隧道下伏巖溶空腔圍巖穩(wěn)定性分析

王 運 慶

(中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100048)

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隧道下伏巖溶空腔圍巖穩(wěn)定性分析

王 運 慶

(中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100048)

依托重慶某隧道工程實例，綜合地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔兩種方法的實際探測結(jié)果，采用FLAC軟件進(jìn)行建模，并分析了存在空腔條件下某典型斷面豎直方向變形場、最大主應(yīng)力場和塑性區(qū)的計算結(jié)果，建議隧道施工過程中應(yīng)在保證隧道工期的同時，對隧道巖溶空腔災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測和有效處理。

隧道，空腔，圍巖，穩(wěn)定性

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，西部大開發(fā)和新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶等西部發(fā)展戰(zhàn)略如火如荼地進(jìn)行著，而交通事業(yè)是一切經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提和保障，也必然會保持著迅猛增長態(tài)勢。在我國西南地區(qū)，分布著我國面積最大、發(fā)育類型最齊全的巖溶地貌區(qū)。巖溶隧道這一特殊工程形式必將在西南地區(qū)交通事業(yè)的發(fā)展過程中大量涌現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，西南地區(qū)已經(jīng)建成和正在建設(shè)中的巖溶隧道占隧道總數(shù)量的50%[1-3]。

巖溶空腔一般具有隱伏性，前期的勘測很難發(fā)現(xiàn)，同時，到目前為止國內(nèi)外缺乏針對巖溶區(qū)隧道建設(shè)的規(guī)范和指導(dǎo)性文件，因此，巖溶空腔對西南地區(qū)隧道的施工建設(shè)的安全和進(jìn)度帶來巨大影響。國內(nèi)外的學(xué)者在巖溶空腔對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響分析方面已開展大量研究[4-6]，而數(shù)值模擬方法是分析巖溶空腔對隧道穩(wěn)定性影響的主要研究方法之一。如莫春陽[7]采用有限差分軟件對巖溶空腔存在于隧道底部情況下圍巖變形進(jìn)行仿真分析；趙明階等[8-10]采用Drucker-Prager模型，運用二維彈塑性分析分別研究了位于隧道頂部、側(cè)巖和底部大小不同、距離不同的溶洞對隧道周邊圍巖變形及應(yīng)力的影響；譚志宏[11]采用摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，對不同的空腔斷面形狀、大小、位置對隧道穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值分析。

本文以西南地區(qū)某特長巖溶隧道為工程背景，針對此巖溶空腔，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析，得出一些有益研究結(jié)論可為類似工程提供一定的參考借鑒。

1 工程概況

重慶禮讓隧道左右洞長度分別為5 517.6 m和5 520.7 m，為特長隧道，隧道設(shè)計為80 km/h、雙向四車道，設(shè)計荷載為公路一級，隧道防水等級為二級。現(xiàn)場施工掘進(jìn)過程中揭露一巖溶空腔，空腔呈持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。綜合采用地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔兩種方法對空腔形態(tài)、大小及與隧道的相對位置關(guān)系進(jìn)行探測，得出了巖溶空腔的具體情況見圖1，圖2。

空腔里程樁號為ZK11+710～ZK11+750，位于隧道仰拱正下方3 m～30 m，呈寬而扁的形狀，寬約18 m～23 m，高約1.4 m～2.2 m。此段隧道圍巖為侏羅系中統(tǒng)新田溝組地層灰、深灰色粉砂質(zhì)頁巖夾薄層砂巖；粉砂質(zhì)頁巖屬軟巖，巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，構(gòu)造裂隙發(fā)育，空腔內(nèi)無明顯地下水。經(jīng)研究決定對空腔段隧道采用臺階法開挖和濕噴技術(shù)進(jìn)行支護(hù)。采用2.5 m長φ22藥卷錨桿，錨桿按梅花形布置，間距100 cm×120 cm，每延米17.5根，100 cm間距格柵拱架支撐，噴射混凝土采用18 cm厚C20混凝土。

2 數(shù)值模型的建立

模擬巖體采用連續(xù)性介質(zhì)力學(xué)模型，巖體的變形為各向同性，初始應(yīng)力場只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，參考隧道設(shè)計圖紙，與隧道實際尺寸1∶1進(jìn)行建模。模型范圍取開挖斷面的3倍～5倍，所研究隧道里程范圍為ZK11+710～ZK11+750，包含隧道下方整個空腔段。圍巖采用理想的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，隧道開挖采取FLAC3D中的null模型；錨桿采用Cable結(jié)構(gòu)單元，初噴混凝土采用Shell結(jié)構(gòu)單元，均為彈性本構(gòu)模型。

由于現(xiàn)場巖溶空腔呈扁平狀，且走勢與寬高比均為不規(guī)則發(fā)展，結(jié)合FLAC3D模型建立的特點，將空腔斷面大體簡化成矩形，走勢及寬高比變化均在實際情況基礎(chǔ)上進(jìn)行一定簡化，空腔模型基本符合現(xiàn)場實際情況。為了獲得較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，同時避免運算時間過長，隧道及空腔周圍單元進(jìn)行了加密處理，而周邊圍巖單元則較疏，通過FLAC3D中attach face指令進(jìn)行共面單元的連接，保證了力傳輸?shù)倪B續(xù)性，模擬結(jié)果顯示效果良好。圍巖及初支物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及初支物理力學(xué)參數(shù)

3 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

下面對隧道存在完整復(fù)雜巖溶空腔情況進(jìn)行數(shù)值計算，以ZK11+735斷面為例，分別討論了隧道圍巖的變形場、應(yīng)力場及塑性區(qū)分布規(guī)律。

