隧道開挖進入大型溶腔圍巖的變形規律研究

文/中交路橋建設有限公司 李海港 武艷勤 王軍威 陳爾良

以陸家寨巖溶隧道為依托，利用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，探究隧道開挖接近并進入前方大型溶洞的過程中，各個斷面圍巖的位移變化過程，結果表明：以大型溶腔周圍圍巖塑性區界面為界，在界面以外的斷面其總變形量緩慢增大，有較快的先期變形，受溶腔影響程度逐漸增大；處于界面處的斷面總變形量明顯增加，且具有較快的先期變形速率；處于界面內部的斷面后期變形減弱，總變形量較正常值小。

為更加深入探索隧道周圍空腔對隧道開挖、支護穩定所造成的影響，趙明階等運用了模型試驗、數值模擬等方法研究了隧道頂、側、底部不同尺寸大小的溶洞與隧道開挖的力學響應規律，但是這項研究是在考慮隧道周圍的隱伏溶腔對隧道穩定性的影響，對隧道開挖進入大型巖溶缺乏一定的認識，研究隧道開挖接近前方大型溶腔過程中圍巖的變形規律很有必要。

數值模擬設計

模型及相關參數

在FLAC3D中建立隧道穿越大型正方形洞室模型，如圖1、圖2所示。

圖1 模型圖

圖2 溶腔示意圖

隧道寬度為11.8m，高度為9.8m。溶腔為邊長20m的正方形洞室，位于模型中央，整體模型尺寸為邊長160m的正方體。在模型上表面施加垂直面力，使隧道埋深從80m增加到150m。

根據陸家寨巖溶隧道的地質勘查資料，確定該隧道開挖段圍巖屬IVb級圍巖，根據《公路隧道設計細則》中圍巖物理參數表，四級圍巖相關參數如表1所示。

開挖及監測

采取全斷面開挖的方式模擬開挖過程，對臨近溶腔的8個斷面洞周、掌子面的位移進行監測，各斷面不同位置監測節點號與溶腔的距離關系如表2所示。

數據分析

拱頂下沉位移分析

選取臨近溶腔14m范圍內的斷面拱頂沉降值進行分析，并繪制各個斷面的位移時空變形曲線，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，與正常開挖瞬時釋放位移值2mm相比，從距離溶腔14m的位置處斷面拱頂開挖瞬時釋放位移開始有明顯增大的趨勢，到距離溶腔8m位置處增大到最大值約2.3mm，而后開始回降直到隧道與溶腔連通，最后一次開挖，拱頂處隧道側的點瞬時沉降值為1.35mm，而靠溶腔一側的點沉降值為2mm。

由圖4可知，隧道開挖至距離溶腔6m的過程中，斷面拱頂下沉總值呈均勻增加趨勢，從6.3mm增加到6.9mm。最后三個斷面的拱頂位移總值不斷減小，總值分別為6.2mm、5.2mm、4.2mm。距離溶腔6m內的斷面拱頂下沉位移總量比正常值小，而6m以外的斷面位移總量均比正常值稍大。

表1 模型參數的相關取值

表2 不同位置處斷面的對應監測點號

圖3 臨近溶腔斷面拱頂下沉單次位移值

圖4 臨近溶腔斷面拱頂下沉累計值

拱腳處水平位移分析

根據圖5至圖6，將距離溶腔8m位置處看作變形空間曲線變化點，將側墻水平位移單次位移記錄圖分為8m外水平位移增加段和8m內水平位移減小段。增加段內各個斷面的同期位移的增加量與斷面和溶腔的距離成正比，直到開挖至距離溶腔8m位置處，其開挖瞬時水平釋放位移出現一個突增。8m范圍內的斷面水平瞬時釋放位移不斷減小。

水平總位移量受溶腔影響的斷面主要位于距離溶腔6m范圍以內，6m以外的斷面其水平位移總值與正常值（2.14mm）會有所增加，從距離溶腔6m位置開始，水平位移總量逐漸減小。最后一個斷面的側墻水平位移總量只有0.89mm。

圖5 臨近溶腔斷面拱腳水平單次位移值

圖6 臨近溶腔斷面拱腳水平位移累計值

掌子面擠出位移分析

將隧道開挖接近并突破溶腔的過程中掌子面關鍵點位移圖分為兩個階段。第一階段如圖7所示，掌子面的變形與正常曲線相比差別不大，主要區別為開挖瞬時擠出變形，第一階段范圍的斷面開挖引起下個斷面掌子面擠出變形量隨著溶腔的不斷接近呈現均勻增加的趨勢，到分界線處出現一個突增。正常斷面的開挖瞬時擠出位移為1.2mm，分界線處的擠出位移為2mm。第二階段如圖8所示，掌子面的變形開始向溶腔內部發展，進入分界線的第一個斷面掌子面的前期位移開始明顯指向溶腔，而開挖瞬時擠出變形也開始減小，到第二個斷面這種趨勢更加顯著。距離溶腔4m范圍內的斷面變形幾乎完全指向溶腔內部，最大瞬時變形位移值約為1mm。

圖7 向隧道擠出的斷面掌子面變形

圖8 向溶腔擠入的斷面掌子面變形

將臨近溶腔一側的、變形曲線有明顯變化的斷面的變形曲線繪制在一個圖中，形成如圖9的曲線：

圖9 隧道進入大型溶腔圍巖變形規律

可認為斷面內的變形主要受切向應力的控制，而切向應力從洞室出發，隨著洞室的遠離，表現出先增大再減小的變化規律，最大的應力是應力集中區域，處于彈塑性分界處。

結語

通過對隧道開挖接近并進入大型溶腔的過程設計數值模擬，將溶腔周圍應力場分為塑性區、彈塑性交界區、彈性區，隧道在這三個區域的開挖變形特性均有所不同，通過分析總結，結論如下。

隧道在彈性區開挖，隧道的開挖變形量隨著溶腔的接近有增大的趨勢，且拱頂下沉量、掌子面擠出變形量變形增大的速度大于拱腳的水平位移增速。在該階段，掌子面擠出位移將達到最大值。

隧道在彈塑性交界處開挖，隧道的變形量增加到最大，變形增大主要發生在拱頂、拱腰處，變形主要由先期變形和開挖瞬時變形，掌子面擠出變形開始減小。

隧道在塑性區開挖，圍巖的變形減小，主要原因是由于塑性區地應力較小，隧道的開挖引起的應力釋放較小。掌子面擠出變形繼續減小，最后向溶腔方向產生變形。