隧頂溶洞對圍巖穩定性影響分析

舒 進，侯軍紅，李 健

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東深圳518052；

隧頂溶洞對圍巖穩定性影響分析

舒 進1，侯軍紅1，李 健2

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東深圳518052；

2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北武漢430000)

針對某公路隧道巖溶地質發育情況，分析了影響隧道溶洞發育的主要因素，并基于有限元ANSYS分析軟件，采用D-P準則，對隧道進行二維數值模擬分析，研究了隧道頂部不同溶洞位置、不同溶洞規模對隧道周邊位移及應力的影響規律，研究結果表明：隧道地層巖性及地下水和地表水作用是影響隧道溶洞發育兩大主要因素；在相同溶洞規模影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，其在0.5D范圍內為影響明顯區域，隧道拱底及拱腳位移值變化不明顯；在相同溶洞位置影響下，隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移值及最大主應力值隨著溶洞規模增大而減?。粐鷰r最大位移值及最大主應力值出現在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

隧道； 斷層破碎帶； 圍巖穩定性； 位移； 應力； 數值模擬

巖溶地質在中國各地廣泛分布，越來越多隧道不可避免地穿越巖溶不良地質區域，在巖溶地質條件形成過程中，同時伴隨著侵蝕、沖蝕、崩塌、塌陷與滑動等地質現象的產生，并引發了一系列隧道施工過程中的災害問題：巖溶突泥、涌水、塌方、支護變形和地表塌陷等[1]。因此研究溶洞大小、溶洞位置對隧道圍巖穩定性影響，以期采取合理支護措施，對指導隧道巖溶地質段設計與施工具有重大的指導意義。

本文以穿越閩西北山區某公路隧道為工程背景，在分析其溶洞發育特殊性及地下水與地表水對其巖溶地質影響基礎上，運用有限元ANSYS軟件，研究了溶洞位置和規模對隧道周邊位移及隧道斷面主應力的影響規律。

1 工程概況

穿越閩西北山區某公路隧道場址屬構造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；本隧道區地表水主要分布于洞身的山間小溪，主要接受大氣降水的補給，受季節性影響變化較大。本隧道區地下水主要為基巖風化帶網狀孔隙裂隙水和基巖裂隙水，受構造發育情況控制，其富水性及導水性一般較弱且不均，洞身位于地下水以下，需考慮水壓力的影響，施工過程中進口段有可能遇見溶洞水。隧道洞身和洞頂局部為巖溶發育區，根據地質鉆孔揭示，溶洞大小約為0.5～1.5m，對隧道圍巖及路基穩定影響較大[2]。

2 隧道溶洞發育影響因素分析

2.1 隧道地層巖性對溶洞發育影響分析

根據鉆探、地質調繪、物探及區域地質資料，隧道場區內表層為第四系坡積層，其下基巖很復雜，由于受區域構造影響，隧道區的地層因褶皺倒轉，隧道地層分析為：石炭系林地組、泥盆系桃子坑組、泥盆系瓦崠組、奧陶系魏坊群地層。由于受沉積環境影響，各巖性變化規律性不強，并相互夾帶。主要巖性有：進口段林地組石英砂巖、泥巖夾千枚巖下伏船山組灰巖、洞身段為泥盆系桃子坑組及天瓦崠組石英砂巖、石英砂礫巖、砂巖及粉狀砂巖；出口段地層為奧陶系魏坊群變質砂巖、千枚狀粉砂巖、泥巖，局部夾硅質條帶，地層巖性軟硬相間[2]。

根據資料顯示，隧道為發育石炭系船山組灰巖，具有可溶性巖層存在，巖溶蝕作用較為強烈，洞身和洞頂局部為巖溶發育區，溶洞大小不一，對隧道圍巖穩定性影響較大。本場區內有影響的構造又主要為燕山早期亞構造回旋，區內發育褶皺及斷層較多，造成產生壓扭性和逆沖壓性擠壓斷層帶，當擠壓斷層帶的下盤受壓，雖破碎但擠壓緊密，不容易發生透水，而逆壓沖斷層上升盤由于牽引作用，裂隙發育多成為導水和富水通道，故本隧道巖溶極為發育。

2.2 地下水和地表水作用對隧道巖溶地質影響分析

本隧道地下水發育主要類型為：基巖全～強風化孔隙裂隙潛水和基巖構造裂隙水。前者富存于第四系殘坡積層底部及基巖強風化帶，后者富存于基巖的節理裂隙中。

(1)基巖全～強風化孔隙裂隙潛水：主要富存于基巖風化層的節理裂隙中，松散的中粗粒結構的巖石風化巖層厚度大、透水性好，裂隙較發育，富水性相對較好。主要接受大氣降水補給，水量受降雨影響大，山坡、山腳及盆地內為徑流區，多沿斷裂帶及深切溝谷排泄。

(2)基巖構造裂隙水：主要分布于構造裂隙和風化裂隙中，局部具微承壓性。含水性不均勻，在破碎帶及地層不整合接觸帶，水量相對富集。接受大氣降水補給，在山脊、山坡補給后由地表滲入地下，沿風化裂隙、構造裂隙順山坡方向由高處向低處徑流。

