溶洞位置對隧道圍巖穩定性影響的有限元分析

王偉勝 堯 紅 石永利

0 引言

隨著我國西部大開發的進程加速以及交通運輸業的蓬勃發展，在西部山區修建鐵路公路隧道工程已經越來越多，這就不可避免的會遇到許多不同程度的地質問題，尤其是西南的喀斯特地貌的巖溶問題已經嚴重影響到隧道的施工和安全運營[1]。巖溶通常是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石，受含有二氧化碳的流動水溶蝕，攜出轉移有時并加以沉積等綜合地質作用而形成的地質現象的總稱。

為了準確評價平行于隧道走向的溶洞分布對圍巖穩定性的影響，筆者通過建立二維有限元模型對可能出現的具有不同位置溶洞的隧道開挖進行數值模擬，根據計算結果并結合實際工程經驗對應力分布及穩定性進行系統的分析。

1 工程概況

六珠嶺隧道地貌單元屬低山丘陵區，山頂海拔最高達208.5 m，山谷最低達 51.9 m，山坡自然坡度 20°～50°，局部較為陡峭，山坡植被發育、多為雜草。隧道除進口段255.97 m位于半徑為3500 m的曲線上，其余位于直線段上，全隧均位于坡度0.53%的下坡段上。隧道全長1236 m，隧道進、出口里程分別為:DK78+883，DK80+119，隧道分解里程分別為 DK78+873，DK80+129。隧道按旅客列車設計行車速度160 km/h，客貨共線單線隧道設計。

2 模型模擬方案及計算參數

本文計算采用廣義Mises準則即Drucker-Prager準則，利用ANSYS10.0軟件進行了數值模擬分析。

2.1 屈服準則

Drucker-Prager準則是以一個內切與莫爾庫侖準則的六棱錐面之圓錐面作為屈服面，彌補拐點給數學處理帶來的困難，能更好的反映巖土材料的屈服和破壞特性[2]:

實際工程的數值分析中，采用D-P屈服與破壞準則，可以根據工程的具體情況采用不同擬合條件下的α和k值。當α=0時，D-P準則就還原為Mises準則。

2.2 模型介紹

為了確保計算精度減少邊界效應的影響和更加的符合實際情況，根據以往的工程類比選取計算范圍，經驗公式表明，影響圍巖的變形范圍為洞室寬度的3倍～5倍[3]。這里，水平寬度和垂直高度均取隧道跨度的5倍，即長寬均為40 m的正方形區域。上邊界自由約束，下邊界垂直約束，兩邊采取水平約束。采用四邊形8節點的Plane42號等參單元，建立有限元模型。

為簡化模型，隧道圍巖簡化為一種巖體，研究溶洞距隧道距離固定的情況下，固定直徑不同位置的溶洞對圍巖穩定性的影響。文獻[3]中提到溶洞距離越近，直徑越大時，溶洞對圍巖穩定性影響最大。

本模型取溶洞直徑為5 m，距隧道邊緣2 m。

模型說明:隧道截面為城門型拱洞，水平跨度7.5 m，側邊高7.5 m，頂部半圓半徑為3.75 m，圍巖Ⅲ類巖石，溶洞分別位于隧道的頂部、底部，正側，以及左上右下45°處。

根據以上所述建立的典型分析模型如圖1所示(僅列出側上方45°時的情況)。

2.3 計算參數

數值分析采用的力學參數根據六珠嶺隧道地質勘察報告提出的物理力學參數，結合TB 10003-2005鐵路隧道設計規范[4]對參數進行修正，最終確定有限元計算的力學參數。

具體計算參數見表1。

圖1 有限元計算模型及網格劃分

表1 計算參數表

2.4 模擬過程

由于在研究區域內，巖體整體性良好，節理不發育且為Ⅲ類巖石，考慮采用全斷面一次性開挖，首先確定計算需要的各項力學參數(見表1)，其次確定施工階段內圍巖的有限元網格，再次在隧道截面范圍內設置參考點(見圖1)，然后根據實際工程情況通過施加圍巖壓力，最后通過后處理得出各種情況下的應力云圖，綜合分析得出對工程有參考意義的結論。

