隧道上穿溶洞對管片襯砌結構穩定性影響分析

鐘愛軍，李 懋，王立新，周 琦

(1.衡陽市城市建設投資有限公司，湖南 衡陽 421000；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

在巖溶地質條件下掘進隧道，當溶腔與隧道相距較近時，隧道的開挖活動會打破溶腔原有的力學平衡，影響其穩定性。當溶洞緊鄰隧道結構或其結構強度較低時，巖層穩定性易受破壞，造成涌水突泥和坍塌等一系列安全事故[1-3]，影響到隧道施工的安全和效率。

預先在溶洞區對隧道結構的力學影響進行分析，分析軟弱巖溶區隧道掘進時可能出現的問題，盡可能有效避免巖溶地區隧道工程建設安全事故的發生[4-5]。巖溶隧道具有所處環境復雜、現場條件不便及內部結構不可見等特征，給研究工作的開展帶來了諸多困難。通過理論推導、室內試驗、數值計算及現場測試等多種手段，已有一些典型研究分析了巖溶地質對隧道結構穩定性產生的影響。陳成宗[6]等人調查分析了多例巖溶地區隧道災害事故，認為溶洞的存在在一定范圍內會引起隧道開挖后圍巖大變形，甚至坍塌。若未合理地對溶洞進行處理，當隧道支護好后，支護結構還有可能受到破壞。白永學[7]以成都地區地鐵穿越區地層為研究對象，重點研究了由于盾構施工導致的地層塌陷機理。彭川[8]針對白須公路隧道，運用ANSYS軟件，分析了溶洞在隧道不同位置時隧道圍巖的變形特征。蘇峰[9]等人運用MIDAS/GTS軟件，對空腔溶洞在不同位置、不同大小及不同距離等多種工況下的圍巖位移和襯砌管片受力情況進行了分析，得出“當溶洞處于隧道側方時，對隧道的穩定性影響最大”的結論。衣智明[10]根據相似原理，建立節理面和巖溶條件下的隧道結構相似模型，研究節理面和溶洞位置對隧道結構的安全性影響。實驗結果表明：溶洞位置成為影響隧道結構安全的首要因素。從已有的研究成果來看，巖溶地區中隧道結構的安全性極大程度地受到巖溶溶腔位置的影響，在分析巖溶隧道結構穩定性的過程中，確定一個合理的影響范圍[11-13]已成為結構安全分析的首要工作。作者擬根據合江套湘江盾構隧道的實際情況，利用FLAC3D軟件對掘進過程進行模擬，分析巖溶地質條件特性對隧道管片襯砌結構力學穩定性的影響，確定巖溶區域的影響范圍，以期為工程建設提供一定的理論指導。

1 工程概況

合江套湘江隧道位于湖南省衡陽市珠暉區，是衡陽市內第一條穿越湘江的隧道。現有勘察資料表明：隧道所在工程區下伏基巖內有脈狀或薄層狀膏硬石膏和鈣芒硝可溶性鹽層，受江水和地下水作用，在巖層內形成充填性溶腔。根據水上物探勘察結果，隧道工作范圍附近推測存在5處巖溶異常，巖溶分布在里程Kn4+150～Kn4+360范圍，巖溶發育深度集中在2個標高段范圍內，第一標高段為10～25 m，巖溶發育共4處；第二標高段為-10～5 m，巖溶發育1處。溶洞發育情況見表1和如圖1所示。

溶洞區的存在給施工帶來極大的困難。若盲目冒進施工，盾構掘進過程中將出現失壓、下沉及突水等情況，影響盾構施工安全，嚴重時會關系到盾構施工的成敗[17]。因此，分析巖溶區對施工過程中隧道結構穩定性的影響并提出合理的治理方案是保證隧道安全施工的關鍵。探討溶洞對隧道管片襯砌結構穩定性的影響規律，以期為巖溶區處理和隧道施工方案的設計提供理論依據。

表1 巖溶洞發育部位一覽表Table 1 Summary of developing sites of rock caverns

注：溶洞大小和標高為物探推測結果；括號內數據為鉆探揭露結果。

圖1 巖溶發育概況Fig.1 Overview of karst development

2 計算模型及計算參數的選取

為分析溶洞對隧道管片襯砌結構穩定性的影響，將溶洞簡化為圓形，用FLAC3D軟件，建立Mohr-coulomb模型。選取模型左下角為坐標原點，計算模型選取隧道橫向(X向)長度80 m，豎向(Z向)長度為60 m，縱向(Y向)長度為4 m。邊界條件為：固定下邊界垂直位移，固定左、右邊界水平位移，固定前、后邊界縱向位移。圍巖參數見表2。計算模型和網格劃分如圖2所示。

