隧道上穿溶洞對管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性影響分析

鐘愛軍，李 懋，王立新，周 琦

(1.衡陽市城市建設投資有限公司，湖南 衡陽 421000；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

在巖溶地質(zhì)條件下掘進隧道，當溶腔與隧道相距較近時，隧道的開挖活動會打破溶腔原有的力學平衡，影響其穩(wěn)定性。當溶洞緊鄰隧道結(jié)構或其結(jié)構強度較低時，巖層穩(wěn)定性易受破壞，造成涌水突泥和坍塌等一系列安全事故[1-3]，影響到隧道施工的安全和效率。

預先在溶洞區(qū)對隧道結(jié)構的力學影響進行分析，分析軟弱巖溶區(qū)隧道掘進時可能出現(xiàn)的問題，盡可能有效避免巖溶地區(qū)隧道工程建設安全事故的發(fā)生[4-5]。巖溶隧道具有所處環(huán)境復雜、現(xiàn)場條件不便及內(nèi)部結(jié)構不可見等特征，給研究工作的開展帶來了諸多困難。通過理論推導、室內(nèi)試驗、數(shù)值計算及現(xiàn)場測試等多種手段，已有一些典型研究分析了巖溶地質(zhì)對隧道結(jié)構穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。陳成宗[6]等人調(diào)查分析了多例巖溶地區(qū)隧道災害事故，認為溶洞的存在在一定范圍內(nèi)會引起隧道開挖后圍巖大變形，甚至坍塌。若未合理地對溶洞進行處理，當隧道支護好后，支護結(jié)構還有可能受到破壞。白永學[7]以成都地區(qū)地鐵穿越區(qū)地層為研究對象，重點研究了由于盾構施工導致的地層塌陷機理。彭川[8]針對白須公路隧道，運用ANSYS軟件，分析了溶洞在隧道不同位置時隧道圍巖的變形特征。蘇峰[9]等人運用MIDAS/GTS軟件，對空腔溶洞在不同位置、不同大小及不同距離等多種工況下的圍巖位移和襯砌管片受力情況進行了分析，得出“當溶洞處于隧道側(cè)方時，對隧道的穩(wěn)定性影響最大”的結(jié)論。衣智明[10]根據(jù)相似原理，建立節(jié)理面和巖溶條件下的隧道結(jié)構相似模型，研究節(jié)理面和溶洞位置對隧道結(jié)構的安全性影響。實驗結(jié)果表明：溶洞位置成為影響隧道結(jié)構安全的首要因素。從已有的研究成果來看，巖溶地區(qū)中隧道結(jié)構的安全性極大程度地受到巖溶溶腔位置的影響，在分析巖溶隧道結(jié)構穩(wěn)定性的過程中，確定一個合理的影響范圍[11-13]已成為結(jié)構安全分析的首要工作。作者擬根據(jù)合江套湘江盾構隧道的實際情況，利用FLAC3D軟件對掘進過程進行模擬，分析巖溶地質(zhì)條件特性對隧道管片襯砌結(jié)構力學穩(wěn)定性的影響，確定巖溶區(qū)域的影響范圍，以期為工程建設提供一定的理論指導。

1 工程概況

合江套湘江隧道位于湖南省衡陽市珠暉區(qū)，是衡陽市內(nèi)第一條穿越湘江的隧道?，F(xiàn)有勘察資料表明：隧道所在工程區(qū)下伏基巖內(nèi)有脈狀或薄層狀膏硬石膏和鈣芒硝可溶性鹽層，受江水和地下水作用，在巖層內(nèi)形成充填性溶腔。根據(jù)水上物探勘察結(jié)果，隧道工作范圍附近推測存在5處巖溶異常，巖溶分布在里程Kn4+150～Kn4+360范圍，巖溶發(fā)育深度集中在2個標高段范圍內(nèi)，第一標高段為10～25 m，巖溶發(fā)育共4處；第二標高段為-10～5 m，巖溶發(fā)育1處。溶洞發(fā)育情況見表1和如圖1所示。

