒有考慮2次襯砌。巖體的初始地應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力的影響。

通過室內(nèi)土工試驗，得出圍巖物理力學參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)如表2所示。

表2　圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

3　模擬結(jié)果分析

3.1圍巖位移分析

本文選取了4個分析斷面，分別為y=3 m，y=6 m，y=12 m和y=15 m處的斷面。每個斷面選取拱頂和拱底這2個特征點進行分析。

(1)拱頂

各分析斷面溶洞處治前后的拱頂位移值見表3?？芍芏匆磺闆r下的最終沉降值在-5.228 mm～-5.32 mm之間，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在y=6斷面。溶洞(1)處治后拱頂位移在溶洞范圍內(nèi)最大減少了0.475 mm，同比減少了8.9%，溶洞前后范圍內(nèi)最小減少了0.27 mm，同比減少了5.1%。溶洞(2)的拱頂最終沉降值在-4.458 mm～-4.544 mm之間，溶洞(2)處治后拱頂位移在溶洞范圍內(nèi)增大的幅度不大，最大增加0.046 mm，同比增大1.03%。

表3　拱頂位移(單位:mm)

(2)拱底

各分析斷面溶洞處治前后的拱底位移值見表4?？芍芏?1)情況下的拱底位移最終值在4.537 mm～4.671 mm之間。溶洞(1)處治后拱底位移在溶洞范圍內(nèi)最大減少了0.228 mm，同比減少了4.9%，溶洞前后范圍內(nèi)最小減少0.176 mm，同比減少了3.8%。溶洞(2)情況下的拱底位移值在4.848 mm～5.536 mm之間，溶洞(2)處治后拱底位移在溶洞范圍內(nèi)最大減小0.991 mm，同比減小18.2%，溶洞前后范圍內(nèi)，最小減少了0.144 mm，同比減小了2.90%。

表4　拱底位移(單位:mm)

3.2圍巖最大主應(yīng)力特征

選取y=6 m斷面進行分析，溶洞處治前后的最大主應(yīng)力值見表5?？芍芏?1)情況下拱腳的最大主應(yīng)力值為-5.44 MPa，拱腰的最大主應(yīng)力值為-4.86 MPa，溶洞(1)處治后拱腳最大主應(yīng)力值為-7.60 MPa，比處治前增大39.7%，拱腰最大主應(yīng)力值為-5.38 MPa，比處治前增大10.7%。溶洞(2)情況下拱腳的最大主應(yīng)力值為-6.44 MPa，溶洞(2)處治后拱腳最大主應(yīng)力值為-6.47 MPa，拱腰最大主應(yīng)力值為-4.54 MPa，變化不大。

表5　最大主應(yīng)力值(單位: MPa)

3.3塑性區(qū)分布特征

溶洞處治前后圍巖塑性區(qū)分布特征如圖3所示。可知溶洞(1)情況下，除左右側(cè)部分布外，沿溶洞邊界塑性區(qū)展布，頂部也出現(xiàn)塑性區(qū)。溶洞(1)處治后塑性區(qū)范圍明顯增大，原溶洞范圍的底部和頂部出現(xiàn)塑性區(qū)，其他區(qū)域變化不大。溶洞(2)情況下，底部沿溶洞范圍出現(xiàn)塑性區(qū)，拱腳處也出現(xiàn)部分塑性區(qū)。溶洞(2)處治后隧道底部的塑性區(qū)范圍出現(xiàn)了明顯的增大，隧道側(cè)部和頂部的塑性區(qū)無明顯變化。

3.4錨桿受力分析

溶洞處治前后錨桿軸力最大值見表6?？芍芏?1)時錨桿軸力最大值為48.13 kN，溶洞附近的錨桿軸力大于其他同樣高度的錨桿軸力。溶洞(1)處治后錨桿的最大軸力值為44.4 kN，相比處治前出現(xiàn)明顯的減小，同比減小7.7%。溶洞(2)時的錨桿軸力最值為36.22 kN，溶洞(2)處治后錨桿的最大軸力值為35.96 kN，相比處治前減小了0.7%，減小的幅度不大。

表6　錨桿軸力最大值(單位:kN)

圖3　圍巖塑性區(qū)

4　結(jié)論

溶洞經(jīng)過處治后，通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)：

(1)側(cè)部溶洞的拱頂位移最大減小8.9%，拱底位移最大減小4.9%，錨桿軸力減小7.7%，拱腳壓應(yīng)力增大39.7%，拱腰壓應(yīng)力增大10.7%，隧道底部和頂部出現(xiàn)塑性區(qū)，因此在施工過程中應(yīng)注意拱腳和拱腰處的施工質(zhì)量。

(2)底部溶洞的拱底位移減小18.2%，錨桿軸力和最大主應(yīng)力變化不大，拱頂位移增大1.03%，底部塑性區(qū)范圍增大，因此在拱底回填過程中要保證回填壓實質(zhì)量。

[1] 任美鍔,劉振中. 巖溶工程物探勘察的主要進展和方法技術(shù)優(yōu)化組合[J].廣東地質(zhì)，1983(6)：14-16.

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[3] 康勇,楊春和,張朋. 淺埋巖溶隧道災(zāi)變機制及其防治[J]. 巖石力學與工程學報,2010(01):149-154.

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[8] 谷兆祺,彭守拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京:清華大學出版社,2007.

[9] 夏永旭,王永東.隧道結(jié)構(gòu)力學計算[M].北京:人民交通出版社,2004.

(責任編輯：王先桃)

Analysis of treating effect of supporting structure of a karst tunnel

CHENG Hao1，HU Xing2*

(1. Guizhou Expreeway Development Corporation, Guiyang ,550009, 2. College of Civil Engineering Guizhou University,Guiyang,550025)

In combination with the construction process of a karst tunnel, the characteristics and mechanisms of the karst development are analyzed. Construction processes as karst cave in lateral part and karst cave in bottom before and after treatment are simulated by using the finite difference software FLAC3D. And treatment effects are evaluated. After treatment, vault displacement of karst cave in lateral part reduces 8.9%, arch bottom displacement reduces 4.9%, anchor stress reduces 7.7%. But arch foot compressive stress increases 39.7%, arch haunch compressive stress increases 10.7% and the top and bottom of tunnel grows plastic zone. After treatment, arch bottom displacement of karst cave in bottom reduces 18.2%. Anchor stress and the maximum principal stress change a little. But vault displacement increases 1.03% and plastic zone in bottom increases a lot.

karst tunnel; tunnel excavation; FLAC3Dsimulation; treating effects

B

1000-5269(2016)03-0126-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.29

2016-04-30

國家自然科學基金項目批準號(11562005).

程灝(1971-)，男，高級工程師，從事高速公路工程建設(shè)管理工作，Email：049602021@qq.com.

胡興，Email：728346748.qq.com.

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