巖溶隧道開挖穩(wěn)定性的三維數(shù)值分析*

張軍， 劉洋洋， 李求常

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.長沙南方職業(yè)學(xué)院， 湖南 長沙 410208)

由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的局限性及對掌子面突泥涌水機(jī)理缺乏認(rèn)知，巖溶隧道施工中頻繁發(fā)生突泥涌水、塌方等現(xiàn)象，分析隧道開挖過程中不同大小、不同位置溶洞對開挖面應(yīng)力及位移的影響，進(jìn)而研究隧道突泥涌水機(jī)理很有必要。針對巖溶隧道開挖穩(wěn)定性，史世雍、李培楠、徐長金等運(yùn)用有限元軟件分析了隧道頂部溶洞分布對圍巖穩(wěn)定性的影響；蔣穎利用有限差分軟件分析了不同位置溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；吳夢軍、王高波、郭而東等通過分析溶洞發(fā)育程度和位置對圍巖施工力學(xué)行為的影響，總結(jié)了巖溶地區(qū)公路隧道圍巖位移場、塑性區(qū)的分布規(guī)律；趙明階等運(yùn)用相似模型試驗(yàn)和數(shù)值分析成果，分析了巖溶區(qū)公路隧道全斷面開挖中圍巖變形特性，提出了巖溶區(qū)域全斷面開挖隧道圍巖變形時(shí)空曲線的一般模式；宋戰(zhàn)平等運(yùn)用原位試驗(yàn)分析了不同位置、不同尺度隱伏溶洞對隧道圍巖空間位移變化的影響。前述研究一般以無填充的干溶洞為主，而實(shí)際中存在大量有填充物(或水)溶洞，隧道施工過程中溶洞被揭露，填充物(或水)從掌子面涌出形成突泥(或涌水)，對施工安全造成威脅。該文以永吉(永順—吉首)高速公路務(wù)西作隧道為工程背景，通過三維數(shù)值分析，研究溶洞位置、大小及間距對隧道開挖穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

務(wù)西作隧道屬于中長隧道，處于巖溶較發(fā)育區(qū)段，地下水主要為巖溶裂隙水，主要發(fā)生在灰?guī)r裂縫。隧道開挖過程中遇到各種不同位置、不同大小的溶洞。

2 隧道開挖數(shù)值模擬

結(jié)合工程實(shí)際情況，利用MIDAS/GTS有限元軟件模擬隧道開挖過程中掌子面前方頂部不同洞徑(1.1、3.3、5.5、8.25 m)、不同間距(1.1、3.3、5.5、8.25 m)溶洞對各開挖斷面圍巖應(yīng)力及位移的影響。

2.1 有限元幾何模型建立

計(jì)算模型選取務(wù)西作隧道YK9+807—815開挖斷面尺寸按隧道洞徑3倍向周圍延伸，水平方向取100 m，豎直方向取80 m，軸向取45 m(見圖1)。根據(jù)務(wù)西作隧道設(shè)計(jì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)確定各計(jì)算參數(shù)(見表1)。

圖1 隧道數(shù)值計(jì)算模型

表1 計(jì)算參數(shù)

隧道開挖采用上下臺(tái)階法或預(yù)留核心土臺(tái)階法，進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)近似模擬計(jì)算區(qū)域的連續(xù)變化。分成15步進(jìn)行開挖，每一步開挖進(jìn)尺3 m，然后進(jìn)行錨桿施工、噴射砼，如此循環(huán)進(jìn)行，直至掌子面達(dá)到溶洞中心處。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 拱頂沉降

溶洞大小一定時(shí)，拱頂沉降隨溶洞間距和水平距離的變化見圖2；溶洞間距一定時(shí)，拱頂沉降隨溶洞大小與水平距離的變化見圖3。

圖2 溶洞直徑D=1.1 m時(shí)各開挖斷面拱頂沉降隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖3 溶洞間距Dy=3.3 m時(shí)各開挖斷面拱頂沉降隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖2可知：溶洞直徑D=1.1 m時(shí)，開挖至開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂沉降隨著溶洞間距的增大而減小，沉降值相對較??；開挖至Dx=3 m處，Dy=3.3～5.5 m時(shí)，沉降值有所增加；Dx=0時(shí)，拱頂沉降隨溶洞間距增大呈減小趨勢，且沉降值較大。

由圖3可知：溶洞間距Dy=3.3 m時(shí)，開挖斷面Dx=9 m處，不同大小溶洞拱頂沉降值相差不大；開挖至Dx=6 m和Dx=3 m時(shí)，沉降差異逐漸明顯；Dx=0時(shí)，拱頂沉降隨著溶洞直徑的增加而增大。

