串珠狀溶洞對隧道穩定性影響分析

■蘇享戊

（福建省交通規劃設計院，福州 350000）

串珠狀溶洞對隧道穩定性影響分析

■蘇享戊

（福建省交通規劃設計院，福州 350000）

本文以串珠狀溶洞地質隧道為工程背景，通過MIDAS/GTS NX軟件計算影響隧道穩定性的相關參數、圍巖塑性區范圍、主應力大小、豎向位移和施工采取的襯砌結構主應力大小及其豎向位移等，得出溶洞的半徑和距隧道的距離對隧道圍巖的穩定性和隧道襯砌結構應力有一定的影響，即距離隧道較遠（大于6.5m），且半徑較小（小于1.5m）的溶洞對隧道圍巖穩定性影響很小；距離隧道較近或半徑較大的溶洞會顯著增加隧道襯砌結構主應力，應當采取必要的處理措施，保證隧道的穩定性。

溶洞 隧道 圍巖穩定性 有限元計算

0 引言

巖溶工程地質問題對工程的安全穩定性影響較大，隧道開挖時由于溶洞引起的塌方、突水、突泥對工程建設極具危害，而且溶洞在運營過程也具有危害性，很可能受到振動荷載后出現塌陷，從而影響隧道的運營。對圍巖穩定分析比較復雜和困難，目前主要分析方法有解析法、數值分析法、工程地質類比法、模型實驗法等。解析法對于受地表邊界和底面荷載影響的淺埋隧道圍巖分析在數學處理上存在一定的困難。工程地質類比法一般只能給定性的評價，模型實驗法由于儀器設備的限制，操作復雜。因此采用數值模擬分析溶洞對圍巖穩定性的影響的程度較為方便、高效。

本文以某市珠狀溶洞地質隧道為工程背景，探討這類溶洞對隧道穩定性的影響。

1 工程概況

某隧道為分離式雙向六車道隧道，凈空14.0×5.0m。左線樁號ZK143+920～ZK145+755，全長1835m；右線樁號YK143+900～YK145+725，全長1825m。隧道最大埋深約157.5m。隧址區構造復雜，褶皺、斷裂活動均較發育。場區上覆坡殘積粘性土、碎石（Qel-dl），下伏基巖為二疊系下統童子巖組（P1t）、棲霞組（P1q）粉砂巖和灰巖、泥盆系上統安砂群桃子坑組（D3tz）石英砂巖、粉砂巖、千枚狀砂巖及風化層。

鉆孔揭露強風化—微風化灰巖層中有溶洞發育，溶洞頂板埋深14.7～101.5m，底板埋深18.8～102.0m，溶洞厚度0.3～9.7m，CNS32揭露的串珠狀溶洞[1,2]埋深最淺約 14.7m，厚度約 4.1m，XS14揭露的溶洞埋深最深約101.5m，厚度約0.5m。已揭露的溶洞多為全填充—半填充，充填物質多為粘性土及碎石，碎石成分以灰巖、方解石為主。隧道位于當地侵蝕基準面之上，山坡坡體較陡，有利于地下水排泄。地表水總體較貧乏，洞頂多為中-強風化，未見其他規模較大、透水性較好的斷裂發育。

2 模擬分析參數及內容

2.1 分析依據和內容

根據《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）、《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）和地質勘查報告，計算分析溶洞的存在對隧道穩定性的影響。

2.2 圍巖及襯砌結構參數

根據上述資料，隧道圍巖力學參數如表1所示。

表1 圍巖計算物理力學參數表

根據設計文件，該隧道溶洞段落采用雙側壁導坑法施工，初期支護為30cm厚C25噴射混凝土配合工22b型鋼支撐（鋼支撐間距為0.5m），錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長4.0m，間距1m×1m，梅花型布置，二襯采用C30模筑鋼筋混凝土結構，厚60cm。支護參數及力學參數見表2和表3。

表2 復合支護參數表

表3 支護力學參數表

3 三維有限元模型的建立及計算

采用巖土隧道結構專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX（Geotechnical&Tunnel analysis System）進行計算[3]。采用地層-結構法，圍巖采用德魯克-普拉格模型，初支、臨支支撐、二襯采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。有限元計算模型的水平寬度取為104m，縱向長度取為100m，高度取至實現地面高，幾何模型的邊界尺寸可消除邊界效應對計算結果的影響。相應的邊界位移約束為：前、后、左、右邊界水平約束，下部邊界垂直約束，上部邊界自由；計算荷載考慮巖土體自重。在進行計算模擬時，圍巖的荷載釋放系數按照如下方式確定：圍巖開挖釋放50%，初期支護施做后釋放50%；施工步劃分嚴格按照設計圖紙，共分為166個施工步，地層劃分依據地質報告，并做相應的簡化。

根據地質鉆孔資料，選取三個對隧道最有影響的典型斷面[4]，分別為 ZK144+942、ZK145+200、ZK145+596，如圖1所示。限于篇幅，將重點介紹ZK145+596樁號橫斷面的計算過程，其余橫斷面計算過程類似。