表2 圍巖參數Table 2 Parameters of surrounding rock

圖2 計算模型和網格劃分Fig.2 Computational model and mesh generation

3 管片襯砌結構穩定性影響分析

為直觀分析溶洞對隧道管片襯砌結構位移的變化規律，建立同參數和邊界條件下無溶洞的隧道模型，將其與隧道上穿溶洞時開挖過程中管片穩定性的變化進行對比。

3.1 無溶洞時隧道管片襯砌結構穩定性分析

3.1.1 管片襯砌結構周邊位移變化分析

當不存在溶洞時，開挖后隧道豎直方向(Z向)位移云圖和水平方向(X向)位移云圖分別如圖3,4所示。從圖3,4中可以看出，當不存在溶洞時，隧道開挖后會出現拱頂下沉、拱底隆起及拱腰向中間收斂的現象。在隧道中心斷面上取拱頂、拱腰及拱底中心點3個特征點進行分析。當隧道無溶洞時，開挖后隧道各特征點位移見表3。

圖3 豎直方向位移云圖Fig.3 Vertical displacement cloud

圖4 水平方向位移云圖Fig.4 Horizontal displacement cloud

3.1.2 管片襯砌結構周邊應力分析

當隧道無溶洞時，開挖后隧道管片襯砌結構應力分布云圖如圖5,6所示。

根據設計方案，合江套隧道襯砌結構采用C50混凝土。由《公路隧道設計規范(JTG D70-2004)》可知，C50混凝土設計的抗拉強度為1.89 MPa，抗壓強度為23.1 MPa。從圖5,6中可以看出，應力集中區域的最大值為8.05 MPa，存在于拱腰兩側應力集中區域的最大值為0.62 MPa，存在于拱頂和拱底及襯砌結構所受拉應力和壓應力均未超過臨界強度。

表3 無溶洞時特征點位移Table 3 Displacement of characteristic points in the no-karst cave

圖5 最大主應力Fig.5 The maximum principal stress

圖6 最小主應力Fig.6 The minimum principal stress

3.2 隧道上穿溶洞時管片襯砌結構穩定性分析

3.2.1 管片襯砌結構周邊位移變化分析

當隧道上穿溶洞時，開挖后隧道豎直方向(Z向)位移云圖和水平方向(X向)位移云圖分別如圖7,8所示。

圖7 豎直方向位移云圖Fig.7 Vertical displacement cloud

圖8 水平方向位移云圖Fig.8 Horizontal displacement cloud

從圖7,8中可以看出，隧道拱部下沉，隧道底部隆起且位移最大，拱腰向中間收斂。

當隧道下方有溶洞存在時，隧道下方溶洞直徑為2,4,6和8 m時，開挖后隧道特征點的豎向位移如圖9所示。

從圖9中可以看出，當隧道上穿溶洞時，對隧道管片襯砌結構位移的影響規律為：

圖9 開挖后特征點的豎向位移Fig.9 Vertical displacement of feature points after excavation

1) 隧道管片襯砌結構受溶洞影響，無論是底部特征點還是拱腰特征點或是拱頂特征點，都表現為豎向位移的變化最大，水平位移相比于豎向位移可以忽略。

2) 相比于無溶洞存在時，隧道上穿溶洞時，管片襯砌結構拱頂點的豎向位移有所減小，拱腰點的變化不大，而拱底點豎向位移的變化明顯增加。

3) 溶洞距隧道越遠，隧道拱頂和拱腰特征點位移的變化越大，即隧道掘進過程中引起的拱頂和拱腰管片襯砌結構位移的變化都與溶洞到隧道的距離呈現正相關關系；而隧道拱底特征點位移的變化則隨著溶洞到隧道距離的增加而減小，即隧道掘進過程中引起的拱底管片襯砌結構位移的變化與溶洞到隧道的距離呈現負相關關系。

4) 溶洞直徑越大，隧道拱頂和拱腰特征點位移的變化越小，即隧道掘進過程中引起的拱頂和拱腰管片襯砌結構位移的變化都與溶洞的大小呈現負相關關系，而隧道拱底特征點位移的變化則隨著洞徑的增加而增加，即隧道掘進過程中引起的拱底管片襯砌結構位移的變化與溶洞的大小呈現正相關關系。

5) 從計算結果來看，當溶洞到隧道的距離超過12 m時，溶洞對隧道開挖引起的管片襯砌位移變化的影響很小。

3.2.2 管片襯砌結構周邊應力分析

當隧道下方存在不同大小和到隧道不同距離的溶洞時，隧道管片襯砌結構最大主應力分別如圖10,11所示。

從圖10，11中可以看出，隧道管片襯砌結構最大主應力的特點為：

1) 在所有工況中，拉應力的最大值出現在隧道管片襯砌結構拱頂處。若溶洞到隧道的距離不變，拉應力的最大值隨著溶洞直徑的增加而減小，呈現負相關關系。

圖10 溶洞直徑為4 m時的最大主應力云圖Fig.10 Cloud diagram of the maximum principal stress when the diameter of the cave is 4 m

圖11 溶洞直徑為6 m時的最大主應力云圖Fig.11 Cloud diagram of the maximum principal stress with six-metre diameter of cavern

