某底部含有溶洞的小凈距隧道施工力學(xué)特性分析

何 競(jìng)

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

喀斯特是一種比較普遍的地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶地質(zhì)對(duì)隧道工程的影響是不可避免的。該文以某底部含有溶洞的小凈距隧道為例，分析處于中夾巖柱下部的溶洞對(duì)隧道施工掘進(jìn)的影響[1-2]。具體包括局部塑性區(qū)發(fā)展、圍巖位移變化、開(kāi)挖巖體斷面應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律等，旨在為類(lèi)似工程建設(shè)指供一定層面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

因受穿越山體地質(zhì)、地形情況的限制，某公路隧道工程項(xiàng)目，采用分離式隧道、小凈距結(jié)構(gòu)，其夾巖柱最小間距為15 m；圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，巖性為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，巖體完整性系數(shù)0.6[3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和地質(zhì)預(yù)報(bào)，在K167+475處，在距離隧道仰拱17 m的夾巖柱下，發(fā)現(xiàn)了一處高11.2~12.1 m、8~9.1 m寬、18.2~19.5 m縱深的干溶洞。隧道溶洞洞室段襯砌的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 溶洞段部分隧道洞身的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：m）

2 圍巖受力分析時(shí)計(jì)算參數(shù)的確定

通過(guò)ABAQUS有限元力學(xué)分析軟件對(duì)隧道進(jìn)行了掘進(jìn)與支撐結(jié)構(gòu)的模擬，根據(jù)新奧法的原理，把二次襯砌視為較安全的巖體，而忽略其支護(hù)效果，僅作為安全儲(chǔ)備層結(jié)構(gòu)，表1列出了計(jì)算中所采用的圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖體和支撐結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)數(shù)值模擬參數(shù)表

3 有限元分析模型的構(gòu)建

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況，分離式隧道左、右兩孔均采用單側(cè)導(dǎo)坑法工藝進(jìn)行掘進(jìn)，工藝順序見(jiàn)圖2。不考慮錨桿和臨時(shí)支撐方案，分析圍巖開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力的作用，得出了溶洞對(duì)圍巖安全的影響。

圖2 施工工序圖

4 模擬分析的計(jì)算結(jié)果

4.1 圍巖塑性區(qū)分析

隧道圍巖掘進(jìn)階段的應(yīng)力再分配是必然的，小凈距隧道施工工序多，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化比較復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而形成塑性區(qū)。同時(shí)，由于溶洞的存在，會(huì)進(jìn)一步影響隧道開(kāi)挖時(shí)的圍巖應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑性區(qū)之間的相互連通，從而形成危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況和參數(shù)設(shè)置，建立了相應(yīng)的有限元模型，得出了隧道圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律[4-5]：

（1）在先行洞第1步、第2步開(kāi)挖后，洞身巖土體塑性區(qū)、右側(cè)拱腰處塑性區(qū)呈增大趨勢(shì)，但塑性區(qū)的發(fā)育變化不太明顯，有一定的擴(kuò)展。在先行洞第3步開(kāi)挖后，在隧道的左拱腰處出現(xiàn)一個(gè)塑性區(qū)，該區(qū)域的寬度大約在3 m。

（2）在先行洞開(kāi)挖第4步后，左拱腰部位的塑性區(qū)向拱腳延伸，其寬度也增加到3.1 m，在施工過(guò)程中，應(yīng)注意隧道右側(cè)拱腳的保護(hù)。

（3）在后行洞第1、2步開(kāi)挖后，已產(chǎn)生的塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，其他范圍的塑性區(qū)無(wú)顯著改變。

（4）在后行洞第3步開(kāi)挖后，溶洞洞室的左上塑性區(qū)顯現(xiàn)，并與先行洞左側(cè)拱腳塑性區(qū)相連通，采取注漿、鎖腳錨固等措施進(jìn)行加固。

從上述結(jié)果可以看出，此隧道施工的先行洞對(duì)后行洞塑性區(qū)的發(fā)育沒(méi)有明顯的影響。但因溶洞的存在，造成先行洞開(kāi)挖第4步，后行洞開(kāi)挖第3步，形成連通的塑性區(qū)，對(duì)施工安全構(gòu)成威脅。

4.2 圍巖位移分析

選擇與隧道拱頂、仰拱同一高程的兩排特征點(diǎn)，并與沒(méi)有溶洞條件下的豎向變形做比較[6]。取中夾巖柱上其特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)為0，其豎向位移的分布如圖3和圖4所示。