3.1 ZK145+596斷面計算模型的建立

根據地質報告，該斷面計算模型共分為六個巖層，從上到下依次為坡積粉質粘土層、碎塊狀強風化粉砂巖層、中風化粉砂巖層、碎塊狀強風化粉砂巖層、中風化灰巖層及微風化灰巖層。溶洞中心位于隧道底板1.6m處，溶洞用半徑為R=2.7m的球型空洞來模擬，網格劃分如圖2所示。

圖1 隧道典型斷面圖

分別計算橫斷面的圍巖塑性區，圍巖第一、第三主應力大小，圍巖豎向位移等參數，同時計算支護后，襯砌結構第一、第三主應力大小及其豎向位移。為了更好地體現溶洞對隧道的影響[5]，選取ZK145+596樁號的附近ZK145+581樁號（此處無溶洞）斷面做對比計算。

3.2 ZK145+596斷面計算結果

（1）圍巖塑性區計算

從圖3兩處斷面塑性區范圍比較可知，溶洞的存在對圍巖穩定性影響很小。

（2）圍巖主應力計算

從圖4兩樁號橫斷面第一主應力（受拉）和第三主應力（受壓）等色圖對比可知，溶洞的存在一定程度上擴大了隧道受拉區的范圍，但對拱腳主壓應力影響不大。

由圖5兩樁號斷面底板沿縱向軸線處圍巖第一主應力、第三主應力變化圖可知，由于溶洞的存在，溶洞所在位置底板附近第一主應力（受壓）減少約53.3%，第三主應力（受壓）增加約65%，溶洞對圍巖應力的影響范圍約為2倍溶洞直徑。

（3）圍巖豎向位移計算

根據圖6和圖7可知，兩樁號斷面圍巖豎向位移差別較小，溶洞所在位置附近拱底上隆減少約5%。

（4）襯砌結構應力計算

由圖8可以看出，溶洞的存在使得第一主應力 （受拉）增加0.29MPa，約為非溶洞區域的22.3%；第三主應力（受壓）增加0.204MPa，與非溶洞區相比，增加約16.4%。

（5）襯砌結構底板上隆量計算

由圖9可知，溶洞的存在使拱底的上隆量減小，相較樁號ZK145+681斷面處，減少約3.0%。

3.3 ZK145+596斷面計算結果分析

根據上述計算結果，樁號145+596斷面處溶洞的存在對圍巖與襯砌結構的主要影響如下：

（1）圍巖塑性區幾無變化，因此溶洞的存在對圍巖的穩定性影響不大；

（2）溶洞的存在，擴大了圍巖受拉區的范圍，但對拱腳附近主壓應力影響不大；在溶洞所在位置，底板附近第一主應力（受壓）減少約53.3%，第三主應力（受壓）增加約65%；可認為溶洞對圍巖應力的影響范圍約為2倍溶洞直徑；

（3）對圍巖的豎向位移影響不大；溶洞所在樁號斷面處，拱底上隆減少約5%；

圖2 ZK145+596斷面計算模型

圖3 圍巖塑性區結果

圖4 圍巖主應力計算結果

圖5 底板縱向主應力計算結果對比

圖6 圍巖豎向位移計算結果

圖7 底板縱向豎向位移計算結果

（4）溶洞的存在使拱底的上隆量減小，溶洞所在樁號斷面的襯砌結構下沉量為5.0mm，相較樁號ZK145+681斷面處，減少3.0%左右；

（5） 溶洞使襯砌結構第一主應力 （受拉） 增加0.29MPa，約為非溶洞區的22.3%；第三主應力（受壓）增加0.204MPa，增加約16.4%。

3.4 不同樁號斷面計算結果分析

按照 ZK145+596斷面的計算過程，分別計算ZK144+942和ZK145+200斷面，三類典型斷面的計算結果如表4和表5所示[6-7]。

表4 溶洞對圍巖應力、位移影響計算結果

圖8 襯砌結構底板主應力計算結果

表5 溶洞對隧道襯砌結構應力、位移影響計算結果

圖9 襯砌結構底板上隆對比結果

4 結論

根據上述分析計算，可得到如下結論：

（1）樁號ZK144+942處的溶洞，半徑較小，距離隧道底板距離較遠，對隧道周邊圍巖的影響較小；但溶洞的存在使得襯砌結構底板第一主應力（受拉）減少，第三主應力（受壓）增加，但變化值較小，因此對溶洞可不做處理或采取適當措施。

（2）樁號ZK145+200和ZK145+596斷面處的溶洞，半徑較大，距離隧道結構較近，對隧道周邊圍巖及襯砌結構的影響均較大；對于靠近溶洞一側的圍巖，使其主拉應力減少，主壓應力增加，且變化幅度較大；同時溶洞使襯砌結構的應力產生較大的增幅，對襯砌結構造成隱患，進而影響隧道的穩定性。因此必須對該樁號處及附近斷面采取相應措施處理，如溶洞回填和注漿加固等，防止隧道失穩變形，保證隧道使用安全。

（3）根據計算結果，對于隧道圍巖中的串珠狀溶洞，參考典型斷面的處理措施，根據其斷面特征采取類似措施處理。

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