2) 在所有工況中，壓應力的最大值出現在隧道管片襯砌結構拱腰處。若溶洞到隧道的距離不變，壓應力的最大值隨著溶洞直徑的增加而減小，呈現負相關關系。

4 結論

1) 隧道上穿溶洞時，管片襯砌結構水平位移的變化相對于豎向位移的變化要小得多。拱頂和拱腰處豎向位移的變化均與溶洞到隧道的距離呈現正相關關系，與溶洞的大小呈現負相關關系；而拱底處位移的變化規律則與之相反。開挖過程中，拱頂處存在著最大拉應力，拱腰處存在著最大壓應力，與溶洞直徑呈現負相關關系，與溶洞到隧道的距離也呈現負相關關系。

2) 隧道襯砌應力受溶洞到隧道的距離和溶洞大小的影響。當其達到某個臨界值時，隧道掘進過程中將因巖層的擾動而導致坍塌或涌水突泥等安全事故的發生，故需要對隧道臨近溶洞采取加固充填等措施，以保證巖層的穩定性，使隧道能平穩、安全地掘進。

3) 根據數值分析結果，當溶洞到隧道的距離超過12 m時，溶洞對隧道的影響很小，因此，合理處治隧道12 m范圍內的溶洞，能有效保證隧道的安全施工和運營。

參考文獻(References)：

[1] 楊育僧.巖溶地層中的盾構隧道施工[J].鐵道工程學報,2007(7):56-60.(YANG Yu-seng.Construction of shield tunnel in karst region[J].Journal of Railway Engineering,2007(7):56-60.(in Chinese))

[2] 王木群.巖溶對隧道工程的影響及巖溶處治技術研究[D].長沙:中南大學,2011.(WANG Mu-qun.Study on the influence of karst on tunnel engineering and karst treatment technology[D].Changsha:Central South University,2011.(in Chinese))

[3] 屈若楓.武漢地鐵穿越區巖溶地面塌陷過程及其對隧道影響特征研究[D].武漢:中國地質大學,2017.(QU Ruo-feng.Study on karst ground collapse process and its influence on the tunnel in Wuhan metro crossing area[D].Wuhan:China University of Geosciences,2017.(in Chinese))

[4] Howell K M,Jenkins P D.Records of shrews(Insectivora,Soricidae) from Tanzania[J].African Journal of Ecology,1984,22(1):67-68.

[5] Craig W H.Collapse of cohesive overburden following removal of support[J].Canadian Geotechnical Journa1,1990,27(3):355-364.

[6] 陳成宗,何發亮.隧道工程地質與聲波探測技術[M].成都:西南交通大學出版社.2004.(CHEN Cheng-zong, HE Fa-liang.Tunnel engineering geology and acoustic prospecting technology[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,2004.(in Chinese))

[7] 白永學.富水砂卵石地層盾構施工誘發地層塌陷機理及對策研究[D].成都:西南交通大學,2012.(BAI Yong-xue.Study on the mechanism and countermeasures of the collapse formation induced by shield construction in water-rich sandy pebble stratum[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012.(in Chinese))

[8] 彭川.巖溶隧道圍巖與結構穩定性分析[D].長沙:長沙理工大學,2009.(PENG Chuan.Stability analysis of the surrounding rock and structure of karst tunnel[D].Changsha:Changsha University of Technology,2009.(in Chinese))

[9] 蘇峰,鄭文博.巖溶對地鐵隧道圍巖穩定性影響的數值模擬[J].人民長江,2013,44(3):25-29.(SU Feng,ZHENG Wen-bo.Numerical simulation of the influence of karst on the stability of surrounding rock of subway tunnel[J].People’s Yangtze River,2013,44(3):25-29.(in Chinese))

[10] 衣智明.巖溶區運營公路隧道襯砌受力特性模型試驗研究[D].湘潭:湘潭大學,2017.(YI Zhi-ming.Experimental study on stress characteristics of tunnel lining in karst region[D].Xiangtan:Xiangtan University,2017.(in Chinese))

[11] 賴永標.隱伏溶洞與隧道間安全距離及其智能預測模型研究[D].北京:北京交通大學,2012.(LAI Yong-biao.Study on the safe distance between concealed carst cave and the tunnel, and the intelligent prediction model[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2012.(in Chinese))

[12] 郭佳奇.巖溶隧道防突厚度及突水機制研究[D].北京:北京交通大學,2011.(GUO Jia-qi.Study on against-inrush thickness and waterburst mechanism of karst tunnel[D]Beijing:Beijing Jiaotong University,2011.(in Chinese))

[13] 陶志平,王海洋,楊濤,等.巖溶尺寸及位置對隧道基底加載沉降的影響研究[J].路基工程,2017(4):132-135.(TAO Zhi-ping,WANG Hai-yang,YANG Tao,et al.Research on the influence of karst cave size and position on the settlement of tunnel basement loading[J].Subgrade Engineering,2017(4):132-135.(in Chinese))