近接巖溶空腔對(duì)臺(tái)階法施工公路隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究

黃 鵬，王麗君

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)中西部交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，隧道建設(shè)向著更加復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域發(fā)展，特別是在西南巖溶地貌區(qū)，近接溶腔對(duì)工程建設(shè)(尤其是隧道、地下洞室的施工)帶來(lái)十分嚴(yán)重的影響[1-2]。溶洞多發(fā)生于石灰?guī)r、白云巖等地層中，在地下水長(zhǎng)期侵蝕作用下形成一定的地下空間[3-4]。當(dāng)隧道毗鄰溶洞發(fā)育區(qū)時(shí)，圍巖整體性、完整性變差，使得隧道整體或部分懸空，極大改變了開挖洞口附近的應(yīng)力分布。此外，隧道區(qū)地下水的流動(dòng)不僅會(huì)持續(xù)侵蝕周邊巖體，影響隧道壽命，嚴(yán)重時(shí)可引起洞穴內(nèi)松散堆積物坍塌下沉，形成頂部地面巖溶塌陷，嚴(yán)重威脅著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全性[5-6]。

當(dāng)隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)時(shí)，結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜，洞室變形難以控制。溶洞大小與位置、距離隧道的遠(yuǎn)近等因素與隧道施工開挖及支護(hù)安全性有著重要關(guān)系。趙明階等[7-8]通過(guò)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究得出側(cè)面溶洞會(huì)使隧道受到嚴(yán)重偏壓影響，并且針對(duì)全斷面開挖條件下的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。達(dá)勇等[9]在有溶洞的情況下對(duì)單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道圍巖應(yīng)力、位移等進(jìn)行了模擬分析，研究得出溶洞對(duì)隧道拱頂下沉影響顯著。吳夢(mèng)軍等[10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了溶洞發(fā)育位置對(duì)圍巖施工力學(xué)的影響，并輔以數(shù)值模擬總結(jié)了圍巖塑性區(qū)和位移變化特征。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于巖溶隧道的溶洞處理、施工方法等積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是針對(duì)近接巖溶空腔對(duì)臺(tái)階法隧道開挖影響因素的研究卻相對(duì)較少。因此，本文以某公路巖溶隧道為工程依托，深入研究了巖溶空腔位置對(duì)臨近隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的影響，揭示了洞周圍巖應(yīng)力分布及變形特性，研究成果可為巖溶區(qū)隧道的工程建設(shè)提供理論支撐和參考。

1 工程概況

在建公路隧道位于貴州省境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)628 m，最大埋深70 m。巖溶地層主要為強(qiáng)風(fēng)化白云巖、灰?guī)r，巖層呈中～厚層狀，灰白色。節(jié)理裂隙十分發(fā)育，多張性節(jié)理，巖體多為完整～較破碎。隧道總體富水程度較低，裂隙連通性大，少見集中徑流，常有裂隙水流，沿裂隙、層面溶蝕擴(kuò)大為巖溶化裂隙或小型洞穴。周邊未發(fā)現(xiàn)較大斷裂且未臨近地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)頻繁區(qū)域。隧道圍巖多以Ⅳ和Ⅴ級(jí)為主，隧道開挖寬度11.872 m，高度約8.7 m，隧道設(shè)計(jì)為雙向四車道公路，其斷面示意見圖1。隧道洞身結(jié)構(gòu)按新奧法施工原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即以系統(tǒng)錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架等組成的初期支護(hù)與二次模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合襯砌型式，其中隧道Ⅳ級(jí)圍巖段采用兩臺(tái)階法施工，基巖段采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，預(yù)留變形量為8 cm，開挖后及時(shí)完成噴錨支護(hù)和鋼支撐組成的初期支護(hù)系統(tǒng)，并在施工監(jiān)測(cè)圍巖變形基本穩(wěn)定后，及時(shí)進(jìn)行二次模筑鋼筋混凝土襯砌，圍巖及支護(hù)參數(shù)如表1所示。在實(shí)際施工過(guò)程中，遇到多個(gè)小型溶洞，平均洞寬約2.5 m，多位于隧道左拱腰上部，均為貧水類巖溶溶洞，洞內(nèi)有少量松散充填物，距離隧道洞身段遠(yuǎn)近不一。因此，本文以此隧道工程為例，選擇近接距離作為主要影響因素，針對(duì)近接巖溶空腔對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性影響展開研究。

