基于隱伏溶洞對(duì)大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性影響分析

許 壘

(鐵正檢測(cè)科技有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 引言

隨著我國西部大開發(fā)的不斷深入，西南地區(qū)大斷面隧道建設(shè)也越來越多。受到西南喀斯特地貌影響，隧道建設(shè)過程中遇到越來越多的巖溶發(fā)育病害，隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)愈來愈大，并由此引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也越來越多。

近年來在城市軌道建設(shè)中，特別是山區(qū)城市軌道建設(shè)中，會(huì)遇到較多的淺埋暗挖隧道，而對(duì)于淺埋隧道來說巖溶發(fā)育更具危險(xiǎn)性，因此，研究巖溶發(fā)育對(duì)隧道開挖及圍巖穩(wěn)定性的影響顯得尤為重要。目前國內(nèi)外對(duì)于巖溶發(fā)育機(jī)理及探測(cè)方法有較多的研究，劉記[1]基于滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)耦合原理，分析了巖溶地區(qū)隧道鄰近高水壓溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)隧道與溶洞最小防止突水距離的發(fā)展規(guī)律；許振浩、李術(shù)才等[2]通過雞公嶺隧道巖溶突水突泥的分析，建立了綜合權(quán)重及專家分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的動(dòng)態(tài)評(píng)估模型，并得到較好應(yīng)用；張慶松等[3]針對(duì)目前巖溶較難探測(cè)的現(xiàn)狀，通過綜合研究目前最先進(jìn)的探測(cè)手段，提出了宏觀超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及長(zhǎng)短期地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，并在很多項(xiàng)目得到應(yīng)用；李奎等[4]通過對(duì)巖溶宏觀和微觀方面的研究，分析了巖溶洞穴的發(fā)育規(guī)律，并由此探索巖溶洞穴對(duì)隧道施工工序的影響，這對(duì)于隧道建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

張倬元、蔣良文等[5]通過對(duì)圓梁山隧道特大型充填溶洞的研究，提出了倒虹吸循環(huán)對(duì)溶洞發(fā)育的影響規(guī)律，分析了長(zhǎng)期的溶蝕對(duì)巖溶發(fā)育的促進(jìn)作用；宋戰(zhàn)平等[6－7]通過頂部既有溶洞對(duì)圓形隧道穩(wěn)定性的影響分析，提出了頂部隱伏溶洞對(duì)于增加隧道圍巖拉應(yīng)力的變化規(guī)律，并提出了“先期位移”“開挖瞬時(shí)釋放位移”的概念。

但是，目前對(duì)于大斷面隧道周邊受到隱伏溶洞的影響研究還比較少，特別是分別對(duì)頂部、隧底、左右拱腰位置溶洞發(fā)育對(duì)在建大斷面隧道的影響的研究更為鮮見。

本文以攀大高速寶鼎隧道為研究對(duì)象，針對(duì)隧道頂部、隧底和左右拱腰隱伏溶洞對(duì)隧道開挖過程受力特征影響進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬建立隧道隱伏溶洞發(fā)育模型，并計(jì)算其變形特征，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析預(yù)測(cè)溶洞對(duì)在建隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

2 工程地質(zhì)概況

攀大高速是攀枝花至大理高速公路，全線橋隧占比80%以上，其中寶鼎1號(hào)隧道是攀大高速公路的控制性工程，具有埋深大、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)。

寶鼎1號(hào)隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式大斷面隧道，左洞樁號(hào)為ZK9＋383～Zk14＋467，全長(zhǎng)5 084 m，其中最大埋深處達(dá)600多米。隧址位于低中山－中山區(qū)構(gòu)造地貌，并且具有喀斯特地貌特征，巖溶較為發(fā)育，從已發(fā)現(xiàn)的溶洞看，較多發(fā)育為非填充型溶洞。

隧址高程在1 340～2 264 m之間，相對(duì)高差約924 m。微地貌主要受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，隧址區(qū)進(jìn)口段及洞身段為晉寧期石英閃長(zhǎng)巖，出口段300多米為三疊系上統(tǒng)大蕎地組砂礫巖夾泥巖和煤層，斜坡上沖溝發(fā)育，多呈“V”字型，皆為季節(jié)性流水，雨季受大氣降水補(bǔ)給，沖溝有水，旱季則無水。

3 數(shù)值模擬及分析

建立數(shù)值模型，通過數(shù)值分析來研究隱伏溶洞的存在對(duì)隧道開挖的影響，本文針對(duì)幾種常見隱伏溶洞的賦存方式分析其對(duì)隧道開挖影響程度[8－10]。

3.1 模型建立

建立Ⅴ級(jí)圍巖、250 m埋深條件下隧道數(shù)值模型，設(shè)定賦存于隧道拱頂、左右拱腰和隧底位置四種工況，對(duì)隧道開挖受力特征進(jìn)行分析，模型見圖1。

