干溶洞對(duì)大壩隧道圍巖受力性狀的影響分析*

張軍，黃志鵬, 李晟

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.郴州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 郴州 423000)

巖溶地區(qū)隧道施工中易發(fā)生突水突泥、塌方等災(zāi)害，威脅隧道的安全施工和運(yùn)營。針對(duì)隧道施工中溶洞對(duì)隧道的影響，彭中凌等對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到了隧道施工中拱頂隱伏溶洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)位移的影響規(guī)律；譚代明等結(jié)合忠墊(忠縣—墊江)高速公路，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)側(cè)部含有溶洞的巖溶隧道進(jìn)行數(shù)值分析，得到了側(cè)部溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律；管鴻浩將有限差分軟件與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，分析了側(cè)部溶洞不同凈距和水壓對(duì)圍巖位移的影響；王薇等對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與Pasternak模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到了底部溶洞對(duì)隧道襯砌變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。鑒于溶洞影響因素復(fù)雜，目前的研究還不夠全面，該文以湖南龍永(龍山—永順)高速公路大壩隧道為工程背景，采用MIDAS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析干溶洞位置、間徑比、洞徑比對(duì)隧道圍巖受力性狀的影響。

1 工程概況

大壩隧道為雙洞單向交通隧道，左線樁號(hào)為ZK85+830—ZK88+080，右線樁號(hào)為K85+832—K88+095，兩端洞口段均屬于小凈距隧道。隧道區(qū)為構(gòu)造剝蝕作用形成的中低山地貌，水系一般發(fā)育，進(jìn)出口外側(cè)均有沖溝。隧道絕大部分在碳酸鹽類的灰?guī)r、白云巖中穿過，其上覆土層為黏土，厚度0～10 m。根據(jù)勘察結(jié)果，節(jié)理密集帶、斷層破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)存在16處溶洞，按充填特征分類，大部分溶洞屬于半充填型溶洞。

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

計(jì)算模型與實(shí)體工程的長度比尺為1∶1，模型邊界取最大開挖洞徑的3～4倍，模型長100 m、高80 m，隧道底部埋深50 m。模型頂部為自由面，底部為固定約束，左、右邊界約束其水平位移(見圖1)。分析在自重應(yīng)力影響下不同位置(頂部、拱肩、拱腰、拱腳、底部)溶洞、不同洞徑比和間徑比溶洞對(duì)隧道圍巖應(yīng)力和位移的影響，各方位準(zhǔn)確位置見圖2。為便于分析，定義洞徑比為溶洞直徑d與隧道跨度D之比，間徑比為溶洞與隧道的凈距L與隧道跨度D之比。

圖1 隧道數(shù)值計(jì)算模型

圖2 溶洞方位示意圖

采用MIDAS數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬，圍巖采用Drucker-Prager模型，錨桿采用植入式桁架單元。隧道施工步驟分為隧道開挖、錨桿施工及噴射混凝土。材料參數(shù)如下：圍巖的彈性模量為32 000 MPa，泊松比為0.3，重度為23 kN/m3，黏聚力為2 MPa，內(nèi)摩擦角為33°；噴射混凝土的彈性模量為25 000 MPa，泊松比為0.2，厚度為200 cm；錨桿的彈性模量為200 000 MPa，直徑為2.2 cm，長度為300 cm。

2.2 模擬工況

為便于分析，將d小于2D的溶洞斷面簡化為圓形斷面，洞徑比分別取0.2、0.4、0.7、1.0，間徑比分別取0.2、0.4、0.7、1.0，分析隧道頂部、拱肩、拱腰、拱腳、底部5個(gè)位置溶洞的洞徑比和間徑比對(duì)隧道圍巖受力性狀的影響。

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

為便于分析，采用位移比(有溶洞時(shí)位移與無溶洞時(shí)位移之比)來分析各位置溶洞對(duì)隧道位移的影響。

3.1 不同位置溶洞對(duì)隧道圍巖水平位移的影響

溶洞位置對(duì)左拱腰水平位移影響的數(shù)值分析結(jié)果見圖3。由圖3可知：各位置溶洞均會(huì)引起左側(cè)拱腰水平位移增加，位移值隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減??；間徑比小且洞徑比大的頂部溶洞引起的隧道左側(cè)水平位移最大，間徑比增大至0.4和1.0時(shí)，對(duì)隧道左側(cè)拱腰水平位移影響最大的溶洞位置為左側(cè)拱肩和底部，這是由于間徑比小的頂部溶洞對(duì)水平方向圍巖剛度削弱非常大，隨著間徑比的增大，這種削弱明顯減少，且漸漸小于水平溶洞。

圖3 溶洞位置對(duì)左拱腰水平位移的影響

溶洞位置對(duì)隧道右側(cè)拱腰水平位移影響的數(shù)值分析結(jié)果見圖4。由圖4可知：間徑比較小、洞徑比較大時(shí)，頂部溶洞對(duì)右側(cè)拱腰水平位移的影響最大，但隨著間徑比的增大，底部溶洞的影響逐漸大于頂部溶洞，左側(cè)拱腳處溶洞的影響最小。

