隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

趙旭杰

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引言

隧道工程則在道路交通領(lǐng)域中占有舉足輕重的位置。巖溶隧道所處的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，其中不乏斷層、破碎帶、溶洞和地下暗河等。這些地質(zhì)因素不僅影響著隧道工程的施工進(jìn)度，有時(shí)還會(huì)造成塌方、泥石流、涌水等地質(zhì)災(zāi)害，危及人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，巖溶區(qū)隧道的修建技術(shù)已然成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的重點(diǎn)課題之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖溶隧道方面研究已經(jīng)取得豐碩的成果。武金博等[1]關(guān)于隧道超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，提出了多種物性參數(shù)對(duì)比的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)踐也驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。鐘劍等[2]基于有限元數(shù)值模擬方法對(duì)巖溶隧道洞口段加固措施進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，揭示了不同支護(hù)方式對(duì)巖溶隧道圍巖穩(wěn)定的作用機(jī)理。周雪銘等[3]采用大型三維有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)白須公巖溶隧道進(jìn)行了研究，分析了巖溶處治結(jié)構(gòu)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的受力情況。莫陽(yáng)春等[4]結(jié)合寶成鐵路的工程實(shí)際，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)側(cè)部含溶洞隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了不同溶洞大小，不同距離條件下隧道圍巖的穩(wěn)定性。朱浩博等[5]采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)下部溶洞隧道進(jìn)行了研究，并基于多元回歸分析方法建立隧道與溶洞厚度之間的最小安全距離預(yù)測(cè)模型。

本文在總結(jié)前人研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，采用MIDAS/GTS NX有限元數(shù)值模擬方法對(duì)遼寧某在建隧道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了不同溶洞跨度、溶洞與隧道之間洞間距情況下隧道圍巖的穩(wěn)定性，研究結(jié)論可為工程實(shí)際提供可靠的理論指導(dǎo)。

1 工程概況

隧道位于遼寧省阜新市境內(nèi)，區(qū)域?yàn)檫|寧西北部，屬于中山侵蝕切割地貌，區(qū)域高度為230～330 m。該隧道為左右分離式布設(shè)，其中左幅隧道長(zhǎng)度為480.7 m，右幅隧道長(zhǎng)度為468.4 m，隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為單向雙車道，跨度為12.9 m，高度為9.98 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h。隧道穿越山體的巖石類別主要為灰?guī)r和砂巖，部分區(qū)段還有少量的大理巖和花崗巖。遼西地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季雨量充沛，在長(zhǎng)期雨水沖刷及近年來(lái)酸雨的侵蝕作用，在隧道穿越區(qū)形成了典型的巖溶地貌。通常情況下，巖溶發(fā)育必須具備兩個(gè)主導(dǎo)因素，即可溶性碳酸鹽和水，其水化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可表示為：

(1)

(2)

本文隧道穿越區(qū)滿足上述條件，因此在該區(qū)域形成了典型的巖溶地貌。

2 數(shù)值模型建立

為節(jié)省數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間，同時(shí)考慮邊界效應(yīng)的影響，單幅隧道左右邊界距隧道中心取值為不小于2.5倍洞跨，隧道設(shè)計(jì)跨度為12.6 m，則模型水平方向計(jì)算寬度取70 m，模型底部邊界距隧道仰拱不少于3倍洞高，隧道設(shè)計(jì)洞高為10 m，底部邊界與仰拱之間距離取40 m。本文隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，計(jì)算模型采用M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則，隧道及圍巖采用各向同性的三維實(shí)體單元結(jié)構(gòu)；隧道襯砌采用二維板單元結(jié)構(gòu)，錨桿采用一維植入式桁架結(jié)構(gòu)；隧道網(wǎng)格采用混合四面體網(wǎng)格，隧道邊界條件則根據(jù)MIDAS/GTS NX中內(nèi)置的自動(dòng)識(shí)別邊界條件設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，隧道采用預(yù)留核心土開(kāi)挖方法，以每循環(huán)2 m/d的施工進(jìn)度進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。為分析不同溶洞情況下的隧道圍巖穩(wěn)定性，本文結(jié)合工程實(shí)際，考慮溶洞大小和溶洞與隧道之間距離兩個(gè)影響因素，即溶洞的跨度D和洞間距S。其中，洞跨D分別取4，8，12.6和16 m，洞間距S分別取6，8，10和12 m，數(shù)值模型見(jiàn)圖1。