溶洞區(qū)的存在給施工帶來極大的困難。若盲目冒進施工，盾構掘進過程中將出現(xiàn)失壓、下沉及突水等情況，影響盾構施工安全，嚴重時會關系到盾構施工的成敗[17]。因此，分析巖溶區(qū)對施工過程中隧道結(jié)構穩(wěn)定性的影響并提出合理的治理方案是保證隧道安全施工的關鍵。探討溶洞對隧道管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以期為巖溶區(qū)處理和隧道施工方案的設計提供理論依據(jù)。

表1 巖溶洞發(fā)育部位一覽表Table 1 Summary of developing sites of rock caverns

注：溶洞大小和標高為物探推測結(jié)果；括號內(nèi)數(shù)據(jù)為鉆探揭露結(jié)果。

圖1 巖溶發(fā)育概況Fig.1 Overview of karst development

2 計算模型及計算參數(shù)的選取

為分析溶洞對隧道管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性的影響，將溶洞簡化為圓形，用FLAC3D軟件，建立Mohr-coulomb模型。選取模型左下角為坐標原點，計算模型選取隧道橫向(X向)長度80 m，豎向(Z向)長度為60 m，縱向(Y向)長度為4 m。邊界條件為：固定下邊界垂直位移，固定左、右邊界水平位移，固定前、后邊界縱向位移。圍巖參數(shù)見表2。計算模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表2 圍巖參數(shù)Table 2 Parameters of surrounding rock

圖2 計算模型和網(wǎng)格劃分Fig.2 Computational model and mesh generation

3 管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性影響分析

為直觀分析溶洞對隧道管片襯砌結(jié)構位移的變化規(guī)律，建立同參數(shù)和邊界條件下無溶洞的隧道模型，將其與隧道上穿溶洞時開挖過程中管片穩(wěn)定性的變化進行對比。

3.1 無溶洞時隧道管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性分析

3.1.1 管片襯砌結(jié)構周邊位移變化分析

當不存在溶洞時，開挖后隧道豎直方向(Z向)位移云圖和水平方向(X向)位移云圖分別如圖3,4所示。從圖3,4中可以看出，當不存在溶洞時，隧道開挖后會出現(xiàn)拱頂下沉、拱底隆起及拱腰向中間收斂的現(xiàn)象。在隧道中心斷面上取拱頂、拱腰及拱底中心點3個特征點進行分析。當隧道無溶洞時，開挖后隧道各特征點位移見表3。

圖3 豎直方向位移云圖Fig.3 Vertical displacement cloud

圖4 水平方向位移云圖Fig.4 Horizontal displacement cloud

3.1.2 管片襯砌結(jié)構周邊應力分析

當隧道無溶洞時，開挖后隧道管片襯砌結(jié)構應力分布云圖如圖5,6所示。

根據(jù)設計方案，合江套隧道襯砌結(jié)構采用C50混凝土。由《公路隧道設計規(guī)范(JTG D70-2004)》可知，C50混凝土設計的抗拉強度為1.89 MPa，抗壓強度為23.1 MPa。從圖5,6中可以看出，應力集中區(qū)域的最大值為8.05 MPa，存在于拱腰兩側(cè)應力集中區(qū)域的最大值為0.62 MPa，存在于拱頂和拱底及襯砌結(jié)構所受拉應力和壓應力均未超過臨界強度。

表3 無溶洞時特征點位移Table 3 Displacement of characteristic points in the no-karst cave

圖5 最大主應力Fig.5 The maximum principal stress

圖6 最小主應力Fig.6 The minimum principal stress

3.2 隧道上穿溶洞時管片襯砌結(jié)構穩(wěn)定性分析

3.2.1 管片襯砌結(jié)構周邊位移變化分析

當隧道上穿溶洞時，開挖后隧道豎直方向(Z向)位移云圖和水平方向(X向)位移云圖分別如圖7,8所示。

圖7 豎直方向位移云圖Fig.7 Vertical displacement cloud

圖8 水平方向位移云圖Fig.8 Horizontal displacement cloud

從圖7,8中可以看出，隧道拱部下沉，隧道底部隆起且位移最大，拱腰向中間收斂。

當隧道下方有溶洞存在時，隧道下方溶洞直徑為2,4,6和8 m時，開挖后隧道特征點的豎向位移如圖9所示。

從圖9中可以看出，當隧道上穿溶洞時，對隧道管片襯砌結(jié)構位移的影響規(guī)律為：

圖9 開挖后特征點的豎向位移Fig.9 Vertical displacement of feature points after excavation

1) 隧道管片襯砌結(jié)構受溶洞影響，無論是底部特征點還是拱腰特征點或是拱頂特征點，都表現(xiàn)為豎向位移的變化最大，水平位移相比于豎向位移可以忽略。