3.1 豎直方向變形分析

圖3表明，ZK11+735斷面左右側(cè)隧道初支及圍巖變形場圍繞空腔有較大差異，左右極不對稱。變形場分布極不規(guī)則，以空腔上緣和右側(cè)隧道拱底分別為下沉、上凸變形發(fā)展中心，在模型左下部、中間巖柱及模型右下部巖體形成了三個上凸、下沉變形場的交匯面。下沉變形最大值點在空腔上邊緣，為-49.6 mm；左側(cè)隧道拱底變形由上凸變?yōu)橄鲁?，拱頂變形沉降最大值?29.4 mm；右側(cè)隧道下沉變形最大值點在拱頂，其值為-35.3 mm，拱腰處下沉變形為-23.6 mm，拱底上凸變形為32.7 mm。

空腔至左側(cè)隧道底面圍巖形成了貫通的下沉變形場，下沉變形劇烈，考慮到拱底在隧道掘進(jìn)同時還要承受較多的施工荷載，應(yīng)在此段隧道對拱底圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。中間巖柱十分活躍，變形自上而下變化極快，圍巖穩(wěn)定性很低。

3.2 最大主應(yīng)力分析

圖4表明，ZK11+735斷面因左側(cè)隧道拱底下方存在空腔應(yīng)力場較復(fù)雜。隧道拉應(yīng)力區(qū)主要集中在隧道初支及空腔附近巖體，最大拉應(yīng)力為2.68 MPa；最大壓應(yīng)力存在于右側(cè)隧道右側(cè)巖體，其值為-1.22 MPa。左右側(cè)隧道拱頂上方巖體壓應(yīng)力比較小，變化較緩；右側(cè)隧道右側(cè)巖體出現(xiàn)明顯受壓應(yīng)力集中區(qū)域，中間巖柱靠近右側(cè)隧道區(qū)域出現(xiàn)與空腔貫通的壓應(yīng)力區(qū)。左側(cè)隧道下方拉應(yīng)力區(qū)與空腔貫通，右側(cè)隧道受拉區(qū)域明顯小于左側(cè)隧道。

鄰近空腔的隧道受拉區(qū)域和最大拉應(yīng)力值均大于遠(yuǎn)離空腔段隧道，在隧道掘進(jìn)時應(yīng)該對此段隧道的初支及隧道底部巖體進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測，必要時進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)增強(qiáng)；遠(yuǎn)離空腔隧道右側(cè)巖體有明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)，壓應(yīng)力值較大，空腔與遠(yuǎn)離空腔隧道間巖體存在一定的壓應(yīng)力集中區(qū)。

3.3 塑性區(qū)分析

圖5表明，ZK11+735斷面空腔存在單側(cè)洞下方，鄰近空腔一側(cè)塑性區(qū)整體范圍遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離空腔的隧道，而隧道拱頂上方圍巖塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)離空腔一側(cè)隧道，空腔左下方、隧道左上方、隧道右上方塑性區(qū)均延伸至模型邊界，遠(yuǎn)離空腔一側(cè)隧道右下方塑性區(qū)較小。

塑性區(qū)均正在發(fā)生或者曾經(jīng)發(fā)生剪切破壞；同時發(fā)生拉、剪破壞區(qū)主要集中在空腔周圍及隧道初支附近巖體；空腔周圍塑性區(qū)都與兩側(cè)隧道貫通；中間巖柱均為正在發(fā)生剪切破壞集中區(qū)域；遠(yuǎn)離空腔一側(cè)隧道右下方巖體塑性區(qū)范圍較小；兩側(cè)隧道初支塑性破壞區(qū)域較少。

4 結(jié)語

1)通過有限差分軟件對存在空腔條件下ZK11+735斷面豎直方向變形場、最大主應(yīng)力場和塑性區(qū)的計算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：由于空腔鄰近一側(cè)隧道，兩側(cè)隧道的變形場、應(yīng)力場和塑性區(qū)均以空腔為影響中心發(fā)散分布；鄰近空腔一側(cè)隧道普遍會受到較大影響，遠(yuǎn)離空腔一側(cè)隧道，因空腔位置不同而受到不同程度的影響。

2)建議對于類似的工程問題可以先根據(jù)現(xiàn)場情況結(jié)合以往的工程經(jīng)驗對隧道支護(hù)進(jìn)行變更加強(qiáng)，在隧道向前掘進(jìn)的同時采用數(shù)值軟件對空腔段隧道開挖支護(hù)進(jìn)行模擬分析，了解空腔災(zāi)害對隧道施工穩(wěn)定性造成的具體影響，掌握隧道及周邊圍巖的危險部位，再依據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境制定空腔治理方案。在保證隧道工期的同時，對隧道巖溶空腔災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測和有效處理。

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Analysis on the stability of underling cavity karst surrounding rock under the tunnel

Wang Yunqing

(ChinaPowerConstructionHighway&BridgeGroupCo.,Ltd,Beijing100048,China)

Based on Chongqing tunnel engineering example, the paper comprehensively considers actual survey results by applying two methods of geological radar and advanced drilling, makes an establishment by applying FLAC software, analyzes calculation results of the vertical deformation field, maximum stress field and plastic region of the typical section under the cavity condition, and suggests to guarantee tunnel construction duration and to carry out timely monitoring and effective treatment for processing tunnel karst cavity disasters.

tunnel, cavity, surrounding rock, stability

1009-6825(2016)28-0163-03

2016-07-21

王運慶(1981- )，男，工程師

U451.2

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