不同溶洞條件對大跨隧道開挖影響敏感性分析

汪祥國

(中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北 十堰 442000)

在中國大量山嶺隧道建設(shè)中，時常要穿越巖溶地區(qū)，由于溶洞分布的復(fù)雜性，在隧道施工時，溶洞可能對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，引起巖溶塌陷、支護(hù)變形、隧道突水突泥等災(zāi)害，影響建設(shè)進(jìn)度，嚴(yán)重時可能成為誘發(fā)隧道災(zāi)變的重要因素。近年來不少學(xué)者對巖溶隧道進(jìn)行了研究，陳峰等通過改變?nèi)芏粗睆健⒙裆?、溶洞?nèi)承壓水頭3個參數(shù)，模擬研究了富水地區(qū)溶洞對基坑土體變形、灌注樁側(cè)移以及水平支撐軸力的影響；王建等對公路隧道穿越大型溶洞進(jìn)行了數(shù)值計算分析，得出隧道側(cè)面溶洞對隧道圍巖位移擴(kuò)展影響較大，在溶洞邊緣添加加固部件能夠?qū)ξ灰破鸬搅己玫目刂谱饔?；Huang Xin等建立了可識別隧道巖層間安全厚度與隱伏溶洞的模型；王軍等針對黔張常鐵路高山隧道一巨型溶洞，進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析提出了“洞砟充填+上部注漿”的綜合處置方案，取得了較好的處置效果；耿招分析了不同開挖方法下偏壓大跨隧道圍巖的穩(wěn)定性；江杰等利用有限元軟件計算分析比較了不同溶洞條件對基坑開挖的影響；Lu Haifeng等通過調(diào)整土的細(xì)觀變量(E、μ、c等)，并把它們作為影響因素開展了正交設(shè)計試驗；梅博軒運(yùn)用Midas-GTS軟件研究了溶洞的存在對基坑支護(hù)樁的影響，并對溶洞各項參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析；陳子全等主要研究了千枚巖力學(xué)特性及對千枚巖隧道施工期位移安全控制基準(zhǔn)；雷勇等開展了穿越溶洞樁的受力特性研究；馬敬夫通過軟件模擬了單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法3種開挖方案，優(yōu)化了復(fù)雜條件下隧道施工方案。上述研究為有巖溶的隧道或深基坑的施工提供了較好的參考，但是由于溶洞分布和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，開展溶洞在不同位置、不同距離、不同扁平率的條件下，對大跨隧道開挖的敏感性影響研究具有較好的工程意義。鑒于此，該文以江西萍(鄉(xiāng))蓮(花)高速公路蓮花隧道某典型巖溶斷面為研究對象，模擬分析溶洞在不同條件下隧道開挖時圍巖拱頂和地表沉降變化規(guī)律，設(shè)計溶洞在不同位置、不同距離、不同扁平率水平條件的正交試驗?zāi)Ｐ?，探討三水平條件對大跨隧道開挖的敏感性影響程度，為類似巖溶隧道施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

蓮花隧道開始里程在萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)拓村東風(fēng)自然村四周，終止里程在蓮花縣六市鄉(xiāng)埡塢村源里自然村四周，隧道選址區(qū)屬低山地貌，山脊呈北北東至南北向，植被發(fā)育，地面高程為560～885 m，自然坡度為10°～40°，自然邊坡穩(wěn)定，隧道呈約60°斜穿山脈。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，隧道先后經(jīng)過4條區(qū)域性斷裂、6條小斷層或派生小斷層、2條巖性分界線，隧道選址區(qū)水文、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，該區(qū)段巖溶較發(fā)育。特殊性巖土主要包括可溶性白云質(zhì)灰?guī)r及全強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)、泥質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)頁巖；全強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)、泥質(zhì)、鈣質(zhì)、炭質(zhì)頁巖水理性質(zhì)差，具有一定的脹縮性，遇水易崩解，此類圍巖在水的作用下易產(chǎn)生變形，且以蠕變?yōu)橹?。該文針對巖溶較發(fā)育的隧道出口YK37+332～YK37+302里程段某典型斷面開展研究。圍巖為Ⅳ級，隧道凈空為10.25 m×5.0 m，隧道埋深52 m左右，隧道長3 220 m，屬于公路特長隧道，施工時采用臺階法鉆爆開挖方案。溶洞與隧道位置關(guān)系及其現(xiàn)場分布情況見圖1。

圖1 溶洞與隧道位置關(guān)系示意圖(單位:m)

2 有限元模型建立

2.1 模型建立

根據(jù)蓮花隧道出口斷面尺寸和交通設(shè)計要求，利用有限元軟件Midas-GTS建立隧道三維有限元模型。模型尺寸為長100 m，寬90 m，進(jìn)尺10 m。隧道圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)見表1，4層巖土體符合各向同性的Mohr-Coulomb模型，噴混和錨桿采用各向同性弾性模型。隧道與溶洞均建立在第4層——中風(fēng)化砂巖中，計算模型約束條件為自動邊界約束，上側(cè)為自由端。施加荷載為重力荷載。模型計算采用的材料參數(shù)為：噴混彈性模量為1.5×107kPa，泊松比為0.2，重度為24 kN/m3，錨桿彈性模量為2.1×108kPa，泊松比為0.3，重度為78.5 kN/m3。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 云圖結(jié)果

采用Midas-GTS軟件模擬計算Ⅳ級圍巖隧道在不同溶洞條件下隧道開挖圍巖拱頂和地表沉降，計算過程中獲得了大量位移云圖，分析時遴選典型有代表性的云圖見圖2。圖2中：溶洞形狀為橢圓，扁平率為a/b，其中長軸為a，短軸為b。