圖1 公路隧道內(nèi)輪廓尺寸(單位：cm)

表1 材料物理力學(xué)特征值

2 巖溶隧道有限元模型建立

2.1 數(shù)值分析模型

為了充分考慮近接巖溶空腔對(duì)隧道開挖的穩(wěn)定性影響，本文選取了大埋深且溶洞發(fā)育區(qū)段作為研究對(duì)象。基于設(shè)計(jì)資料及工程地質(zhì)條件，通過(guò)有限差分軟件FLAC 3D建立計(jì)算模型，以噴射混凝土形成的初期支護(hù)作為主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，分別開展了有溶洞和無(wú)溶洞時(shí)隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的對(duì)比分析。在近接溶洞的影響方面，由于溶洞位于隧道拱肩部斜交位置，在溶洞與隧道間距分別為2 m、4 m和8 m的工況下，筆者分析了隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性及應(yīng)力分布特征。計(jì)算單元采用solid45，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用三維實(shí)體單元，模型共計(jì)10 044個(gè)單元和13 744個(gè)節(jié)點(diǎn)，材料破壞特性符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。由于結(jié)構(gòu)可看作是對(duì)稱的，并且為了方便比較和分析結(jié)果，故取拱頂、拱腰和邊墻3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A、B、C)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 模型參數(shù)及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料及室內(nèi)巖土體力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，模型參數(shù)取值如表2所示。通過(guò)有限元計(jì)算軟件建立溶洞不同間距條件下的隧道開挖模型與支護(hù)模型。在圖2中，計(jì)算模型中隧道圍巖為Ⅳ級(jí)，隧道埋深為42 m，實(shí)體單元網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度為0.2 m。為了盡量避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，數(shù)值模型兩側(cè)寬度取3～5倍洞徑以上，總長(zhǎng)約77 m，模型豎向范圍約85.2 m。隧道開挖選擇兩臺(tái)階施工方法，先進(jìn)行上臺(tái)階施工開挖后，立即施作上半段初期支護(hù)，待變形穩(wěn)定后，進(jìn)行下部開挖和支護(hù)，有限元整體模型如圖2所示。模擬計(jì)算前，首先對(duì)底部邊界和四周邊界施加約束，限制三向位移，垂直邊限制水平方向的位移，僅賦予上部單元多向自由度。

表2 材料主要的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道有限元模型

3 結(jié)果分析及討論

3.1 近接溶洞對(duì)隧道開挖受力分布影響

隧道上臺(tái)階開挖后的最大主應(yīng)力分布如圖3所示。當(dāng)沒(méi)有溶洞時(shí)，上臺(tái)階開挖后拱頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，底部圍巖出現(xiàn)一定隆起，主應(yīng)力向兩拱腳逐步擴(kuò)散。當(dāng)溶洞距離隧道僅2 m時(shí)，溶洞底部出現(xiàn)輕微拉裂現(xiàn)象，溶洞頂部及拱頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，溶洞與隧道之間圍巖拉應(yīng)力較小，表明圍巖位移較大。并且越靠近隧道拱腰處應(yīng)力越小，表明圍巖集中向隧道側(cè)產(chǎn)生變形破壞，拱頂處受到拉應(yīng)力較大，邊墻處受到壓應(yīng)力較大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，對(duì)比有溶洞和無(wú)溶洞條件下的拉應(yīng)力變化(見圖4)，溶洞的出現(xiàn)使得受到的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)上升；整體表現(xiàn)為溶洞距離隧道越近，拉應(yīng)力增幅越大，這與隧道開挖后的位移變化規(guī)律一致。當(dāng)溶洞近接距離為2～4 m時(shí)，拉應(yīng)力比值的增幅較大，最大可達(dá)22%，隧道開挖支護(hù)后出現(xiàn)失穩(wěn)的概率也越大。隨著近接距離不斷增加，曲線負(fù)向斜率增大，最大拉應(yīng)力比值降速逐漸增加，表明近接溶洞對(duì)隧道開挖的影響逐步變小。當(dāng)溶洞距離隧道在8 m以外時(shí)，拉應(yīng)力增幅已減小至10%以下。

