近接巖溶空腔對臺階法施工公路隧道圍巖穩定性影響研究

黃 鵬，王麗君

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

近年來，隨著我國中西部交通網絡的不斷完善，隧道建設向著更加復雜的地質條件區域發展，特別是在西南巖溶地貌區，近接溶腔對工程建設(尤其是隧道、地下洞室的施工)帶來十分嚴重的影響[1-2]。溶洞多發生于石灰巖、白云巖等地層中，在地下水長期侵蝕作用下形成一定的地下空間[3-4]。當隧道毗鄰溶洞發育區時，圍巖整體性、完整性變差，使得隧道整體或部分懸空，極大改變了開挖洞口附近的應力分布。此外，隧道區地下水的流動不僅會持續侵蝕周邊巖體，影響隧道壽命，嚴重時可引起洞穴內松散堆積物坍塌下沉，形成頂部地面巖溶塌陷，嚴重威脅著隧道支護結構體系的安全性[5-6]。

當隧道穿越巖溶發育區時，結構受力相對復雜，洞室變形難以控制。溶洞大小與位置、距離隧道的遠近等因素與隧道施工開挖及支護安全性有著重要關系。趙明階等[7-8]通過數值模擬及試驗研究得出側面溶洞會使隧道受到嚴重偏壓影響，并且針對全斷面開挖條件下的圍巖穩定性進行了分析。達勇等[9]在有溶洞的情況下對單側壁導坑法施工的隧道圍巖應力、位移等進行了模擬分析，研究得出溶洞對隧道拱頂下沉影響顯著。吳夢軍等[10]通過室內試驗研究了溶洞發育位置對圍巖施工力學的影響，并輔以數值模擬總結了圍巖塑性區和位移變化特征。綜上所述，目前國內外專家學者對于巖溶隧道的溶洞處理、施工方法等積累了一定的經驗，但是針對近接巖溶空腔對臺階法隧道開挖影響因素的研究卻相對較少。因此，本文以某公路巖溶隧道為工程依托，深入研究了巖溶空腔位置對臨近隧道開挖圍巖穩定性的影響，揭示了洞周圍巖應力分布及變形特性，研究成果可為巖溶區隧道的工程建設提供理論支撐和參考。

1 工程概況

在建公路隧道位于貴州省境內，隧道全長628 m，最大埋深70 m。巖溶地層主要為強風化白云巖、灰巖，巖層呈中～厚層狀，灰白色。節理裂隙十分發育，多張性節理，巖體多為完整～較破碎。隧道總體富水程度較低，裂隙連通性大，少見集中徑流，常有裂隙水流，沿裂隙、層面溶蝕擴大為巖溶化裂隙或小型洞穴。周邊未發現較大斷裂且未臨近地質構造活動頻繁區域。隧道圍巖多以Ⅳ和Ⅴ級為主，隧道開挖寬度11.872 m，高度約8.7 m，隧道設計為雙向四車道公路，其斷面示意見圖1。隧道洞身結構按新奧法施工原理進行設計，即以系統錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼架等組成的初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌型式，其中隧道Ⅳ級圍巖段采用兩臺階法施工，基巖段采用超前小導管進行超前支護，預留變形量為8 cm，開挖后及時完成噴錨支護和鋼支撐組成的初期支護系統，并在施工監測圍巖變形基本穩定后，及時進行二次模筑鋼筋混凝土襯砌，圍巖及支護參數如表1所示。在實際施工過程中，遇到多個小型溶洞，平均洞寬約2.5 m，多位于隧道左拱腰上部，均為貧水類巖溶溶洞，洞內有少量松散充填物，距離隧道洞身段遠近不一。因此，本文以此隧道工程為例，選擇近接距離作為主要影響因素，針對近接巖溶空腔對隧道開挖穩定性影響展開研究。

圖1 公路隧道內輪廓尺寸(單位：cm)

表1 材料物理力學特征值

2 巖溶隧道有限元模型建立

2.1 數值分析模型

為了充分考慮近接巖溶空腔對隧道開挖的穩定性影響，本文選取了大埋深且溶洞發育區段作為研究對象。基于設計資料及工程地質條件，通過有限差分軟件FLAC 3D建立計算模型，以噴射混凝土形成的初期支護作為主要的支護結構，分別開展了有溶洞和無溶洞時隧道開挖圍巖穩定性的對比分析。在近接溶洞的影響方面，由于溶洞位于隧道拱肩部斜交位置，在溶洞與隧道間距分別為2 m、4 m和8 m的工況下，筆者分析了隧道開挖后的圍巖穩定性及應力分布特征。計算單元采用solid45，圍巖及支護結構均采用三維實體單元，模型共計10 044個單元和13 744個節點，材料破壞特性符合摩爾-庫倫準則。由于結構可看作是對稱的，并且為了方便比較和分析結果，故取拱頂、拱腰和邊墻3個監測點(A、B、C)進行對比分析。

