隧道開挖進(jìn)入大型溶腔圍巖的變形規(guī)律研究

文/中交路橋建設(shè)有限公司 李海港 武艷勤 王軍威 陳爾良

以陸家寨巖溶隧道為依托，利用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，探究隧道開挖接近并進(jìn)入前方大型溶洞的過程中，各個(gè)斷面圍巖的位移變化過程，結(jié)果表明：以大型溶腔周圍圍巖塑性區(qū)界面為界，在界面以外的斷面其總變形量緩慢增大，有較快的先期變形，受溶腔影響程度逐漸增大；處于界面處的斷面總變形量明顯增加，且具有較快的先期變形速率；處于界面內(nèi)部的斷面后期變形減弱，總變形量較正常值小。

為更加深入探索隧道周圍空腔對(duì)隧道開挖、支護(hù)穩(wěn)定所造成的影響，趙明階等運(yùn)用了模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究了隧道頂、側(cè)、底部不同尺寸大小的溶洞與隧道開挖的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，但是這項(xiàng)研究是在考慮隧道周圍的隱伏溶腔對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，對(duì)隧道開挖進(jìn)入大型巖溶缺乏一定的認(rèn)識(shí)，研究隧道開挖接近前方大型溶腔過程中圍巖的變形規(guī)律很有必要。

數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

模型及相關(guān)參數(shù)

在FLAC3D中建立隧道穿越大型正方形洞室模型，如圖1、圖2所示。

圖1 模型圖

圖2 溶腔示意圖

隧道寬度為11.8m，高度為9.8m。溶腔為邊長(zhǎng)20m的正方形洞室，位于模型中央，整體模型尺寸為邊長(zhǎng)160m的正方體。在模型上表面施加垂直面力，使隧道埋深從80m增加到150m。

根據(jù)陸家寨巖溶隧道的地質(zhì)勘查資料，確定該隧道開挖段圍巖屬IVb級(jí)圍巖，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中圍巖物理參數(shù)表，四級(jí)圍巖相關(guān)參數(shù)如表1所示。

開挖及監(jiān)測(cè)

采取全斷面開挖的方式模擬開挖過程，對(duì)臨近溶腔的8個(gè)斷面洞周、掌子面的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各斷面不同位置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)號(hào)與溶腔的距離關(guān)系如表2所示。

數(shù)據(jù)分析

拱頂下沉位移分析

選取臨近溶腔14m范圍內(nèi)的斷面拱頂沉降值進(jìn)行分析，并繪制各個(gè)斷面的位移時(shí)空變形曲線，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，與正常開挖瞬時(shí)釋放位移值2mm相比，從距離溶腔14m的位置處斷面拱頂開挖瞬時(shí)釋放位移開始有明顯增大的趨勢(shì)，到距離溶腔8m位置處增大到最大值約2.3mm，而后開始回降直到隧道與溶腔連通，最后一次開挖，拱頂處隧道側(cè)的點(diǎn)瞬時(shí)沉降值為1.35mm，而靠溶腔一側(cè)的點(diǎn)沉降值為2mm。

由圖4可知，隧道開挖至距離溶腔6m的過程中，斷面拱頂下沉總值呈均勻增加趨勢(shì)，從6.3mm增加到6.9mm。最后三個(gè)斷面的拱頂位移總值不斷減小，總值分別為6.2mm、5.2mm、4.2mm。距離溶腔6m內(nèi)的斷面拱頂下沉位移總量比正常值小，而6m以外的斷面位移總量均比正常值稍大。

表1 模型參數(shù)的相關(guān)取值

表2 不同位置處斷面的對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)

