安平隧道頂端溶洞對其圍巖穩定性的影響

鄧衍，劉輝，劉耀坤，劉昶

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南理工學院，湖南 岳陽 414006)

隨著經濟和施工技術的不斷發展和保護環境的需要，在中國公路建設中大量使用隧道的方式穿越高山。但是，由于中國疆域遼闊，在進行隧道施工過程中會遇到各種地質條件，巖溶地質便是其中之一。巖溶這種不良地質現象會給隧道開挖和運營安全帶來隱患。巖溶區隧道施工中常出現涌水、突泥、隧道周邊圍巖的變形、失穩和開挖中局部坍塌、掉塊及落石等現象[1]。因此，施工時需要確保圍巖的穩定性并對巖溶地區隧道加強監控量測，提前采取應對措施。趙明階[2]等人進行了隧道開挖模型試驗，研究了溶洞尺寸、間距及開挖工法對于隧道周圍巖穩定性的影響。陽軍生[3-4]等人利用極限分析上限法，對溶洞中地基極限承載力的影響進行了的研究，推導出公路隧道穿越特大溶洞時檢測應力與時間的關系。李術才[5]等人通過分析地層沉降云圖，對巖溶不良地質條件造成的隧道沉降進行了研究。趙明階[6-8]等人以實際工程為例，通過有限元軟件，將不同位置和不同洞徑的溶洞進行了分類，推導出隧道圍巖位移場和應力場的變化規律。宋戰平[9-10]等人探討了頂部溶洞洞徑對隧道圍巖穩定性的影響。曹茜[11]等人通過軟件計算，得出巖溶隧道與溶洞的安全距離范圍的影響因素，并給出了最小安全距離的預測公式。黃武[12]等人對隧道施工過程中圍巖及襯砌結構的變形和受力特性進行了模擬。殷穎[13-14]等人分析了溶洞隧道案例，得到了溶洞影響隧道穩定性的規律。作者以湖南省龍塘至瑯塘高速公路中的安平隧道為依托，利用Abaqus CAE 2016有限元分析軟件，擬研究不同尺寸的溶洞對隧道圍巖應力場、位移場的影響，分析頂部溶洞引起隧道周圍圍巖應力變化和位移變化的規律，以期為類似巖溶區隧道的設計與施工提供指導。

1 計算模型參數及模擬方案

采用 Drucker-Prager 屈服準則，選取 Abaqus CAE 2016軟件，根據安平隧道實際地質情況，建立土的本構模型。

1.1 幾何模型及位移邊界條件

該模型取自安平隧道的巖溶發育段 K15+355～K15+365，巖性為巖溶化灰巖。溶洞位于模型正上方。溶蝕特別發育，地下水十分豐富，加之地下水的水位較高，且受頁巖和砂巖等隔水層的阻斷，無法向周邊水庫泄洪，涌積于此段，形成承壓帶。隧道的半徑為 6.05 m，總高度為 7.2 m。圍巖襯砌為SⅣb類，厚度為25 mm。錨桿長度為3.5 m，直徑為 22 mm。錨桿支護的間距為 1.2×1.0 m，呈梅花型布置。

該模型的邊界條件為：處于x=0,100 m的YOZ面上的所有節點在x方向固定，即為滑動鉸支座；處于z=0,10 m的XOY平面上所有節點在z方向固定，亦為滑動鉸支座；處于y=-100 m的XOZ平面上所有節點為固定鉸支座；地表為無約束自由面。

隧道計算模型的網格劃分如圖 1 所示。

圖1 隧道計算模型的網格劃分Fig. 1 Meshing of tunnel computing model

1.2 材料參數

用實體單元模擬圍巖以及開挖的土體、隧道的初襯和二襯。隧道圍巖巖體及支護材料力學參數見表1。

表1 隧道圍巖巖體及支護材料力學參數Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock mass and support material of tunnel

1.3 模擬方案

采用Abaqus CAE 2016進行模擬，根據隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的變化來分析對隧道的影響。通過模擬整個隧道使用CD法開挖，計算各分析步驟中應力和位移的變化，得到不同洞徑的溶洞對隧道開挖的影響。

隧道開挖的內輪廓面為三心圓斷面形式。為便于分析工程頂部圓形隱伏溶洞對隧道的影響，按溶洞的大小，將溶洞位置固定于隧道正上方，到拱頂的距離為25.0 m，溶洞半徑分別為 0,1,2,3,6,9,12和15 m，所建模型分別為 M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7和M8。

隧道開挖如圖 2 所示。該模型的各模擬計算步驟為：首先對整個模型設置初始重力場，接著進行地應力平衡。通過多次對圖2中的1,3,5,7,9和11處分別進行5 m前進開挖。在每次開挖后，緊接著對2,4,6,8,10和12處分別進行初期支護并拆除其中隔壁，最終完成二次支護。該模型構建完成。