3 應力計算及結果分析

通過ANSYS10.0軟件的模擬計算，最終得到隧道圍巖在不同位置溶洞影響下的水平及垂直應力云圖。對計算結果分析比較后得出:

1)溶洞位于隧道頂部時水平應力與垂直應力均對稱分布無偏壓，但有應力集中現象。隧道墻腳處應力較大，應力集中系數為2倍～3倍;溶洞底部應力集中系數為7倍～8倍并且在與拱頂之間會出現較大拉應力，平面擴展范圍為－35°～35°。

2)溶洞位于隧道底部時水平應力與垂直應力也對稱分布，水平方向溶洞頂部與底部及隧道墻腳均出現較大拉應力，溶洞頂與墻腳應力集中系數為8倍～9倍，拉應力平面擴展范圍為－45°～45°;溶洞底應力集中系數為4倍～5倍，拉應力平面擴展范圍為－40°～40°。垂直方向在墻腳及溶洞兩側均有應力集中現象但影響較小。

3)溶洞位于隧道正側方向時，水平應力在溶洞上下有較大壓應力但較之垂直應力影響要小。垂直應力拱腳墻腳及溶洞兩側均出現較大拉應力，其中溶洞兩側應力集中現象比較明顯，應力集中系數為10倍～15倍，拉應力平面擴展范圍為－50°～60°。但沒有擴展到墻腰，說明在此模型基礎上側向間距2 m溶洞對隧道應力的影響已經明顯減弱。

4)溶洞位于隧道側上方45°時，應力開始不均勻分布，拱頂開始出現偏壓現象，溶洞與隧道拱腳之間的拉應力明顯增大，隧道與溶洞相鄰的薄弱部分加劇了應力集中。左側墻腳應力集中區域增大，應力集中系數為2倍～4倍，拉應力平面擴展范圍為－55°～65°。

5)溶洞位于隧道側下方45°時，水平應力及垂直應力不均勻分布，有偏壓現象。此時拱腳處水平應力主要為拉應力，與墻腰不同，拉應力向右側延伸。墻腳與溶洞連接部位拉應力較大。垂直應力主要表現為溶洞兩側應力集中嚴重，應力集中系數為4倍～5倍，拉應力平面擴展范圍為－35°～45°。此時連接部位極容易被拉壞，應加強拱腳處支護。必要時可以采取穿孔注漿對溶洞進行填充加固。

4 結語

在隧道開挖過程中，為了預測巖溶分布對圍巖穩定性的影響，本文嘗試了簡化溶洞截面，考慮各種溶洞位置的可能性，建立二維有限元模型對隧道進行了數值模擬，經過分析得出以下幾點結論:

1)在溶洞大小及與隧道距離固定的情況下，溶洞所處位置的不同對隧道的應力產生不同程度的影響。溶洞的存在將使隧道的水平位移超前釋放，并在局部位置產生較大的拉應力，對隧道的穩定產生不利影響。

2)當隧道與溶洞中心連線與最大主應力方向正交的時候，圍巖中應力集中現象嚴重。反之，應力集中程度降低。因此在相同條件下，側溶洞周邊的應力集中程度最高，底部溶洞次之，頂部溶洞最小。

3)由于重力場作用，高度越大圍巖應力越大，圍巖愈易破壞。因此在相同距離的前提下位于隧道頂部的溶洞比底部溶洞對圍巖應力影響小。溶洞距離隧道較近且應力集中程度較強時，為防止發生貫穿破壞，應提前采取加固措施，采用局部注漿或加長錨桿加強襯砌。

[1]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術的現狀及展望[J].交通世界，2003(S1):21-26.

[2]張學言，閆澍旺.巖土塑性力學基礎[M].天津:天津大學出版社，2004.

[3]樸春德，楊子榮，韓寶杰.有限元法在圍巖穩定性分析中應用[J].遼寧工程技術大學學報，2003，22(S1):23-24.

[4]TB 10003-2005，鐵路隧道設計規范[S].

[5]蘇 中.宜萬鐵路魯竹壩2號隧道巖溶水文地質分析[J].山西建筑，2010，36(18):297-298.