圖3 上臺(tái)階開挖后主應(yīng)力分布特征

圖4 上臺(tái)階開挖后最大拉應(yīng)力比分布特征

另一方面，當(dāng)溶洞逐漸遠(yuǎn)離隧道時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也會(huì)有所降低。通過(guò)截面面積和提取的節(jié)點(diǎn)受力數(shù)據(jù)，得到溶洞不同近接距離條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力(見表3)。隨著溶洞近接距離不斷增大，初期支護(hù)拱頂和拱肩處的軸力大幅降低，尤其是拱頂處軸力從間距為2 m時(shí)的-2 647.36 kN減小到8 m時(shí)的-1 803.64 kN，減小約32%，而拱肩處軸力降低幅度約為8.2%～11.5%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明了隨著溶洞距離隧道越遠(yuǎn)，彎矩降低速度越快。當(dāng)近接距離由2 m增加至8 m時(shí)，拱頂彎矩降幅將達(dá)到90%以上。

表3 溶洞不同間距下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較

3.2 近接溶洞對(duì)隧道開挖塑性區(qū)的影響

上臺(tái)階開挖引起的塑性區(qū)分布如圖5所示。在無(wú)溶洞進(jìn)行隧道開挖時(shí)，拱頂和開挖面底部以及墻角處會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，其中拱頂沉降引起的塑性破壞較為嚴(yán)重，其余位置圍巖多處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)開挖隧道附近有溶洞出現(xiàn)時(shí)，這對(duì)圍巖塑性區(qū)分布具有較大的影響。當(dāng)溶洞近接距離為2 m時(shí)，除了溶洞自身附近以及隧道開挖凈空面附近圍巖會(huì)產(chǎn)生塑性變形外，隧道拱腰附近以及溶洞與隧道間的圍巖多處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，且具有連通態(tài)勢(shì)。這表明當(dāng)溶洞距離開挖隧道過(guò)近時(shí)，在隧道靠近溶洞發(fā)育區(qū)附近極易發(fā)生上部坍塌。當(dāng)溶洞近接距離為4 m時(shí)，在溶洞與隧道頂部之間出現(xiàn)有大量彈性區(qū)，而隧道拱腰附近塑性區(qū)減少，表明溶洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響開始減小，但溶洞附近塑性區(qū)仍分布較廣，開挖時(shí)依然存在較大安全隱患。當(dāng)溶洞近接距離為8 m時(shí)，塑性區(qū)多分布在隧道周圍，溶洞周圍的塑性區(qū)也較小，相互沒(méi)有延展，開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)是安全可行的。

