含巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析

劉云付

摘 要 隧道若存在巖溶，圍巖應(yīng)力分布將發(fā)生變化，因而隧道穩(wěn)定性需引起重視。弄坤隧道穿越喀斯特地貌，存在大量溶洞，且溶洞存在于拱頂、邊墻和仰拱等不同位置;采用數(shù)值模擬軟件對其應(yīng)力和應(yīng)變變化特征進(jìn)行歸納，并對不同工況下隧道塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行了對比。根據(jù)現(xiàn)場測試的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，并與工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證，為今后巖溶隧道的施工提供有益參考。

關(guān)鍵詞 巖溶;隧道;數(shù)值模擬;施工優(yōu)化

引言

隨著一帶一路等國家戰(zhàn)略提出，我國興建的隧道越來越多。由于工程地質(zhì)的復(fù)雜性，隧道修建過程中將難免碰到已有采空區(qū)或溶洞等，它們的存在將產(chǎn)生不利影響，因而其圍巖穩(wěn)定性需備受重視[1-2]。隧道開挖時，由于巖溶的存在，可能引發(fā)圍巖冒落、仰拱或地表下沉等不良現(xiàn)象[3]。都汶高速公路董家山隧道、貴昆鐵路巖腳寨隧道施工過程中等都因?yàn)榇┰綆r溶發(fā)生過安全事故，造成程度不一的損失[4]。

蘇峰等[5]依托實(shí)際工程隧道，采用理論分析與數(shù)值模擬等方法對含巖溶隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，基于MIDAS數(shù)值軟件對比分析了有無巖溶時隧道的圍巖穩(wěn)定性，為隧道施工提供了有利指導(dǎo)。許培等[6]在采用高密度電法對巖溶進(jìn)行測試后，通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件分析了玉渡山隧道穩(wěn)定性，并對采用注漿加固后穩(wěn)定性也進(jìn)行了評價(jià)。黃磊[7]針對巴岳山隧道穿越采空區(qū)現(xiàn)象，同樣采用了ANSYS軟件以及理論分析進(jìn)行了隧道圍巖穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)了不同工況下隧道巖溶段圍巖都會出現(xiàn)應(yīng)力集中。茍德明等[8]依托魚洞Ⅰ號隧道，采用MIDAS數(shù)值軟件對隧道加固注漿后處治效果進(jìn)行了分析，為穿越巖溶隧道加固提供了很好參考。可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者多采用數(shù)值模擬軟件對巖溶進(jìn)行分析[9-11]，主要原因是數(shù)值模擬軟件不需要耗費(fèi)物力和財(cái)力，非常經(jīng)濟(jì)。然而，MIDAS、ABAQUS和ANSYS等軟件都是基于有限元的，自然界巖土體多存在裂隙、破碎且變異性大，可見采用有限元軟件不太合理。

FLAC3D軟件是基于離散元原理，可深入研究巖土材料的離散特性。為研究依托工程弄坤隧道的圍巖穩(wěn)定性，本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬，分析了溶洞在隧道頂部、拱腰和底部不同分布位置時隧道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化規(guī)律。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對其拱頂沉降值與實(shí)際量測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1含溶洞隧道模型

弄坤隧道埋深60～120m，本模型取平均埋深為90m。隧道跨度為14m，按上下臺階開挖，隧道高度為11m。邊界條件分別取4倍橫縱向長度，巖溶假設(shè)為圓形，溶洞探測結(jié)果大致為3m，因而巖溶圓形直徑為3m。如圖1所示，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

在FLAC.3D軟件建模過程中，選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，而剛拱架等看作剛體，采用線彈性本構(gòu)模型。圍巖分為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級為主，本模型主要為Ⅳ級，圍巖參數(shù)泊松比取0.3，內(nèi)摩擦角為28°，黏聚力為0.6MPa，重度為22kN/m3， 彈性反力系數(shù)為300 MPa/m，變形模量為4GPa。隧道若施作二次襯砌后，.鋼拱架加噴射混凝土采用殼體單元，密度2400kg/m3，彈性模量15GPa，泊松比0.3。