圖1 巖溶隧道數(shù)值模型

參考工勘報(bào)告，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中各物理參數(shù)的取值范圍，給出了本文數(shù)值模擬參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 溶洞跨度影響分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別提取隧道各特征點(diǎn)的位移見(jiàn)表2，為了便于分析，本文取x軸和y軸正方向?yàn)檎担瑒t拱頂沉降和右邊墻收斂位移均為負(fù)值。由表2可知，隨著溶洞跨度的逐漸增大，拱頂沉降和拱底隆起均呈逐漸遞減趨勢(shì)。其中，當(dāng)溶洞跨度為D=4 m時(shí)，隧道的拱頂沉降位移變化量為62.755 mm，當(dāng)溶洞跨度分別為D=8，12.6和16 m時(shí)，拱頂沉降變化量分別減小了4.774，13.288和13.651 mm，減幅分別為7.62%、21.17%和21.75%，表明隧道上部溶洞對(duì)隧道拱頂沉降具有一定的保護(hù)作用，且在溶洞跨度在一倍隧道洞跨前，對(duì)隧道拱頂位移影響較大，當(dāng)溶洞跨度超過(guò)一倍隧道洞跨時(shí)，拱頂沉降逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)溶洞跨度為D=4 m時(shí)，拱底隆起位移變化量65.087 mm，當(dāng)溶洞跨度分別為D=8，12.6和16 m時(shí)，拱底隆起變化量分別減小了4.851，11.473和15.983 mm，減幅分別為8.99%、17.63%和24.56%?？梢?jiàn)，溶洞跨度對(duì)隧道拱底隆起與對(duì)隧道拱頂沉降具有相同的作用，且從位移變化量上來(lái)看，上部隱伏溶洞對(duì)隧道拱底的影響略高于拱頂。產(chǎn)生上部溶洞導(dǎo)致拱頂、拱底位移減小的原因?yàn)槿芏丛谒淼郎戏綍r(shí)，對(duì)隧道上方圍巖起到了應(yīng)力屏蔽作用，且當(dāng)溶洞跨度大于一倍隧道跨度時(shí)，應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象更加明顯。

表2 不同溶洞跨度下的數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)表2可知，隨著溶洞跨度的逐漸增大，左邊墻收斂位移和右邊墻收斂位移均呈逐漸遞減趨勢(shì)。其中，當(dāng)溶洞跨度為D=4 m時(shí)，隧道的左邊墻收斂位移變化量為66.396 mm，當(dāng)溶洞跨度分別為D=8，12.6和16 m時(shí)，左邊墻收斂位移變化量分別減小了11.006，21.868和25.995 mm，減幅分別為16.58%、32.94%和39.15%，右邊墻收斂位移變化量分別減小了10.846，21.923和25.918 mm，減幅分別為16.34%、33.03%和39.05%?？梢?jiàn)，上部溶洞對(duì)隧道左右邊墻同樣具有應(yīng)力屏蔽作用，且對(duì)比左右邊墻和拱頂拱底位移變化量可知，屏蔽作用對(duì)左右邊墻更明顯。同時(shí)對(duì)比左右邊墻收斂位移發(fā)現(xiàn)，二者在數(shù)值上幾乎相等，進(jìn)一步表明數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提取隧道周圍巖體的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，繪制二者隨溶洞跨度的分布曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，最大拉應(yīng)力隨溶洞跨度呈波動(dòng)變化，最大拉應(yīng)力值在溶洞跨度為D=8 m，但最大拉應(yīng)力值整體上隨溶洞跨度的增大而減小，而最大壓應(yīng)力隨溶洞跨度呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。當(dāng)溶洞跨度為D=4 m時(shí)，隧道圍壓最大拉應(yīng)力為-0.539 MPa，最大壓應(yīng)力為2.486 MPa，當(dāng)溶洞跨度為D=16 m時(shí)，隧道圍巖最大拉應(yīng)力減小至-0.385 MPa，最大壓應(yīng)力減小至2.211 MPa，二者減幅分別為28.57%和11.06%。可見(jiàn)，溶洞跨度對(duì)隧道周圍巖體的應(yīng)力同樣具有顯著影響，隨著溶洞跨度的逐漸增大，隧道承受上部及周圍巖體的應(yīng)力逐漸減小，且溶洞跨度大于一倍洞跨時(shí)，隧道周圍巖體應(yīng)力基本朝著穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展。