圖1 隱伏溶洞賦存形式

對(duì)隧道模型進(jìn)行以下假設(shè)[11－12]:

(1)隧道圍巖為均質(zhì)圍巖，開挖過程未受明顯重大地應(yīng)力影響。

(2)采用三臺(tái)階開挖方式。

(3)四種工況采用相同的建模參數(shù)(見表1)。

表1 __寶鼎隧道圍巖參數(shù)

(4)隱伏溶洞為均質(zhì)規(guī)則形式。

數(shù)值模型構(gòu)建完成后，針對(duì)四種工況計(jì)算分析隧道受力及變形特征。

3.2 拱頂隱伏溶洞力學(xué)特征

當(dāng)隱伏溶洞位于隧道拱頂位置時(shí)，對(duì)隧道進(jìn)行開挖，模擬隧道開挖過程中的受力特征。從隧道開挖過程病害發(fā)生情況來看，縱向發(fā)生病害的概率最大，因此本文針對(duì)四種工況重點(diǎn)分析隧道縱向受力特征。拱頂位置縱向位移和應(yīng)力見圖2。

圖2 拱頂位置縱向位移和應(yīng)力云圖

由圖2可以看出，當(dāng)隱伏溶洞賦存于拱頂位置時(shí)，隧道縱向位移累計(jì)變化最大為8.18 cm，而縱向應(yīng)力最大為17.12 MPa，拱頂位置賦存溶洞對(duì)隧道拱頂影響較大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，以保證能夠承受較大的豎向荷載。

3.3 拱腰隱伏溶洞力學(xué)特征

由于構(gòu)建模型時(shí)，左右拱腰與隧道中心線左右對(duì)稱，因此本文僅分析左拱腰位置賦存溶洞的情況。左拱腰位置縱向位移和應(yīng)力見圖3。

圖3 拱腰位置縱向位移和應(yīng)力云圖

由圖3可知，左拱腰賦存溶洞情況下，隧道縱向位移累計(jì)最大為5.2 cm，縱向應(yīng)力最大為17.18 MPa，左拱腰位置和拱頂應(yīng)力變化差別不大，而位移影響較大。

3.4 隧底隱伏溶洞力學(xué)特征

隧底對(duì)隧道開挖的影響主要來自隧底的應(yīng)力，仰拱支護(hù)力不足可能會(huì)造成仰拱上移，隧道運(yùn)營后出現(xiàn)軌道板上拱病害，因此要重視隧底部位的位移應(yīng)力特征。隧底位置縱向位移和應(yīng)力見圖4。

圖4 隧底位置縱向位移和應(yīng)力云圖

由圖4可知，當(dāng)隧底賦存溶洞時(shí)，隧道縱向位移累計(jì)最大為4.55 cm，縱向應(yīng)力最大為16.55 MPa?？梢钥闯?，應(yīng)力變化不大，位移減小。

4 監(jiān)控量測(cè)分析

根據(jù)超前預(yù)報(bào)及前期地質(zhì)勘探資料，寶鼎1號(hào)隧道有6個(gè)開挖斷面，選定含有四種工況的斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖5。

圖5 拱頂監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)寶鼎隧道圍巖級(jí)別及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮，采用“錨桿＋混凝土＋鋼拱架”的支護(hù)方式，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。隱伏溶洞位置隧道位移及應(yīng)力見圖6、圖 7。

圖6 隱伏溶洞位置隧道位移曲線

圖7 隱伏溶洞位置隧道應(yīng)力曲線

由圖6、圖7可知，隱伏溶洞位于拱頂、拱腰和隧底累計(jì)最大位移分別為7.89 cm、4.88 cm和4.30 cm，累計(jì)最大應(yīng)力分別為16.35 MPa、16.25 MPa和16.11 MPa。與數(shù)值模擬結(jié)果相比，位移相差范圍均在7%以內(nèi)，應(yīng)力相差范圍在5%以內(nèi)，相差較小，可以作為開挖支護(hù)的依據(jù)。

5 結(jié)論

文章基于攀大高速復(fù)雜地質(zhì)條件下的寶鼎大斷面隧道施工開挖情況，研究分析了隱伏溶洞不同位置對(duì)隧道開挖的影響，通過建立數(shù)值模型，分析了隧道拱頂、左右拱腰和隧底存在隱伏溶洞情況下的受力特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果相差較小，一方面可以證明選擇支護(hù)的正確性，另一方面可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線分析隧道是否存在隱伏溶洞的可能性，這為隧道開挖支護(hù)形式提供了數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于大斷面隧道施工具有重要的指導(dǎo)意義。