地下水受大氣降水，地表水徑流補給，流量隨季節性變化較大，每年雨季4～6月份隧道場區內巖溶水量豐富，埋藏淺，隧道施工易發生涌噴現象[3]。

3 隧道頂部溶洞對圍巖穩定性影響數值模擬分析

根據本隧道前期地勘資料表明：隧道進口段為厚層的較松散的破殘積層所覆蓋，見滾石，開挖易產生冒頂、坍塌；隧道出口段基巖受構造影響，揉韌強烈，片理化發育，極破碎。大部分隧道圍巖級別為V級。隧道洞頂局部為巖溶發育區，根據地質鉆孔揭示，溶洞大小約為0.5～1.5 m，對隧道圍巖穩定影響較大，為了有效分析隧道頂部溶洞對隧道施工的影響，采用ANSYS有限元軟件進行二維隧道數值施工模擬分析。

3.1 本構模型選取

土體在外力作用下，不僅產生彈性變形，而且還會產生不可恢復的塑性變形[4]。土的彈塑性本構模型能較好地反映土體應力路徑、土的硬化和軟化特性。本文采用有限元ANSYS模擬計算中，采用D-P模型，D-P模型是理想彈塑性模型。

其屈服準則為[5]：

式中：c為凝聚力；φ為摩擦角。

3.2 計算模型與計算參數

計算模型寬100 m，高120 m，隧道埋深90 m，左右邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎直位移約束，隧道計算參數見下表1所示。隧道采用環形開挖預留核心土法(弧形導坑兩臺階四步法)開挖方案，其復合支護構造形式為：

(1)初期支護:φ25中空注漿錨桿L=350 cm,間距為100 cm×100 cm梅花型布置。

C25噴射混凝土厚24 cm+φ6鋼筋網+Ⅰ18工字鋼支撐@70 cm。

(2)二次襯砌：C25防水鋼筋混凝土厚45 cm。

表1 計算參數表

3.3 計算工況模擬

為分析溶洞規模及位置對隧道圍巖穩定性影響，本文選取了如下16種工況(表2)進行二維平面計算分析，計算中應力釋放率為100 %[6-7]，溶洞斷面簡化為圓形，D=10 m，選取隧道拱頂、拱底、拱腳作為關鍵點研究。

表2 計算分析工況

3.4 計算結果分析

3.4.1 施工位移分析

分析結果見表3、圖1～圖3。

表3 隧頂不同溶洞位置及規模圍巖位移值 mm

圖1 隧道拱頂沉降隨溶洞距離變化

圖2 隧道拱腳水平位移隨溶洞距離變化

圖3 隧道拱底隆起隨溶洞距離變化

由圖1～3可以得到，在V級圍巖條件下：

(1)在相同規模溶洞影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，其在0.5D范圍內為影響明顯區域，隧道拱底隆起位移值及拱腳水平位移值變化不明顯；

(2)在同一位置溶洞影響下，石林隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移值隨著溶洞直徑的增大而減小；

(3)圍巖最大位移值出現在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

3.4.2 支護結構應力分析

應力分析結果見表4、圖4～圖9。

圖4 拱頂距離0.25D最大主應力

圖5 拱頂距離0.5D最大主應力

MPa

圖6 拱頂距離0.75D最大主應力

圖7 拱頂距離1.0D最大主應力

圖8 隧道拱頂最大主應力隨溶洞距離變化

圖9 隧道拱底最大主應力隨溶洞距離變化

由圖4～圖9可以得到，在V級圍巖條件下：

(1)在相同規模溶洞影響下，隧道拱頂最大主應力隨著溶洞距離隧道頂板的距離增大而增大，其在0.5D范圍內為影響明顯區域，拱底最大主應力則變化不明顯。

(2)在同一位置溶洞影響下，隧道拱頂及拱底最大主應力隨著溶洞規模增大而減小。

(3)最大主應力出現在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

4 結論

通過對某公路隧道巖溶地質發育情況影響因素分析及使用有限元ANSYS分析軟件對隧道進行位移及應力二維計算，根據計算及分析結果，可得以下結論。

(1)隧道地層巖性及地下水和地表水作用是影響隧道溶洞發育兩大主要因素；

(2)在相同溶洞規模影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，但最大主應力隨著溶洞距離隧道頂板的距離增大而增大，其在0.5D范圍內為明顯影響區域。隧道拱底隆起及拱腳水平位移值與其最大主應力值則變化不明顯；在相同溶洞位置影響下，隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移及最大主應力值隨著溶洞規模增大而減小。

(3)隧道最大主應力及圍巖最大位移值出現在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

[1] 王建宇. 隧道工程監測和信息化設計原理[M]. 中國鐵道出版社， 1990.

[2] 福建交通規劃設計院. 永安至寧化(閩贛界)高速公路A2合同段地質勘察報告[R]. 福州:福建交通規劃設計院, 2008.

[3] 王鷹,陳強,魏有儀. 巖溶發育區深埋隧道水巖相互作用機理[M]. 北京:中國鐵道出版社,2004.

[4] 高謙,喬蘭,吳順用,等. 地下工程系統分析與設計[M]. 北京:中國建材工業出版社,2005.

[5] 譚建國. 使用ANSYS6.0進行有限元分析[M]. 北京:北京大學出版社, 2002.

[6] 靳曉光，管洪良. 頂部溶洞對隧道圍巖穩定性影響的數值分析[J]. 西部交通科技,2011(2).

[7] 宋戰平. 隱伏溶洞對隧道圍巖一支護結構穩定性的影響研究[D]. 西安:西安理工大學,2006.

舒進(1987～)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事地下結構、巖土工程等設計工作;侯軍紅(1970～),男，隧道專業總工;李健(1982～),男，工程師。

TU470+.3;U451+.2

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[定稿日期]2015-02-12