圖2 最大拉、壓應(yīng)力隨溶洞跨度分布曲線

3.2 洞間距影響分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別提取隧道各特征點(diǎn)的位移值于表3所示。由表3可知，隨著洞間距的逐漸增大，拱頂沉降和拱底隆起均呈逐漸遞增趨勢(shì)。其中，當(dāng)洞間距為S=6 m時(shí)，隧道的拱頂沉降位移變化量為56.98 mm，當(dāng)洞間距分別為S=8，10和12 m時(shí)，拱頂沉降變化量分別增大了1.638，2.320和3.002 mm，增幅分別為2.87%、4.07%和5.27%?？梢?jiàn)，隨著洞間距的逐漸增大，二者之間相互影響逐漸減小。當(dāng)洞間距為S=6 m時(shí)，拱底隆起位移變化量58.963 mm，當(dāng)洞間距分別為S=8，10和12 m時(shí)，拱底隆起變化量分別增大了2.406，3.253和4.089 mm，增幅分別為4.08%、5.52%和6.49%。分析表明，洞間距的逐漸增大使兩空腔相互作用逐漸減弱，隧道上部有效土層厚度逐漸增加，致使隧道承受周圍巖體的應(yīng)力逐漸增大，進(jìn)而使拱頂、拱底位移變化量逐漸增大，但當(dāng)洞間距大于一倍洞高時(shí)，隧道拱頂沉降和拱底隆起位移均朝著逐漸穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展。

表3 不同洞間距下的數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)表3可知，隨著洞間距的逐漸增大，左邊墻收斂位移和右邊墻收斂位移均呈逐漸遞增趨勢(shì)。其中，當(dāng)洞間距為S=4 m時(shí)，隧道的左邊墻收斂位移變化量為40.876 mm，當(dāng)洞間距分別為D=8，10和12 m時(shí)，左邊墻收斂位移變化量分別增大了2.958，4.907和5.365 mm，增幅分別為7.24%、12.00%和13.13%，右邊墻收斂位移變化量分別增大了2.815，4.775和5.388 mm，增幅分別為6.87%、11.65%和13.15%?？梢?jiàn)，左右邊墻收斂位移驗(yàn)證了上述結(jié)論，即洞間距越大，隧道和溶洞之間相互影響越小，且當(dāng)洞間距超過(guò)一倍洞高時(shí)，左右邊墻水平收斂位移逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提取隧道周圍巖體的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，繪制二者隨洞間距的分布曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均隨洞間距逐漸增大。當(dāng)洞間距為S=6 m時(shí)，隧道圍壓最大拉應(yīng)力為-0.603 MPa，最大壓應(yīng)力為2.343 MPa，當(dāng)洞間距為S=12 m時(shí)，隧道圍巖最大拉應(yīng)力增大至-0.683 MPa，最大壓應(yīng)力增大至2.524 MPa，二者增幅分別為13.27%和7.73%?？梢?jiàn)，洞間距對(duì)隧道周圍巖體的應(yīng)力同樣具有顯著影響，隨著洞間距的逐漸增大，隧道上部土層有效厚度逐漸增大，致使隧道承受上部圍巖壓力逐漸增大，但洞間距大于一倍洞高時(shí)，隧道周圍巖體應(yīng)力基本朝著穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展。

圖3 最大拉、壓應(yīng)力隨洞間距分布曲線

4 結(jié)論

(1)隨著溶洞跨度逐漸增大，隧道拱頂沉降、拱底隆起位移逐漸減小，左邊墻收斂位移和右邊墻收斂位移均呈逐漸減小，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力逐漸減小，且在溶洞跨度超過(guò)一倍隧道跨度時(shí)，各參數(shù)變化量逐漸趨緩。

(2)隨著洞間距的逐漸增大，隧道拱頂沉降、拱底隆起位移逐漸增大，左邊墻收斂位移和右邊墻收斂位移均呈逐漸增大，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力逐漸增大，且在洞間距超過(guò)一倍隧道洞高時(shí)，各參數(shù)變化量逐漸趨緩。

(3)在隧道修建過(guò)程中，當(dāng)溶洞與隧道之間距離或溶洞大小大于一倍跨度或洞高時(shí)，一般情況下可不對(duì)溶洞進(jìn)行處理。反之，則需要對(duì)隧道采取加固措施。