隱伏溶洞位置組合效應(yīng)對隧道施工影響的數(shù)值分析

趙珂

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074）

隱伏溶洞是隧道開挖過程中未揭露出來的溶洞.隱伏溶洞分布在隧道開挖輪廓以外，由于隱伏具有一定的隱蔽性，當(dāng)隧道開挖接近隱伏溶洞時，由于無法了解前方地質(zhì)情況，會使得隧道施工進入該區(qū)段后，由于沒有及時支護或支護強度不夠，造成隧道突發(fā)性的破壞[1].溶洞與隧道的相對位置是影響隧道施工安全與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素.近年來，各專家學(xué)者研究了單個溶洞對隧道施工的影響[1-12].趙明階等[2-6]用模型試驗和數(shù)值分析手段，系統(tǒng)地研究了隧道周邊溶洞分布情況對圍巖變形特性的影響進行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為位于隧道頂部附近的溶洞對拱頂下沉位移影響大于側(cè)壁位移的影響；位于隧道側(cè)面的溶洞主要引起隧道的整體側(cè)向位移，使隧道處于偏壓狀態(tài)；隧道底部溶洞對隧道的頂部和側(cè)壁徑向位移影響較小.宋戰(zhàn)平等[7-10]根據(jù)西南地區(qū)巖溶隧道災(zāi)害的調(diào)查，針對中小尺度溶洞引起的隧道穩(wěn)定性問題，運用數(shù)值試驗方法，對不同規(guī)模與位置的隱伏溶洞引起隧道位移變化規(guī)律的內(nèi)在機理進行了分析，不同位置、尺寸的隱伏溶洞對圍巖位移、應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響；賴永標(biāo)[11]對隱伏溶洞與隧道之間的安全距離進行了探討，通過建立有限元數(shù)值試驗?zāi)Ｐ停岢隽嘶赟VM的隱伏溶洞與隧道間安全距離的預(yù)測方法.饒俊英等[12]考慮多因子耦合效應(yīng)，建立了巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全模糊評價模型.

現(xiàn)有研究僅針對單個溶洞進行分析，然而自然界中溶洞往往成群發(fā)育，溶洞之間會相互影響，存在組合效應(yīng).目前尚缺乏溶洞間組合效應(yīng)對隧道施工的影響研究.基于目前研究現(xiàn)狀，本文以數(shù)值模擬實驗為手段，研究隱伏溶洞不同位置組合對隧道施工中圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力的影響.

1 基于Midas/gts三維數(shù)值模型的建立

1.1 Midas/gts基本理論

本文采用有限元分析軟件Midas/gts進行建模分析.Midas/gts是針對巖土工程領(lǐng)域研發(fā)的一款有限元分析軟件.廣泛適用于隧道、邊坡等各種巖土工程的建模與分析，使用該軟件能較為準(zhǔn)確地進行溶洞位置組合效應(yīng)對隧道施工影響的數(shù)值模擬分析.本次數(shù)值模擬巖土體采用摩爾庫倫作為本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則為：

式中，c為巖土體的黏聚力；φ為巖土體的內(nèi)摩擦角；σ為巖土體所受應(yīng)力值.

噴射混凝土和錨桿采用線彈性模型：

式中，E為材料彈性模量；μ為材料泊松比.

1.2 模型參數(shù)選取

該數(shù)值模擬建立長寬高為80m×80m×30m 的巖土體模型，隧道斷面尺寸及模型尺寸見圖1～3.

圖1 模型主視圖

圖2 模型側(cè)視圖

圖3 隧道斷面尺寸圖

根據(jù)相關(guān)文獻資料以及西南地區(qū)溶洞發(fā)育情況，將溶洞簡化為球形，半徑取4 m.模擬假設(shè)在隧道掘進方向10 m和20 m處各有一個溶洞，兩處位置分別記作位置1與位置2.溶洞與隧道凈距2 m，兩溶洞在隧道開挖方向（Y軸正向）凈距2 m.取隧道周圍最具代表性的位置分析比較，即溶洞位置分別在隧道90°（拱頂）、45°（拱腰）、0°（洞壁）、-45°（拱腳）和-90°（拱底）五個位置，溶洞與隧道相對位置見圖4.