圖3 拱頂特征點(diǎn)位移圖

圖4 仰拱底部特征點(diǎn)位移圖

（1）由圖3可知：1）由于溶洞的存在，拱頂?shù)淖冃物@著增加，有溶洞時(shí)，沉降為1.13 mm，無(wú)溶洞時(shí)其下沉量為1.02 mm；2）在有溶洞的情況下，中夾巖柱的沉降量為2.71 mm，不含無(wú)溶洞的情況下，沉降量為1.39 mm。結(jié)果表明，由于溶洞的出現(xiàn)，使隧道拱頂?shù)南鲁亮棵黠@增加。

（2）由圖4可知：1）溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大，存在溶洞時(shí)隆起量0.07 mm，無(wú)溶洞時(shí)其隆起量0.03 mm；2）中夾巖柱上的特征點(diǎn)在有溶洞的情況下有?1.39 mm隆起量，不存在溶洞的情況下只有0.15 mm。這表明，由于溶洞的存在，中夾巖柱的基底周?chē)膰鷰r隆起量比無(wú)溶洞隧道洞身巖土開(kāi)挖要大得多。

（3）選擇兩處隧道拱腰部位的4個(gè)特征點(diǎn)，分別對(duì)洞身周?chē)氖諗啃赃M(jìn)行了研究，圖5和6分別給出了洞周收斂和荷載作用下的分布。從圖5和6可以看出：1）溶洞的存在對(duì)左側(cè)洞身周?chē)鷰r體的收斂性有較大的影響，使左洞洞周的收斂性是負(fù)值；2）在右洞洞身開(kāi)挖時(shí)，溶洞對(duì)左側(cè)洞周的收斂性影響比右側(cè)大；3） 溶洞對(duì)先行洞周洞收斂性的影響要大于后行洞洞周收斂程度。

圖5 右洞洞周收斂位移變化

圖6 左洞洞周收斂位移變化

4.3 隧道掘進(jìn)圍巖應(yīng)力變化

經(jīng)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況、參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了有限元模型構(gòu)建計(jì)算，得出隧道掘進(jìn)施工階段最大主應(yīng)力值，具體包括拱頂、仰拱處、中夾巖柱位置的拱肩、拱腳共4個(gè)部位的最大主應(yīng)力變化曲線(xiàn)[7-8]（見(jiàn)圖7）。從圖7可以看出，在掘進(jìn)過(guò)程中，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開(kāi)挖面周?chē)?/p>

圖7 隧道周邊特征點(diǎn)主應(yīng)力變化分布云圖

（1）在后行洞施工期間，洞周?chē)睦瓚?yīng)力與先洞的發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，拱腰處圍巖最大主應(yīng)力也為壓應(yīng)力。

（2）在右洞開(kāi)挖施工期間，發(fā)現(xiàn)左側(cè)洞右側(cè)拱腳的最大主拉應(yīng)力為0.05 MPa。

由以上分析可知，由于隧道底部有溶洞，導(dǎo)致了溶洞附近的拱腳、遠(yuǎn)離溶洞拱肩處，兩處為最大應(yīng)力區(qū)[9-10]。

5 結(jié)論

綜上所述，該分離式小凈距隧道，因其中夾巖柱底部有溶洞，對(duì)隧道掘進(jìn)的洞身圍巖受力產(chǎn)生了不利影響，對(duì)掘進(jìn)階段圍巖塑性區(qū)發(fā)展、圍巖塑性區(qū)聯(lián)通、圍巖應(yīng)力變化等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策：

（1）在后行洞施工中，其塑性區(qū)受隧道先導(dǎo)洞的影響不明顯。在靠近溶洞的隧道拱腳處，由于溶洞的作用，如形成相互聯(lián)通的塑性區(qū)，施工階段要特別重視在拱腳處采用加固措施補(bǔ)強(qiáng)。

（2）隧道開(kāi)挖過(guò)程中，因溶洞的存在，會(huì)對(duì)拱頂和仰拱處的豎向位移產(chǎn)生很大的影響，溶洞先行洞收斂性大于后行洞洞周收斂。

（3）隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞周?chē)鷰r體的應(yīng)力影響較小，而溶洞附近隧道拱腳、拱肩處產(chǎn)生的主應(yīng)力區(qū)最大。

（4）對(duì)于分離式大跨小凈距、底部有溶洞的隧道，施工階段應(yīng)注意防止塑性區(qū)彼此貫通，以免發(fā)生危險(xiǎn)的滑動(dòng)。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱頂沉降量和仰拱隆起量的監(jiān)測(cè)，避免圍巖發(fā)生較大的變形。