2) 相比于無溶洞存在時，隧道上穿溶洞時，管片襯砌結(jié)構拱頂點的豎向位移有所減小，拱腰點的變化不大，而拱底點豎向位移的變化明顯增加。

3) 溶洞距隧道越遠，隧道拱頂和拱腰特征點位移的變化越大，即隧道掘進過程中引起的拱頂和拱腰管片襯砌結(jié)構位移的變化都與溶洞到隧道的距離呈現(xiàn)正相關關系；而隧道拱底特征點位移的變化則隨著溶洞到隧道距離的增加而減小，即隧道掘進過程中引起的拱底管片襯砌結(jié)構位移的變化與溶洞到隧道的距離呈現(xiàn)負相關關系。

4) 溶洞直徑越大，隧道拱頂和拱腰特征點位移的變化越小，即隧道掘進過程中引起的拱頂和拱腰管片襯砌結(jié)構位移的變化都與溶洞的大小呈現(xiàn)負相關關系，而隧道拱底特征點位移的變化則隨著洞徑的增加而增加，即隧道掘進過程中引起的拱底管片襯砌結(jié)構位移的變化與溶洞的大小呈現(xiàn)正相關關系。

5) 從計算結(jié)果來看，當溶洞到隧道的距離超過12 m時，溶洞對隧道開挖引起的管片襯砌位移變化的影響很小。

3.2.2 管片襯砌結(jié)構周邊應力分析

當隧道下方存在不同大小和到隧道不同距離的溶洞時，隧道管片襯砌結(jié)構最大主應力分別如圖10,11所示。

從圖10，11中可以看出，隧道管片襯砌結(jié)構最大主應力的特點為：

1) 在所有工況中，拉應力的最大值出現(xiàn)在隧道管片襯砌結(jié)構拱頂處。若溶洞到隧道的距離不變，拉應力的最大值隨著溶洞直徑的增加而減小，呈現(xiàn)負相關關系。

圖10 溶洞直徑為4 m時的最大主應力云圖Fig.10 Cloud diagram of the maximum principal stress when the diameter of the cave is 4 m

圖11 溶洞直徑為6 m時的最大主應力云圖Fig.11 Cloud diagram of the maximum principal stress with six-metre diameter of cavern

2) 在所有工況中，壓應力的最大值出現(xiàn)在隧道管片襯砌結(jié)構拱腰處。若溶洞到隧道的距離不變，壓應力的最大值隨著溶洞直徑的增加而減小，呈現(xiàn)負相關關系。

4 結(jié)論

1) 隧道上穿溶洞時，管片襯砌結(jié)構水平位移的變化相對于豎向位移的變化要小得多。拱頂和拱腰處豎向位移的變化均與溶洞到隧道的距離呈現(xiàn)正相關關系，與溶洞的大小呈現(xiàn)負相關關系；而拱底處位移的變化規(guī)律則與之相反。開挖過程中，拱頂處存在著最大拉應力，拱腰處存在著最大壓應力，與溶洞直徑呈現(xiàn)負相關關系，與溶洞到隧道的距離也呈現(xiàn)負相關關系。

2) 隧道襯砌應力受溶洞到隧道的距離和溶洞大小的影響。當其達到某個臨界值時，隧道掘進過程中將因巖層的擾動而導致坍塌或涌水突泥等安全事故的發(fā)生，故需要對隧道臨近溶洞采取加固充填等措施，以保證巖層的穩(wěn)定性，使隧道能平穩(wěn)、安全地掘進。

3) 根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，當溶洞到隧道的距離超過12 m時，溶洞對隧道的影響很小，因此，合理處治隧道12 m范圍內(nèi)的溶洞，能有效保證隧道的安全施工和運營。

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