2工程案例分析

2.1 工程概況

弄坤隧道地處廣西河池市巴馬瑤族自治縣，隧道地處低緯度地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，熱量豐富。隧區(qū)地處巖溶峰叢洼地地貌單元，峰叢山體高聳陡峻，最高峰海拔466m，洼地海拔301m，相對高差約165m，山體斜坡坡度較大，一般25°～40°。進(jìn)出口處于斜坡坡腳附近。隧道埋深相對高差約90m。

弄坤隧道長708m，。弄坤隧道為左右分離雙隧道，如圖2，雙向通行。隧道區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)（Q4del）殘積黏土，下伏三疊系下統(tǒng)羅樓組（T11）全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖、二疊系上統(tǒng)合山組（P2h）中風(fēng)化灰?guī)r及二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）中風(fēng)化灰?guī)r組成。隧道區(qū)位于法福向斜南翼，向斜長約25km。隧區(qū)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶及地下水發(fā)育。

2.2 穩(wěn)定性分析

按現(xiàn)場開挖反饋情況，溶洞存在的位置分別存在于左右拱腰、拱頂，考慮未來情況，可能也存在拱底，所以分別對拱頂、拱底額拱腰進(jìn)行了模擬，溶洞離隧道臨空面距離為7m。隧道開挖模擬均為上下臺階法開挖，示意圖見圖3。

2.3 圍巖穩(wěn)定性模擬結(jié)果及分析

隧道不同工況下開挖后最大主應(yīng)力云圖，如圖4所示。

對比分析圖4三個子圖可以發(fā)現(xiàn)，隧道周邊圍巖與溶洞中間夾巖主要以拉應(yīng)力為主，且靠近溶洞附近均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。可見不論溶洞存在于哪個位置，都對隧道存在潛在不利影響。當(dāng)拱腰存在溶洞時，由于其不對稱性，隧道相當(dāng)于偏壓隧道，對于應(yīng)力集中區(qū)需要著重加固。對于拱底溶洞，可采用物探手段找準(zhǔn)位置，進(jìn)行注漿加固，若溶洞較大，則建議開挖回填。

隧道不同工況下開挖后圍巖塑性區(qū)分布情況，如圖5所示。

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拱底和拱頂存在溶洞時，隧道圍巖塑性區(qū)均為出現(xiàn)貫通，也就是說在該夾巖距離情況下，起到了保護(hù)作用，溶洞和隧道圍巖變形沒有相互影響;但溶洞在拱腰時，溶洞和隧道圍巖的塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通，可見該種情況隧道受到不利影響。對于實(shí)際工程，應(yīng)當(dāng)對該夾巖厚度進(jìn)行探測，具體情況具體分析，就是該種工況，即圍巖強(qiáng)度，巖體力學(xué)參數(shù)類似時，隧道應(yīng)該進(jìn)行加固。

2.4 圍巖變形數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)監(jiān)控量測相關(guān)規(guī)范，如圖6所示布置了不同工況下隧道拱頂、拱腰和地表監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測結(jié)果繪制如圖7所示。

圖7為不同工況下隧道地表沉降不同值繪制的曲線。根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)：（i）溶洞位于拱腰時地表沉降比溶洞位于拱底和拱頂時較大，這和圍巖塑性區(qū)變形結(jié)果是相似的，變形大導(dǎo)致沉降相應(yīng)增大;（ii）監(jiān)測點(diǎn)B處下沉值最大，這是因?yàn)樗淼篱_挖應(yīng)力重分布導(dǎo)致，而拱底存在溶洞時，對應(yīng)的下沉也比較多，這是兩者應(yīng)力應(yīng)變疊加結(jié)果。