圖2 豎向位移云圖(單位：m)

3 敏感性分析

為了更直觀、有效地研究不同溶洞條件對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，結(jié)合豎向位移云圖，選取現(xiàn)場可實測且能代表隧道穩(wěn)定性的沉降點(diǎn)進(jìn)行正交試驗分析，如隧道地表沉降、拱頂沉降等。

3.1 方案步驟

為保證試驗變量單一，每次建模只改變?nèi)芏次恢?、溶洞離隧道邊界的距離、溶洞的扁平率中的一個。且為了模型計算準(zhǔn)確，隧道和溶洞均處于第4層——中風(fēng)化砂巖中。然后將建好的模型代入后進(jìn)行處理分析，最后依次提取拱頂和地表點(diǎn)沉降量，要求每個模型的拱頂和地表點(diǎn)均為同一斷面，每隔10 m取一次地表點(diǎn)。在所有數(shù)據(jù)提取完成后，通過正交表格的數(shù)據(jù)與計算，綜合比較多個因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，獲取影響最大的試驗組合。

3.2 正交試驗設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，試驗考慮3種影響因素：溶洞相對于隧道的位置、溶洞離隧道邊界的距離、溶洞的扁平率；設(shè)計的3個水平分別是：溶洞位置分別為45°、67.5°、90°，溶洞離隧道邊界距離分別為8、8.5和9 m，溶洞扁平率分別為1、1.5和3。在所選的正交表格中，把相應(yīng)的因素與水平條件輸入表格，便形成了試驗方案，根據(jù)上面9種模型的計算數(shù)據(jù)，取最大值，結(jié)果如表2所示。

表2 正交表格

3.3 正交試驗結(jié)果分析

不同溶洞條件對隧道開挖時的影響結(jié)果見表3。

表3 隧道圍巖拱頂沉降、地表沉降極差分析結(jié)果

從表3可以看出：

(1)溶洞位置的變化對隧道圍巖拱頂沉降結(jié)果的影響為L2>L1>L3，可知溶洞與隧道中軸線夾角67.5°為優(yōu)水平；溶洞離隧道邊界的距離對拱頂沉降結(jié)果的影響為L2>L1>L3,可知距離8.5 m為優(yōu)水平；溶洞的扁平率對拱頂沉降結(jié)果影響為L3>L2>L1，可知扁平率為3時為優(yōu)水平。

(2)由極差分析結(jié)果可知：對于拱頂沉降，試驗變量因素影響的先后順序為：溶洞位置A>扁平率C>溶洞距隧道邊界的距離B，即溶洞相對于隧道的位置對試驗結(jié)果影響最大，為主要因素。優(yōu)組合為A2B2C3。

(3)對于地表沉降，溶洞位置變化影響結(jié)果為L1>L2>L3，可知45°為優(yōu)水平；溶洞距隧道邊界距離變化影響結(jié)果為L2>L3>L1，可知8.5 m為優(yōu)水平；扁平率因素影響結(jié)果為：L3>L2>L1，可知：扁平率為3時為優(yōu)水平。

(4)極差分析結(jié)果顯示：對地表沉降試驗變形影響的先后順序為：溶洞位置A>溶洞距隧道邊界的距離B>扁平率C，溶洞位置是最主要的影響因素。優(yōu)組合為A1B2C3。

由此可以得出結(jié)論：該隧道開挖時，溶洞相對于隧道的分布位置，是影響隧道開挖穩(wěn)定性的最主要因素。

3.4 數(shù)值試驗驗證

由表3可知：① 對于拱頂沉降的優(yōu)組合為A2B2C3，即溶洞位于67.5°，離隧道邊界距離8.5 m，溶洞扁平率為3時，拱頂沉降達(dá)到最大值，表2中9種工況確屬該工況最大，最大值為35.89 mm；② 對于地表沉降的優(yōu)組合為A1B2C3，即當(dāng)溶洞位于45°，離隧道邊界距離8.5 m，溶洞扁平率為3時，地表沉降達(dá)到最大值，然而表2中為45°、9 m、3組合工況地表沉降最大為8.47 m，故要追加試驗驗證。經(jīng)過分析，設(shè)計A1B2C3組合，并將該組合工況代入模型計算，可得地表沉降最大值為9.29 mm，對比表2中地表沉降最大值8.47 mm，同比增長了9.7%(圖3)，故該組合符合工程實際要求。

圖3 A1B2C3組合擬合曲線對比圖

4 結(jié)論

建立Ⅳ級圍巖不同溶洞條件的隧道開挖模型，設(shè)計了溶洞在不同位置、不同距離和不同扁平率3種水平條件下的正交試驗，開展了不同溶洞條件對隧道開挖影響的敏感性分析，得出以下結(jié)論：

(1)在不同溶洞條件下開挖時，溶洞位置是影響隧道開挖穩(wěn)定的主要因素，其次是溶洞離隧道邊界的距離和溶洞的扁平率。

(2)在溶洞位置為同一水平條件下，溶洞與隧道中軸線夾角為67.5°時拱頂沉降達(dá)到最大值，在45°時地表沉降達(dá)到最大值。在溶洞離隧道邊界距離為同一水平條件下，溶洞在離隧道邊界8.5 m時拱頂沉降和地表沉降均達(dá)到最大值；在溶洞扁平率為同一水平條件下，溶洞在扁平率為3時拱頂沉降和地表沉降達(dá)到最大值。

(3)當(dāng)溶洞與隧道中軸線夾角為67.5°、距隧道邊界8.5 m、扁平率為3時，拱頂沉降量最大；當(dāng)溶洞與隧道中軸線夾角為45°，距隧道邊界8.5 m，扁平率為3時，地表沉降量最大。