側面溶洞對雙連拱隧道中隔墻的影響研究

徐友強

（四川公路橋梁建設集團有限公司機械化施工分公司， 四川 成都 610000）

0 引言

巖溶在我國分布范圍十分廣，占到我國國土面積的1 3，在巖溶區修建隧道一直以來都是工程界的一大難題，復雜多變的地質情況難以預測。近年來我國的交通建設量與日俱增，在巖溶地區修建公路、鐵路隧道工程將越來越多，特別是在西部、西南部山區，線路常常是穿越了巖溶地區，由于巖溶地區的特殊性、施工技術限制和目前我國對巖溶的研究的局限性，常常在巖溶隧道開挖過程中出現難以預測和抵抗的災害——突水、涌泥、坍塌等，給施工人員的生命財產和工程造成巨大的損失。

目前，我國的專家、學者針對巖溶雙連拱隧道的修建有一定的研究，王炎[1]以百靖高速公路 1號連拱隧道為依托，采用數值模擬的方法研究溶洞位置、規模以及方向對連拱隧道中隔墻的影響并提出了不同巖溶條件下中隔墻的限制長度。張建明[2]針對兩河口隧道連拱隧道結構特征和巖溶地質特征，對巖溶地區的雙連拱隧道進行了數值模擬分析。陳均甫[3]利用有限差分軟件分析了巖溶區雙連拱隧道在不同開挖錯距下的圍巖穩定性。馮軍武[4]分析了巖溶地區雙連拱隧道的特點，提出了三導洞緊跟開挖方法。林春嬌[5]等對巖溶地區公路雙連拱隧道超前地質預報進行了報道分析。張甘成等[6]報道了雙連拱隧道底部采用拱梁結構跨越溶洞的工程實例，并探討了計算模型的建立和計算荷載的確定方法。陳洪濤等[7]通過有限元的方法，研究了巖溶地區巖溶地區隱伏溶洞存在的連拱隧道區段開挖施工過程中，埋深對中隔墻和圍巖的應力、位移的影響。

雙連拱隧道與單洞的開挖存在較大的差異，主要體現在開挖跨度大，開挖需要按照規范錯距開挖，因此會引起由于施工方法帶來的偏壓效應，在巖溶地區周圍隱伏溶洞的存在同樣可能造成隧道結構受到偏壓的效果[8]，研究周圍隱伏溶洞存在時雙連拱隧道開挖的力學響應規律，對巖溶區雙連拱隧道修建的安全、穩定有著重大的意義。

1 工程概況

在建中的宜賓至敘永高速公路，是四川省“十二五”期間規劃建設的高速公路，項目全長約110公里。石人山隧道屬宜敘高速公路第14分部，為連拱隧道，隧道起點里程K64+635，終點里程K64+990，隧道全長355米。在施工過程中通過超前地質預報和地質雷達探測以及揭露了多處周圍隱伏溶洞，在右線 K64+700側面探測到距離隧道5m的非充填型溶洞，溶洞直徑約5m，呈梨形；在右線K64+812底部探測到距離隧道3m的非充填型溶洞，溶洞直徑約3m，呈球形；在右線K64+883側面探測到距離隧道10m的非充填型溶洞，溶洞直徑約9m，尺寸較大；隧道在開挖過程中也時常揭露溶蝕性管道、溶蝕性裂縫等巖溶分支，給隧道的施工帶來了一定的安全隱患。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

針對石人山雙連拱隧道實際情況，對實際工程簡化后建立模型，旨在探究雙連拱一側溶洞對隧道初期支護受力的影響規律。將巖溶空腔簡化為球形，換算到二維有限元模型中，空腔簡化成圓形。

圖1 模型示意圖

如圖1所示，該模型中溶洞為圓形，直徑為6m，距離隧道4米，隧道部分網格劃分較細，模型中的元素包括雙連拱中的圍巖（實體單元）、中隔墻（實體單元）、初期支護（殼單元）、二次襯砌（實體單元）。

2.2 參數的選取

在模型中，圍巖采用摩爾-庫倫理想彈塑性材料模型，開挖區采用空模型（null），初期支護為殼單元，二次襯砌為實體單元，均為彈性模型。計算所用材料的參數均采用試驗和現場實測的灰巖和白云巖層的巖體物理力學參數。

表1 模型材料相關參數

2.3 工況設置

為了研究雙連拱一側隱伏溶洞的大小、距離對雙連拱隧道初期支護的影響，總共設置9種不同的工況，由三種不同的距離（4m、9m、14m）和三種不同的溶洞大小（4m、6m、8m）組合而成。如表2所示：

表2 工況設計

2.4 開挖步驟及檢測點

由于石人山隧道的重要性，根據隧道巖溶段的工程地質條件和水文地質條件，結合施工單位的施工技術條件和機械設備狀況，巖溶段隧道開挖方法選用中導正洞三步開挖法。開挖時按設計預留變形量，施工中應根據圍巖監控量測結果及時調整。