圖4 溶洞位置對(duì)右拱腰水平位移的影響

對(duì)比圖3、圖4，頂部和底部溶洞對(duì)隧道左側(cè)拱腰和右側(cè)拱腰水平位移的影響規(guī)律相同，這是由隧道的結(jié)構(gòu)對(duì)稱特性決定的。

3.2 不同位置溶洞對(duì)隧道拱頂沉降的影響

各位置溶洞對(duì)隧道拱頂沉降影響的數(shù)值分析結(jié)果見圖5。由圖5可知：溶洞分布在隧道左側(cè)拱肩、左側(cè)水平位置且洞徑比小于0.4時(shí)，各位置溶洞引起的拱頂沉降均較小，但洞徑比增大至0.7時(shí)，拱頂豎向位移大幅增加；溶洞分布在隧道頂部、左側(cè)拱腳、底部位置時(shí)，拱頂沉降隨著洞徑比的增大而減小，這主要是由于水平位移增加引起的隧道拱效應(yīng)增強(qiáng)，從而使頂部沉降位移減少；隨著洞徑比的增大，溶洞的最不利位置從頂部逐漸向水平位置移動(dòng)，這是由于存在大洞徑比的溶洞相當(dāng)于增加了隧道跨度，導(dǎo)致位移大幅增加。

圖5 溶洞位置對(duì)拱頂沉降的影響

3.3 不同位置溶洞對(duì)隧道仰拱隆起位移的影響

溶洞位置對(duì)隧道仰拱隆起位移影響的數(shù)值分析結(jié)果見圖6。由圖6可知：隧道頂部、左側(cè)拱肩及左側(cè)水平溶洞均會(huì)引起隧道仰拱隆起位移增大，位移值隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減小，隧道水平位置有大洞徑比的溶洞時(shí)仰拱隆起位移增幅最大；隧道左側(cè)拱腳和底部溶洞均會(huì)引起隧道底部隆起位移減小，且隨著洞徑比的增大，位移進(jìn)一步減小，這是由于底部溶洞對(duì)隧道底部位移的釋放有抑制作用，這種抑制作用在一定范圍內(nèi)與洞徑比成正比。

圖6 溶洞位置對(duì)隧道仰拱隆起位移的影響

3.4 不同位置溶洞對(duì)隧道圍巖主應(yīng)力的影響

各位置溶洞對(duì)隧道圍巖最大主應(yīng)力影響的數(shù)值分析結(jié)果圖7。由圖7可知：最大主應(yīng)力隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減?。蛔髠?cè)拱腳位置存在溶洞會(huì)使隧道拱腳最大主應(yīng)力急劇增長，隨著洞徑比的增大，隧道與左側(cè)拱腳處溶洞有出現(xiàn)貫穿性塑性區(qū)的趨勢，但隨著溶洞位置逐漸遠(yuǎn)離拱腳，拱腳最大主應(yīng)力逐漸減小。

圖7 溶洞位置對(duì)隧道最大主應(yīng)力的影響

溶洞位置對(duì)隧道圍巖最小主應(yīng)力影響的數(shù)值分析結(jié)果圖8。由圖8可知：隧道最小主應(yīng)力隨著洞徑比和間徑比的增大而減?。欢磸奖刃∮?.4時(shí)，各位置溶洞對(duì)隧道最小主應(yīng)力的影響均較小；洞徑比增大至1.0時(shí)，左側(cè)拱肩、左側(cè)水平和左側(cè)拱腳處溶洞會(huì)使隧道底部最小主應(yīng)力大幅減小。

圖8 溶洞位置對(duì)隧道底部最小主應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

(1)間徑比對(duì)隧道水平位移的影響較大，表現(xiàn)為隨著間徑比的增大，溶洞最不利位置從頂部逐漸向水平和底部移動(dòng)，尤其是當(dāng)頂部存在間徑比很小且洞徑比大的溶洞時(shí)，隧道水平位移大幅增加。

(2)洞徑比對(duì)隧道拱頂沉降的影響較大，表現(xiàn)為隨著洞徑比的增大，溶洞的最不利位置從頂部逐漸向水平位置移動(dòng)，尤其是當(dāng)水平方位存在間徑比很小且洞徑比大的溶洞時(shí)，隧道豎向位移大幅增加。

(3)隧道最小主應(yīng)力主要集中于隧道底部和頂部，其隨著間徑比和洞徑比的增大而減?。蛔畲笾鲬?yīng)力主要集中于隧道拱腳處，其隨著間徑比的增大而減小，隨著洞徑比的增大，隧道與左側(cè)拱腳處溶洞有出現(xiàn)貫穿性塑性區(qū)的趨勢。施工中應(yīng)減小對(duì)拱腳巖體整體性的破壞，必要時(shí)適當(dāng)在拱腳處加強(qiáng)支護(hù)。