2.2 模型參數及邊界條件

根據現場地勘資料及室內巖土體力學強度試驗結果，模型參數取值如表2所示。通過有限元計算軟件建立溶洞不同間距條件下的隧道開挖模型與支護模型。在圖2中，計算模型中隧道圍巖為Ⅳ級，隧道埋深為42 m，實體單元網格劃分長度為0.2 m。為了盡量避免邊界效應對計算結果的影響，數值模型兩側寬度取3～5倍洞徑以上，總長約77 m，模型豎向范圍約85.2 m。隧道開挖選擇兩臺階施工方法，先進行上臺階施工開挖后，立即施作上半段初期支護，待變形穩定后，進行下部開挖和支護，有限元整體模型如圖2所示。模擬計算前，首先對底部邊界和四周邊界施加約束，限制三向位移，垂直邊限制水平方向的位移，僅賦予上部單元多向自由度。

表2 材料主要的物理力學參數

圖2 隧道有限元模型

3 結果分析及討論

3.1 近接溶洞對隧道開挖受力分布影響

隧道上臺階開挖后的最大主應力分布如圖3所示。當沒有溶洞時，上臺階開挖后拱頂出現較大拉應力，底部圍巖出現一定隆起，主應力向兩拱腳逐步擴散。當溶洞距離隧道僅2 m時，溶洞底部出現輕微拉裂現象，溶洞頂部及拱頂出現較大拉應力，溶洞與隧道之間圍巖拉應力較小，表明圍巖位移較大。并且越靠近隧道拱腰處應力越小，表明圍巖集中向隧道側產生變形破壞，拱頂處受到拉應力較大，邊墻處受到壓應力較大。通過統計，對比有溶洞和無溶洞條件下的拉應力變化(見圖4)，溶洞的出現使得受到的最大拉應力出現上升；整體表現為溶洞距離隧道越近，拉應力增幅越大，這與隧道開挖后的位移變化規律一致。當溶洞近接距離為2～4 m時，拉應力比值的增幅較大，最大可達22%，隧道開挖支護后出現失穩的概率也越大。隨著近接距離不斷增加，曲線負向斜率增大，最大拉應力比值降速逐漸增加，表明近接溶洞對隧道開挖的影響逐步變小。當溶洞距離隧道在8 m以外時，拉應力增幅已減小至10%以下。

圖3 上臺階開挖后主應力分布特征

圖4 上臺階開挖后最大拉應力比分布特征

另一方面，當溶洞逐漸遠離隧道時，支護結構的內力也會有所降低。通過截面面積和提取的節點受力數據，得到溶洞不同近接距離條件下結構內力(見表3)。隨著溶洞近接距離不斷增大，初期支護拱頂和拱肩處的軸力大幅降低，尤其是拱頂處軸力從間距為2 m時的-2 647.36 kN減小到8 m時的-1 803.64 kN，減小約32%，而拱肩處軸力降低幅度約為8.2%～11.5%。試驗數據也表明了隨著溶洞距離隧道越遠，彎矩降低速度越快。當近接距離由2 m增加至8 m時，拱頂彎矩降幅將達到90%以上。

表3 溶洞不同間距下的結構內力比較

3.2 近接溶洞對隧道開挖塑性區的影響

上臺階開挖引起的塑性區分布如圖5所示。在無溶洞進行隧道開挖時，拱頂和開挖面底部以及墻角處會產生塑性破壞，其中拱頂沉降引起的塑性破壞較為嚴重，其余位置圍巖多處于穩定狀態。當開挖隧道附近有溶洞出現時，這對圍巖塑性區分布具有較大的影響。當溶洞近接距離為2 m時，除了溶洞自身附近以及隧道開挖凈空面附近圍巖會產生塑性變形外，隧道拱腰附近以及溶洞與隧道間的圍巖多處于塑性流動狀態，且具有連通態勢。這表明當溶洞距離開挖隧道過近時，在隧道靠近溶洞發育區附近極易發生上部坍塌。當溶洞近接距離為4 m時，在溶洞與隧道頂部之間出現有大量彈性區，而隧道拱腰附近塑性區減少，表明溶洞對隧道結構影響開始減小，但溶洞附近塑性區仍分布較廣，開挖時依然存在較大安全隱患。當溶洞近接距離為8 m時，塑性區多分布在隧道周圍，溶洞周圍的塑性區也較小，相互沒有延展，開挖后及時進行支護是安全可行的。