3 模擬結果分析

中隔墻在雙連拱隧道中的核心支撐結構，很好的起到了減跨的效果，中墻的穩定性直接關系到雙連拱隧道的穩定性以及圍巖的承載體系調整過程，判識中隔墻穩定性的因素較多，在此主要選取中隔墻垂直方向的應力（szz）和水平方向的位移（xdisp）兩個因素，重點分析雙連拱在側面溶洞影響下表現出的偏壓效果。

3.1 對中隔墻受力的影響

對十種不同工況的計算結果進行提取、處理后，繪制成等值線云圖（szz），分析雙連拱側面溶洞對中隔墻垂直應力的影響。

圖2 工況0與工況1下的szz

如圖2所示，工況0是無溶洞存在的情況下中隔墻的垂直應力云圖，中隔墻頂部等值線分布左右對稱，垂直應力從4MPa增加至7MPa，未出現偏壓效應；到中隔墻中部，垂直應力出現明顯的左右不對稱，垂直應力從8MPa增加至10MPa，右側的受力大于左側。工況1中，中隔墻頂部從4 MPa等值線開始就出現左右不對稱分布，垂直應力從3MPa增加至11MPa，到中隔墻中部，垂直應力出現明顯的左右不對稱，右側的受力大于左側，同一水平面的垂直應力最大相差4MPa。

圖3 工況2與工況3下的szz

工況2（圖3）中，中隔墻頂部從4MPa等值線開始就出現左右不對稱分布，垂直應力從4MPa增加至11MPa，到中隔墻中部，垂直應力出現明顯的左右不對稱，右側的受力大于左側，同一水平面的垂直應力最大相差4MPa，在中隔墻底部從8 MPa的等值線開始出現不對稱分布。工況3中的垂直應力分布類似，只是在中隔墻底部從7 MPa的等值線開始出現不對稱分布。

采用同樣的分析方法對其余的6種工況進行分析，綜合得出：

（1）側面溶洞存在的情況下，中隔墻頂部和底部一定范圍內的垂直應力是左右對稱分布，在中隔墻中部則出現左右不對稱分布，中隔墻中部靠近溶洞側垂直應力最大，往左應力減小。

（2）同樣的條件下，增大溶洞的直徑或減小溶洞與隧道的距離會使得中隔墻中部近溶洞側的垂直應力增大。

3.2 對中隔墻變形的影響

對十種不同工況的計算結果進行提取、處理后，繪制成等值線云圖（xdisp），分析雙連拱側面溶洞對中隔墻變形的影響，考慮到對中隔墻安全影響評判指標較多，主要針對偏壓效應帶來的水平位移進行分析，因此分析中隔墻十種工況下的水平位移。

圖4 工況0與工況1下的xdisp

工況0（圖4）下，此時無溶洞影響，中隔墻水平位移量很小，最大的水平位移出現在頂、底部左右兩側，中隔墻右側向左側產生位移，左側反之。工況 1中溶洞的出現，使得中隔墻中部向遠離溶洞方向產生變形，最大約0.8mm。

圖5 工況2與工況3下的xdisp

隨著溶洞的遠離，這種影響逐漸減弱，綜合對比分析工況 1、2、3中中隔墻的變形可以發現（圖5），在側面溶洞的影響下，中隔墻中部會往遠離溶洞方向發生變形，直徑4m的溶洞距離隧道9m時，中隔墻中部水平位移為0.7mm，距離14m時為0.6mm。

采用同樣的分析方法對其余的6種工況進行分析，綜合后得出：

（1）側面溶洞對中隔墻變形的影響主要體現中隔墻中部的水平位移，從結構上講是中隔墻在中部承受了彎矩，導致中隔墻中部向遠離溶洞的方向產生了變形。

（2）同樣的條件下，增大溶洞的直徑會使得中隔墻中部變形量增大；而同樣條件下，溶洞從鄰近隧道到遠離的過程中，中隔墻中部的變形量會先增大在減小。

4 結語

隧道的偏壓主要由地質和施工引起，雙連拱隧道由于錯距開挖會造成偏壓，而側面溶洞的存在同樣會引起偏壓，影響到隧道結構的受力分布，應力的不均勻、不對稱分布可能造成結構在薄弱點因應力集中而發生破壞從而降低隧道的安全性。本文依托宜敘高速雙連拱隧道的建設，通過設計數值試驗，針對中隔墻在側面溶洞影響下的變形、受力進行了研究，得到以下結論和建議：

（1）側面溶洞存在的情況下，中隔墻中部靠近溶洞側垂直應力最大，往左應力減小。同樣的條件下，增大溶洞的直徑或減小溶洞與隧道的距離會使得中隔墻中部近溶洞側的垂直應力增大。

（2）側面溶洞會使得中隔墻中部一致向遠離溶洞的方向產生變形。同樣的條件下，增大溶洞的直徑會使得中隔墻中部變形量增大；而同樣條件下，溶洞從鄰近隧道到遠離的過程中，中隔墻中部的變形量會先增大在減小。

（3）建議在此類工程中，對中隔墻的配筋進行改進，偏壓使得中隔墻在中部承受一定的彎矩，應當提高中隔墻靠近溶洞側的配筋率，以增強該側結構的抗壓強度。