隧道側(cè)部溶洞形態(tài)對安全距離影響分析*

付慶

(中鐵十八局集團有限公司， 天津 300222)

隧道穿越灰?guī)r地質(zhì)時經(jīng)常遭遇大小及方向各異的溶洞，發(fā)育復(fù)雜的溶洞給隧道修建和后期運營帶來極高風(fēng)險，最簡單、最有效的方法就是確保溶洞和隧道間保持足夠的安全距離。趙明階等運用有限元軟件分析了不同跨度溶洞與隧道的不同空間分布對圍巖穩(wěn)定性的影響；王勇等基于彈塑性理論和數(shù)值模擬方法，分析了隧道底部溶洞頂板安全厚度的影響因素，利用多元線性回歸方法得出了安全厚度預(yù)測模型；劉悟輝等采用FLAC軟件分析了路基和溶洞在汽車荷載作用下產(chǎn)生的塑性變形；Chen W. Z.等通過數(shù)值模擬及實地測量，推導(dǎo)了評價大型地下洞室開挖穩(wěn)定性的蠕變-損傷耦合模型；李奎采用ANSYS軟件研究了開挖過程中隧道圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律；曹茜、宋建禹采用有限元軟件建立了溶洞與隧道的安全距離預(yù)測模型；邱新旺通過有限元軟件分析了影響溶洞和隧道安全距離的因素，建立了溶洞位于馬蹄形隧道底部、頂部和側(cè)部位置時安全距離預(yù)測函數(shù)；李集等建立了巖溶隧道防突巖層安全距離估算公式。溶洞與隧道間巖體安全距離的影響因素較多，且由于巖溶發(fā)育特征復(fù)雜，研究結(jié)果的推廣受到局限，針對具體工程必須具體研究。該文以黔張常鐵路QZCZQ-I標(biāo)段桑植隧道施工為例，采用ADINA軟件建立三維數(shù)值模型，模擬隧道側(cè)部存在球形隱伏溶洞及其不同形態(tài)對隧道和溶洞間安全距離的影響，為施工措施制定提供借鑒。

1 工程概況

桑植隧道設(shè)計見圖1。該隧道為雙線隧道，起于上洞街鄉(xiāng)二戶溪村，與二戶溪2號中橋常德端臺尾相接，自東向西橫穿利福塔鎮(zhèn)，與郭家臺特大橋黔江端臺尾相接，全長5 058.25 m。該隧道穿越可溶性地層，橫穿的山脈巖層總體沿N-S走向，巖性復(fù)雜多變，裂隙發(fā)育強烈，植物覆蓋率高，地勢陡峭，工程差異極大，巖溶、巖溶水發(fā)育強烈，地質(zhì)復(fù)雜?？紫端饕嬖谟谝愿迟|(zhì)和少量碎石為主的河谷地段，基巖裂隙水主要賦存于隧洞進口及洞身附近，賦水量主要受地質(zhì)構(gòu)造制約，受降雨影響較小。

圖1 桑植隧道斷面圖(單位：cm)

2 分析模型的建立

隧道開挖一般會對3～5倍開挖跨度范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生較大擾動，由此選擇計算模型的尺寸為縱向(X方向)70 m、橫向(Y方向)90 m、豎向(Z方向)90 m(見圖2)。

圖2 隧道側(cè)部溶洞三維有限元模型

隧道沿X方向，底部中線位于縱向45 m、豎向40 m處，隧道圍巖簡化為均質(zhì)彈塑性材料，計算采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，其物理力學(xué)參數(shù)按表1設(shè)定。將溶洞簡化為球體或橢球體，溶洞中心位于模型縱向的中部，每循環(huán)進尺3 m，模型上部邊界為應(yīng)力邊界，埋深對圍巖穩(wěn)定性的影響通過施加上覆巖體的自重力進行模擬，重力加速度為9.8 N/kg。

表1 圍巖的力學(xué)參數(shù)

3 溶洞形態(tài)對安全距離的影響

3.1 溶洞跨度對安全距離的影響

假定隧道埋深為70 m，模擬溶洞跨度(直徑)從6 m按2 m遞增至16 m時對隧道和溶洞間安全距離的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溶洞跨度對隧道和溶洞間安全距離的影響