根據(jù)隧道兩截面處溶洞分布的相對位置，進行10種工況數(shù)值模擬，見表1：

圖4 溶洞與隧道相對位置圖

表1 數(shù)值模擬工況表

該模擬控制隧道及溶洞周圍巖土體單元為長度1 m的三維實體單元，模型邊界XZ平面單元尺寸控制為5 m，掘進方向單元尺寸控制為1 m.根據(jù)規(guī)范及數(shù)值模擬要求，錨桿布設(shè)在隧道邊墻及拱頂位置，選用一維植入式桁架單元，長度為4 m，共23根，單元尺寸控制為1 m；噴射混凝土采用二維板單元，噴射厚度20 cm，尺寸控制為1 m.底部邊界控制位移Ux=Uy=0，yz面處邊界控制位移Ux=0，xz面處邊界控制Uy=0，位移上表面邊界為自由面.網(wǎng)格劃分見圖5.

模擬采用臺階法開挖，控制進尺3 m.為了提高模擬安全系數(shù)和計算效率，對施工模擬工作進行了一定簡化，并將二襯作為安全儲備不予考慮.模型各材料選取參數(shù)見表2.

圖5 模型網(wǎng)格劃分圖

表2 模型材料參數(shù)

2 模型的求解分析

隧道拱頂沉降、拱底隆起與水平收斂值是隧道施工安全的基本判別指標(biāo)，隧道拱腳位置支護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)力集中，隧道支護結(jié)構(gòu)通常以拱腳位置受力情況進行設(shè)計.因此該模型選取以上十種工況的拱腳位置支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，隧道圍巖水平收斂、拱頂沉降以及拱底隆起值對隧道施工安全性進行分析.繪制拱腳支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力折線圖與隧道圍巖拱底、拱頂與洞壁最大變形值的直方圖.以工況1為例，數(shù)值模擬所得圍巖變形、支護結(jié)構(gòu)最大與最小主應(yīng)力云圖見圖6-8.

圖6 圍巖變形云圖

圖7 支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

圖8 支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

2.1 隧道拱腳位置應(yīng)力分析

根據(jù)所建立模型，提取10種工況下隧道支護結(jié)構(gòu)拱腳位置最大與最小應(yīng)力值（圖9～10）：

由圖9可知，工況3、工況6、工況8在位置2處，隧道支護結(jié)構(gòu)所受最大主應(yīng)力產(chǎn)生突變，隧道支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值增幅達20%左右；工況10在位置1處支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力漲幅達20%左右；工況1、工況2、工況5支護結(jié)構(gòu)所受最大主應(yīng)力與無溶洞地層支護結(jié)構(gòu)所受最大主應(yīng)力差別不大；工況4、工況7、工況9與工況10在位置2處應(yīng)力值減小，減小約15%，推測該情況是由于溶洞位于隧道拱底位置，溶洞與隧道的屏蔽效應(yīng)造成的隧道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小.

圖9 最大主應(yīng)力變化圖

圖10 最小主應(yīng)力變化圖

由圖10可知，工況7、工況10在位置1最小主應(yīng)力發(fā)生突變，產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力增幅達40%左右，推測是由側(cè)部溶洞與底部溶洞組合效應(yīng)造成；工況3、工況4、工況6、工況8與工況10在位置2產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大增幅超過50%；工況1、工況2、工況9與工況5支護結(jié)構(gòu)所受最小主應(yīng)力大小與無溶洞地層所受支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力差別不大.