圖5 上臺階開挖后圍巖塑性區分布特征

3.3 近接溶洞對隧道開挖位移的影響

不同近接距離條件下隧道拱頂沉降值如圖6所示。拱頂沉降規律整體表現為前期開挖增速較快，待初期支護施作閉環后沉降逐漸平緩至穩定值。在無溶洞時，拱頂最大沉降量為2.22 cm。但是隨著溶洞的出現以及距離隧道間距越來越小，拱頂沉降量將越來越大。特別是在上臺階開挖初期，沉降位移增速不斷提升，當溶洞距離隧道越近，前期的沉降效應越明顯，且拱部容易出現較大變形；在溶洞近接距離為2 m時，最大沉降量達到2.6 cm。從不同近接距離條件下的邊墻水平位移變化規律可以看出(見圖7)，隧道開挖后洞周前期收斂變形較快，在施作初期支護后，位移變化速率明顯降低，出現短暫的穩定期，此時變形量已達總變形量的80%；待下臺階開挖并施作支護后，水平位移逐漸穩定。當隧道周邊存在既有溶洞時，邊墻水平變形速率同樣有所提升，溶洞與間距越小，水平變形量就越大，當溶洞近接距離為2 m時，最大變形量達到0.69 cm。有溶洞與無溶洞的情況對比分析見圖8。當出現近接溶洞時，隧道開挖引起的拱頂沉降及水平收斂均出現不同程度增加，但是隨著溶洞距離越來越遠，近接巖溶空腔對隧道開挖的影響也越來越小。同時，相對于邊墻水平變形來說，近接溶洞對于拱頂沉降影響更為顯著。當溶洞近接距離由2 m增加至8 m時，水平位移增幅由6.15%逐步線性降低至1.54%，拱頂沉降量與溶洞近接距離表現為二次函數關系。隨著溶洞距離的增加，拱頂相對沉降量由17.12%逐步減小至7.21%。

圖6 近接溶洞對拱頂沉降的影響

圖7 近接溶洞對邊墻位移的影響

圖8 既有溶洞引起的隧道開挖位移變化量

綜合隧道開挖后支護結構受力、圍巖塑性區發展趨勢及洞周變形特征，當隧道只有一側遇到溶洞時，宜首先開挖該測，并及時支護；當隧道施工臨近溶洞邊緣時，應減少對圍巖的擾動，控制爆破藥量。施工時，各工序應該緊密銜接，支護結構可超前布置，并且視溶洞巖石破碎情況，可采用錨桿或鋼筋網噴錨加固，必要時應考慮注漿，并及時開展監控量測工作。

4 結論與建議

通過開展大斷面巖溶隧道中溶洞對隧道開挖穩定性的影響研究，得到了溶洞不同近接距離條件下隧道施工引起的支護結構應力變化規律、圍巖塑性區分布以及位移變化特征，且筆者得出臺階法施工條件下的中小跨度巖溶公路隧道施工有以下特征并做出建議：

(1)有近接溶洞(小于4 m)時，隧道開挖可引起拱頂拉應力最大增長22%；當溶洞與隧道間距超過8 m時，拉應力增幅小于10%；支護結構彎矩和軸力也隨溶洞近接距離的增大而大幅減小。

(2)當溶洞近接距離小于2 m時，隧道開挖會引起溶洞與開挖面之間塑性區的延展連通，極易發生塌方。但隨著巖溶空腔與隧道間距的增大，施工引起的塑性區范圍逐漸減小，彈性變形區開始緩慢增加。

(3)近接溶洞顯著增加了隧道開挖后的整體變形量。當溶洞近接距離為2～8 m時，拱頂沉降增幅為7.2%～17.1%，邊墻位移增幅為1.54%～6.15%，近接溶洞對拱頂沉降的影響更為顯著。

(4)當巖溶隧道施工時遇到溶洞近接的情況時，應及時查明溶洞位置、大小以及近接距離。當溶洞與圍巖的間距小于4 m時，隧道施工開挖極容易引起坍塌，應在開挖前及時處理溶洞并施作支護，特別是拱頂處應考慮加強。