2.2.2 拱腳水平位移

溶洞大小一定時(shí)，拱腳水平位移隨溶洞間距和水平距離的變化見圖4；溶洞間距一定時(shí)，拱腳水平位移隨溶洞大小和水平距離的變化見圖5。

圖4 溶洞直徑D=1.1 m時(shí)各開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖5 溶洞間距Dy =1.1 m時(shí)各開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖4可知：溶洞直徑D=1.1 m時(shí),開挖斷面Dx=9 m與Dx=6 m處，拱腳水平位移變化趨勢基本一致，隨溶洞間距變化不明顯；Dx=3 m處，Dy=1.1～3.3 m時(shí)，拱腳水平位移變化較大；Dx=0時(shí)，拱腳水平位移達(dá)到最大，且隨著溶洞間距的增大而減小。

由圖5可知：溶洞間距一定時(shí)，不同開挖斷面拱腳水平位移隨溶洞大小變化的趨勢基本一致，均為隨著溶洞直徑的增大而增加；Dx=9 m和Dx=6 m時(shí)，拱腳水平位移量值隨溶洞直徑的變化不大；Dx=0時(shí)，拱腳水平位移達(dá)到最大。

2.2.3 拱頂最大主應(yīng)力

溶洞大小一定時(shí)，拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞間距和水平距離的變化見圖6；溶洞間距一定時(shí)，拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞大小和水平距離的變化見圖7。

圖6 溶洞直徑D=1.1 m時(shí)各開挖斷面拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖7 溶洞間距Dy=1.1 m時(shí)各開挖斷面拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖6可知：溶洞大小一定時(shí)，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞間距的增大變化不明顯；Dy=5.5 m時(shí)，拱頂最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)Dx=0處，最小值位于Dx=9 m處，且最大主應(yīng)力出現(xiàn)在溶洞間距較小處。

由圖7可知：溶洞間距Dy=1.1 m時(shí)，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞直徑的增加而增大，變化趨勢較平緩；Dx=3 m，直徑為1.1 m時(shí)拱頂最大主應(yīng)力最小，拱頂最大主應(yīng)力最大值位于開挖斷面Dx=0處。

2.2.4 拱腳最小主應(yīng)力

溶洞大小一定時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞間距和水平距離的變化見圖8；溶洞間距一定時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞大小和水平距離的變化見圖9。

圖8 洞徑D=3.3 m時(shí)各開挖斷面拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞間距Dy和水平距離Dx的變化

圖9 溶洞間距Dy=1.1 m時(shí)各開挖斷面拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞直徑D和水平距離Dx的變化

由圖8可知：溶洞大小一定時(shí)，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱腳最小主應(yīng)力變化趨勢基本一致，隨著溶洞間距的增加而增大；Dy=8.25 m時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力值最大；Dx=3 m和Dx=0時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力值變化不大。

由圖9可知：溶洞間距Dy=1.1 m時(shí)，開挖斷面Dx=9 m和Dx=6 m處，拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞直徑的增大而減小；D=5.5 m時(shí)變化趨于平緩；Dx=0時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力值最小。

3 結(jié)論

運(yùn)用MIDAS/GTS 三維有限元軟件模擬巖溶隧道施工過程，得到不同位置、不同大小溶洞對各開挖斷面圍巖應(yīng)力及位移的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 溶洞大小一定時(shí)，開挖斷面距離溶洞越近，拱頂沉降越大；距離較遠(yuǎn)時(shí)，溶洞間距變化對拱頂沉降影響不大，開挖至溶洞正下方時(shí)沉降值較大。溶洞間距一定時(shí)，開挖斷面離溶洞越近，拱頂沉降越大；洞徑越大，沉降越大。

(2) 溶洞大小一定時(shí)，拱腳水平位移隨溶洞間距的增大而減小，溶洞間距較大時(shí)，變化趨于平緩；溶洞間距一定時(shí)，隨著溶洞尺寸的增加，拱腳水平位移呈增大趨勢，離溶洞越近增量越大，開挖至Dx=0時(shí)，拱腳水平位移達(dá)到最大。

(3) 溶洞大小一定，開挖斷面由遠(yuǎn)至近時(shí)，最大主應(yīng)力有一定幅度增大，開挖至溶洞正下方時(shí)應(yīng)力最大，最大值出現(xiàn)在溶洞間距較小的位置；溶洞間距一定時(shí)，最大主應(yīng)力整體上隨溶洞尺寸的增大而增大，Dx=0時(shí)最大主應(yīng)力最大，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

(4) 溶洞大小一定時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力隨溶洞間距的增大而增大，開挖斷面由遠(yuǎn)及近時(shí)，最小主應(yīng)力有一定幅度減小，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)這類溶洞隧道的拱腳支護(hù)；溶洞間距一定時(shí)，拱腳最小主應(yīng)力隨著溶洞直徑的增大而減小，開挖至溶洞正下方時(shí)最小主應(yīng)力最小。