綜上，溶洞群位于隧道上部（拱頂、拱腰）時，由于溶洞與隧道間存在屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致隧道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力與無溶洞地層差別不大，甚至應(yīng)力值有所減小.溶洞群位于隧道下部（拱底、拱腳）時，溶洞與隧道間同樣存在屏蔽效應(yīng)，會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)部分位置應(yīng)力減小，但若拱腳位置存在溶洞，隧道支護結(jié)構(gòu)拱腳位置同樣會出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易造成隧道支護結(jié)構(gòu)破壞.溶洞群位于隧道側(cè)部（拱腰、洞壁、拱腳）時，對隧道支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最不利，拱腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中；尤其是當(dāng)溶洞群位于隧道側(cè)部偏下位置，隧道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，對施工安全與隧道支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最大，隧道支護時應(yīng)著重考慮該種工況，對隧道支護結(jié)構(gòu)進行加固處理.

2.2 拱頂沉降分析

根據(jù)所建模型，提取10種工況下隧道拱頂豎向沉降最大值與無溶洞隧道拱頂沉降平均值作對比，如圖11所示.

圖11 拱頂沉降圖

由圖11可知，工況5、工況6與工況8拱頂沉降比無溶洞地層隧道拱頂沉降值大，其中工況5拱頂沉降值最大；工況1～3拱頂沉降值與無溶洞地層隧道拱頂沉降值相差不大；工況4、工況7、工況9與工況10拱頂沉降小于無溶洞地層拱頂沉降值，推測是由于溶洞分布在拱底，溶洞與隧道間屏蔽效應(yīng)造成.

2.3 拱底隆起值分析

根據(jù)所建模型，提取10種工況下隧道拱底豎向隆起最大值與無溶洞隧道拱底隆起平均值作對比，如圖12所示.

由圖12可知，工況1、工況2與工況4拱底隆起值與無溶洞地層隧道拱底隆起值差別不大；其余工況較無溶洞地層隧道拱底隆起值有較大增量，其中工況10拱底隆起值最大.

2.4 隧道單側(cè)水平收斂值分析

根據(jù)所建模型，提取10種工況下隧道掘進方向最右側(cè)位置隧道水平位移最大值與無溶洞隧道相同位置水平位移平均值作對比，如圖13所示.

圖12 隧道拱底隆起值

圖13 隧道單側(cè)水平收斂值

由圖13可知，工況2～4、工況8～10隧道單側(cè)水平收斂值大于無溶洞地層隧道單側(cè)水平收斂值，其中工況4隧道單側(cè)水平收斂值最大；工況1、工況5～7隧道單側(cè)水平收斂值小于無溶洞地層隧道單側(cè)水平收斂值.

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬，對溶洞分布部位的組合效應(yīng)進行了分析.當(dāng)溶洞群位于隧道上部（拱頂、拱腰）時，由于溶洞屏蔽效應(yīng)，對隧道施工時圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力影響較小，對于分布于隧道上部的溶洞群，施工時應(yīng)加強監(jiān)測，對于隧道支護結(jié)構(gòu)可不進行加強設(shè)計.當(dāng)溶洞群位于隧道下部（拱腳、拱底）時，隧道施工時應(yīng)注意拱腳位置溶洞，拱腳位置的溶洞存在會造成隧道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加，對該種情況應(yīng)加強監(jiān)測，對分布在隧道拱腳位置的溶洞進行注漿加固，并對支護結(jié)構(gòu)進行加強.與無溶洞地層隧道施工相比，溶洞群分布在隧道側(cè)部（拱腰、洞壁、拱腳）時支護結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力與隧道圍巖變形有較大增長.因此，該工況對隧道穩(wěn)定性最為不利，隧道施工時應(yīng)加強監(jiān)測，采取合理施工工法，及時支護，并加強隧道支護結(jié)構(gòu)強度.

本文探討了隱伏溶洞群位置組合效應(yīng)對隧道施工的影響，與以往對單個溶洞進行分析相比，更符合實際工程.但本文僅針對干洞進行分析，對于含水溶洞，在流固耦合作用下，溶洞失穩(wěn)對隧道施工的影響仍需要進一步研究.