圖2 隧道開挖示意Fig. 2 Diagram of tunnel excavation

2 數值計算結果分析

采用 Abaqus CAE 2016，建立安平隧道的三維模型。通過數值模擬分析，得到在不同施工步驟下隧道開挖后圍巖的應力場和位移場。采用軟件計算后，溶洞半徑為2 m時的結果如圖3所示。

圖3 溶洞半徑為2 m時的隧道位移場計算結果Fig. 3 Calculation results of tunnel displacement field when the radius of karst cave is 2 m

2.1 拱頂沉降應力與巖溶洞徑的關系

不同溶洞洞徑對隧道拱頂應力影響的計算結果如圖4所示。

圖4 不同溶洞洞徑對隧道拱頂應力影響計算結果Fig. 4 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel vault stress

從圖4中可以看出，完成二次襯砌之前，無溶洞的應力的最大值明顯高于有溶洞的。隨著隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的增大，隧道圍巖頂部沉降應力減小。在開挖頂部土并完成二次襯砌之后，拱頂沉降應力驟降，無溶洞的應力的最小值小于有溶洞的。最后，應力慢慢穩定。

2.2 拱側收斂應力與巖溶洞徑的關系

不同溶洞洞徑對隧道拱側應力影響的計算結果如圖5所示。

圖5 不同溶洞洞徑對隧道拱側應力影響的計算結果Fig. 5 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel arch stress

從圖5中可以看出，隨著隧道的開挖，拱側的收斂應力快速增長。在頂部土開挖完成后，即第 6分析步驟后，應力穩定在一個固定值。隨著隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的增大，隧道圍巖拱側收斂應力減小。

2.3 拱頂沉降位移變化與巖溶洞徑的關系

不同溶洞洞徑對隧道拱頂位移影響的計算結果如圖6所示。

圖6 不同溶洞洞徑對隧道拱頂位移影響的計算結果Fig. 6 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel vault displacement

從圖6中可以看出，無溶洞的情況下，隨著隧道的開挖，拱頂沉降位移一直控制在5 mm之內。而有溶洞的情況下，隨著隧道的開挖，小洞徑溶洞使得隧道拱頂沉降的位移變大，大洞徑溶洞反而使得隧道拱頂沉降位移變小。隧道開挖所產生的效應促進了拱頂沉降位移的增加。

2.4 拱側收斂位移變化與巖溶洞徑的關系

不同溶洞洞徑對隧道拱側位移影響的計算結果如圖7所示。

圖7 不同溶洞洞徑對隧道拱側位移影響的計算結果Fig. 7 Calculation results of the displacement effect of different karst cave diameters on tunnel arch displacement

從圖7中可以看出，有溶洞的情況下，拱側收斂位移一直控制在5 mm之內。而無溶洞時，隨著隧道的開挖，拱側收斂位移增加，隧道開挖所產生的效應抑制了拱側收斂位移的增加。

3 結論

采用Abaqus CAE 2016，分析了CD法開挖隧道各階段中拱頂、拱側應力和位移的變化，得出的結論為：

1) 對比分析了無溶洞和有溶洞時隧道應力的分布模式以及破壞機理。無溶洞時，洞頂部的沉降發生在用CD法開挖上側土體之前。在開挖完成之后，頂部支護所受到的沉降應力顯著減小。同時，拱側受到圍巖收斂的應力在一直增加。在用CD法開挖巖溶隧道上側土時，應加強對頂部圍巖應力進行監控與量測。

2) 對比分析了無溶洞和有溶洞時隧道位移的變化機理。對于拱頂的沉降位移，隨著隧道進一步的開挖，無溶洞時，拱頂較為穩定；而有溶洞時，沉降位移快速增加。對于拱側的收斂位移，有溶洞時，拱側的收斂位移較為穩定；而無溶洞時，收斂位移變化較大。溶洞的存在使得圍巖的徑向位移有明顯的增大。表明：有溶洞的圍巖在開挖時會產生較大的變形，由溶洞引起的隧道圍巖變形發生在隧道的拱側，可以通過超前支護等手段有效控制溶洞引起的圍巖變形。

3) 隧道頂部溶洞洞徑的變化對拱頂下沉量和拱側收斂量產生了顯著的影響。同時，使用CD法開挖的隧道需要對中隔壁的應力、應變變化保持持續關注。小洞徑溶洞使得隧道拱頂沉降位移變大，大洞徑溶洞反而使得隧道拱頂沉降位移變小。有溶洞時，隧道開挖所產生的效應促進了拱頂沉降位移的增加卻抑制了拱側收斂位移的增加。