圖5 上臺(tái)階開挖后圍巖塑性區(qū)分布特征

3.3 近接溶洞對(duì)隧道開挖位移的影響

不同近接距離條件下隧道拱頂沉降值如圖6所示。拱頂沉降規(guī)律整體表現(xiàn)為前期開挖增速較快，待初期支護(hù)施作閉環(huán)后沉降逐漸平緩至穩(wěn)定值。在無(wú)溶洞時(shí)，拱頂最大沉降量為2.22 cm。但是隨著溶洞的出現(xiàn)以及距離隧道間距越來(lái)越小，拱頂沉降量將越來(lái)越大。特別是在上臺(tái)階開挖初期，沉降位移增速不斷提升，當(dāng)溶洞距離隧道越近，前期的沉降效應(yīng)越明顯，且拱部容易出現(xiàn)較大變形；在溶洞近接距離為2 m時(shí)，最大沉降量達(dá)到2.6 cm。從不同近接距離條件下的邊墻水平位移變化規(guī)律可以看出(見圖7)，隧道開挖后洞周前期收斂變形較快，在施作初期支護(hù)后，位移變化速率明顯降低，出現(xiàn)短暫的穩(wěn)定期，此時(shí)變形量已達(dá)總變形量的80%；待下臺(tái)階開挖并施作支護(hù)后，水平位移逐漸穩(wěn)定。當(dāng)隧道周邊存在既有溶洞時(shí)，邊墻水平變形速率同樣有所提升，溶洞與間距越小，水平變形量就越大，當(dāng)溶洞近接距離為2 m時(shí)，最大變形量達(dá)到0.69 cm。有溶洞與無(wú)溶洞的情況對(duì)比分析見圖8。當(dāng)出現(xiàn)近接溶洞時(shí)，隧道開挖引起的拱頂沉降及水平收斂均出現(xiàn)不同程度增加，但是隨著溶洞距離越來(lái)越遠(yuǎn)，近接巖溶空腔對(duì)隧道開挖的影響也越來(lái)越小。同時(shí)，相對(duì)于邊墻水平變形來(lái)說(shuō)，近接溶洞對(duì)于拱頂沉降影響更為顯著。當(dāng)溶洞近接距離由2 m增加至8 m時(shí)，水平位移增幅由6.15%逐步線性降低至1.54%，拱頂沉降量與溶洞近接距離表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系。隨著溶洞距離的增加，拱頂相對(duì)沉降量由17.12%逐步減小至7.21%。

圖6 近接溶洞對(duì)拱頂沉降的影響

圖7 近接溶洞對(duì)邊墻位移的影響

圖8 既有溶洞引起的隧道開挖位移變化量

綜合隧道開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍巖塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)及洞周變形特征，當(dāng)隧道只有一側(cè)遇到溶洞時(shí)，宜首先開挖該測(cè)，并及時(shí)支護(hù)；當(dāng)隧道施工臨近溶洞邊緣時(shí)，應(yīng)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制爆破藥量。施工時(shí)，各工序應(yīng)該緊密銜接，支護(hù)結(jié)構(gòu)可超前布置，并且視溶洞巖石破碎情況，可采用錨桿或鋼筋網(wǎng)噴錨加固，必要時(shí)應(yīng)考慮注漿，并及時(shí)開展監(jiān)控量測(cè)工作。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)開展大斷面巖溶隧道中溶洞對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響研究，得到了溶洞不同近接距離條件下隧道施工引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律、圍巖塑性區(qū)分布以及位移變化特征，且筆者得出臺(tái)階法施工條件下的中小跨度巖溶公路隧道施工有以下特征并做出建議：

(1)有近接溶洞(小于4 m)時(shí)，隧道開挖可引起拱頂拉應(yīng)力最大增長(zhǎng)22%；當(dāng)溶洞與隧道間距超過(guò)8 m時(shí)，拉應(yīng)力增幅小于10%；支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩和軸力也隨溶洞近接距離的增大而大幅減小。

(2)當(dāng)溶洞近接距離小于2 m時(shí)，隧道開挖會(huì)引起溶洞與開挖面之間塑性區(qū)的延展連通，極易發(fā)生塌方。但隨著巖溶空腔與隧道間距的增大，施工引起的塑性區(qū)范圍逐漸減小，彈性變形區(qū)開始緩慢增加。

(3)近接溶洞顯著增加了隧道開挖后的整體變形量。當(dāng)溶洞近接距離為2～8 m時(shí)，拱頂沉降增幅為7.2%～17.1%，邊墻位移增幅為1.54%～6.15%，近接溶洞對(duì)拱頂沉降的影響更為顯著。

(4)當(dāng)巖溶隧道施工時(shí)遇到溶洞近接的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)查明溶洞位置、大小以及近接距離。當(dāng)溶洞與圍巖的間距小于4 m時(shí)，隧道施工開挖極容易引起坍塌，應(yīng)在開挖前及時(shí)處理溶洞并施作支護(hù)，特別是拱頂處應(yīng)考慮加強(qiáng)。