圖3 臨近溶腔斷面拱頂下沉單次位移值

圖4 臨近溶腔斷面拱頂下沉累計(jì)值

拱腳處水平位移分析

根據(jù)圖5至圖6，將距離溶腔8m位置處看作變形空間曲線變化點(diǎn)，將側(cè)墻水平位移單次位移記錄圖分為8m外水平位移增加段和8m內(nèi)水平位移減小段。增加段內(nèi)各個(gè)斷面的同期位移的增加量與斷面和溶腔的距離成正比，直到開挖至距離溶腔8m位置處，其開挖瞬時(shí)水平釋放位移出現(xiàn)一個(gè)突增。8m范圍內(nèi)的斷面水平瞬時(shí)釋放位移不斷減小。

水平總位移量受溶腔影響的斷面主要位于距離溶腔6m范圍以內(nèi)，6m以外的斷面其水平位移總值與正常值（2.14mm）會(huì)有所增加，從距離溶腔6m位置開始，水平位移總量逐漸減小。最后一個(gè)斷面的側(cè)墻水平位移總量只有0.89mm。

圖5 臨近溶腔斷面拱腳水平單次位移值

圖6 臨近溶腔斷面拱腳水平位移累計(jì)值

掌子面擠出位移分析

將隧道開挖接近并突破溶腔的過程中掌子面關(guān)鍵點(diǎn)位移圖分為兩個(gè)階段。第一階段如圖7所示，掌子面的變形與正常曲線相比差別不大，主要區(qū)別為開挖瞬時(shí)擠出變形，第一階段范圍的斷面開挖引起下個(gè)斷面掌子面擠出變形量隨著溶腔的不斷接近呈現(xiàn)均勻增加的趨勢(shì)，到分界線處出現(xiàn)一個(gè)突增。正常斷面的開挖瞬時(shí)擠出位移為1.2mm，分界線處的擠出位移為2mm。第二階段如圖8所示，掌子面的變形開始向溶腔內(nèi)部發(fā)展，進(jìn)入分界線的第一個(gè)斷面掌子面的前期位移開始明顯指向溶腔，而開挖瞬時(shí)擠出變形也開始減小，到第二個(gè)斷面這種趨勢(shì)更加顯著。距離溶腔4m范圍內(nèi)的斷面變形幾乎完全指向溶腔內(nèi)部，最大瞬時(shí)變形位移值約為1mm。

圖7 向隧道擠出的斷面掌子面變形

圖8 向溶腔擠入的斷面掌子面變形

將臨近溶腔一側(cè)的、變形曲線有明顯變化的斷面的變形曲線繪制在一個(gè)圖中，形成如圖9的曲線：

圖9 隧道進(jìn)入大型溶腔圍巖變形規(guī)律

可認(rèn)為斷面內(nèi)的變形主要受切向應(yīng)力的控制，而切向應(yīng)力從洞室出發(fā)，隨著洞室的遠(yuǎn)離，表現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律，最大的應(yīng)力是應(yīng)力集中區(qū)域，處于彈塑性分界處。

結(jié)語

通過對(duì)隧道開挖接近并進(jìn)入大型溶腔的過程設(shè)計(jì)數(shù)值模擬，將溶腔周圍應(yīng)力場(chǎng)分為塑性區(qū)、彈塑性交界區(qū)、彈性區(qū)，隧道在這三個(gè)區(qū)域的開挖變形特性均有所不同，通過分析總結(jié)，結(jié)論如下。

隧道在彈性區(qū)開挖，隧道的開挖變形量隨著溶腔的接近有增大的趨勢(shì)，且拱頂下沉量、掌子面擠出變形量變形增大的速度大于拱腳的水平位移增速。在該階段，掌子面擠出位移將達(dá)到最大值。

隧道在彈塑性交界處開挖，隧道的變形量增加到最大，變形增大主要發(fā)生在拱頂、拱腰處，變形主要由先期變形和開挖瞬時(shí)變形，掌子面擠出變形開始減小。

隧道在塑性區(qū)開挖，圍巖的變形減小，主要原因是由于塑性區(qū)地應(yīng)力較小，隧道的開挖引起的應(yīng)力釋放較小。掌子面擠出變形繼續(xù)減小，最后向溶腔方向產(chǎn)生變形。