由圖3可知：溶洞跨度從6 m增加至16 m時，隧道和溶洞間安全距離逐漸增加，增加幅度分別為12.9%、12%、4%、2.9%和3.5%，增加幅度減緩，總的增幅為40%。

3.2 隧道埋深對安全距離的影響

假定隧道跨度(直徑)為10 m，研究隧道埋深從50 m按照25 m遞增至150 m時及隧道埋深200 m對隧道和溶洞間安全距離的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 隧道埋深對隧道和溶洞間安全距離的影響

由圖4可知：隧道和溶洞間安全距離與隧道埋深近似成直線遞增關(guān)系，直線斜率約為2.8%；隨著埋深按照50%的幅度增加，安全距離以約19%的幅度遞增。

3.3 溶洞高跨比對安全距離的影響

三維模型中橢球形溶洞的大小由X、Y、Z三軸半徑?jīng)Q定，分別為a、b、c(見圖5)。

圖5 橢球形溶洞尺寸示意圖

在隧道埋深為70 m的條件下，假定溶洞體積不變，高跨比按照橢球在X、Y和Z方向尺寸的不同變化分為3種工況，研究溶洞高跨比對隧道和溶洞間安全距離的影響。工況1為橢球在Y方向半徑固定，通過Z和X方向的尺寸比實現(xiàn)高跨比變化；工況2為橢球在X方向半徑固定，通過Z和Y方向的尺寸比實現(xiàn)高跨比變化；工況3為橢球在X和Y方向尺寸相同，高跨比通過Z與X或Y方向的尺寸比變化來體現(xiàn)。

3.3.1 工況1下溶洞高跨比對安全距離的影響

Y方向尺寸不變，設(shè)Z與X方向的尺寸比為R1，R1從0.5以0.5增幅遞增至3，不同高跨比對應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖6。

圖6 高跨比R1與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖6可知：工況1下，高跨比為1時所需安全距離最大，即橢球在XZ平面投影為圓形時對應(yīng)的安全距離最大；無論高跨比是增大還是減小，對應(yīng)的安全距離均減小。高跨比大于1時，安全距離與高跨比基本成線性遞減關(guān)系。

3.3.2 工況2下溶洞高跨比對安全距離的影響

X方向尺寸不變，設(shè)Z與Y方向的尺寸比為R2，其變化與R1相同，不同高跨比對應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖7。

圖7 高跨比R2與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖7可知：工況2下安全距離隨著高跨比的增大而增加，并最終趨向于定值。說明溶洞在隧道縱向和橫向的發(fā)育程度對安全距離的影響規(guī)律不同，縱向高跨比增加對安全距離的影響大于橫向高跨比增加對安全距離的影響。

3.3.3 工況3下溶洞高跨比對安全距離的影響

X和Y方向尺寸相等(溶洞跨度，見表2)，高跨比以Z和X或Y方向的尺寸比來體現(xiàn)，設(shè)為R3，其變化與R1和R2相同，不同高跨比對應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖8。

表2 高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

圖8 高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖8可知：工況3下，高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離關(guān)系的變化趨勢與工況1基本一致，安全距離隨著高跨比的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與工況1不同的是，工況3下安全距離最大值對應(yīng)的高跨比為1.5，而非高跨比1(橢球體變成球體)時的安全距離。高跨比大于2.5時，安全距離基本不增大，趨向于定值。

4 結(jié)論

(1) 隱伏溶洞位于隧道側(cè)部時，隧道與溶洞間安全距離與溶洞跨度成正比關(guān)系，但增幅逐漸減小。

(2) 溶洞跨度固定時，隧道埋深與隧道與溶洞間安全距離表現(xiàn)為近似直線遞增關(guān)系。

(3) 隧道正右側(cè)等體積溶洞形態(tài)對隧道與溶洞間安全距離的影響主要體現(xiàn)在溶洞在隧道縱斷面的投影面積、溶洞側(cè)腔巖體支撐能力及頂部巖體成拱能力上，溶洞的高跨比R2對安全距離的影響最大，R1次之，R3最小，即溶洞在隧道縱斷面的投影面積越大，所需安全距離越大；投影面積不變，球形溶腔所需安全距離最大。