香樹坳巖溶隧道數(shù)值模擬和擾動效應(yīng)分析*

張 力，傅鶴林，于 歸，易 達(dá)，金玉良

1.中交四公局，北京 100000

2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410075

不良地質(zhì)巖溶現(xiàn)象在我國分布廣泛，而巖溶發(fā)育會對隧道建設(shè)帶來不利的影響，影響隧道施工安全。為了有效處理巖溶問題，分析巖溶對隧道施工帶來的影響是十分有必要的。文章依托雙向江玉高速公路香樹坳隧道工程項目，對溶洞影響下的雙線隧道變形和受力進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得隧道圍巖的變形和受力情況，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

貴州省江口至玉屏（大龍）高速公路全長15.624km，是一條雙向四車道高速公路。沿途設(shè)有多個隧道，其中香樹坳隧道進(jìn)口位于江口縣閔孝鎮(zhèn)中練村附近，出口位于江口縣閔孝鎮(zhèn)中練村附近，左線隧道長1665m，右線長1687m，兩隧道的間距為5.4m。該隧道屬低山地貌單元。山坡較陡，植被較發(fā)育。隧址區(qū)高程556.60～764.80m，相對高差208.2m。隧址區(qū)的地層分布如下：上覆為第四系松散殘坡積成因的黏土及崩坡積成因的塊石土，底部基巖為寒武系下統(tǒng)變馬沖組頁巖、寒武系下統(tǒng)變清虛洞組灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)杷榔組鈣質(zhì)頁巖。項目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺和斷裂都較發(fā)育，隧道洞身處還有巖溶發(fā)育。穿越巖溶的隧道段圍巖主要是強～中風(fēng)化灰?guī)r。巖溶高約4m、寬約10m，巖溶距離隧道頂部約5m。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

香樹坳隧道穿越巖溶模型寬60m（X軸方向），高80m（Y軸方向）。數(shù)值模擬模型圖如圖1所示。采用二維模型模擬巖溶的存在對香樹坳隧道帶來的影響，其中周圍土體采用2D單元模擬，土體的本構(gòu)模型遵循摩爾庫倫強度準(zhǔn)則。隧道主洞的直徑為10.8m，高度達(dá)到8.6m。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘測和室內(nèi)試驗得到了研究區(qū)段的圍巖參數(shù)，具體如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2.3 計算工況

為了更加全面地分析巖溶給香樹坳隧道帶來的影響，設(shè)雙線香樹坳隧道與溶洞之間的距離為h，文章分別分析了當(dāng)h為1m、2m、3m、4m、5m和6m的不同工況，兩者之間的相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同工況下的隧道橫截面圖

3 結(jié)果與分析

3.1 變形分析

當(dāng)溶洞位置處于兩隧道中間時，左右線隧道的位移變形情況大致會沿隧道中心線呈對稱分布。但是對于左線或者右線隧道，隧道周邊圍巖的變形情況并不是對稱分布的，對此，取右線隧道的變形情況進(jìn)行分析。使用軟件計算后，選擇具有代表性的隧道變形位置進(jìn)行分析。隧道取樣點的具體位置分布如圖3所示。

圖3 測點位置分布

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制出了在不同工況下的隧道各個測點位置處的豎直方向上的變形情況，各測點處位移隨距離h的變化曲線如圖4所示。

圖4 各測點處位移隨距離h的變化曲線

從圖4中可以看出，隧道開挖后拱頂處產(chǎn)生沉降，仰拱處產(chǎn)生隆起。拱頂處產(chǎn)生的沉降大于仰拱處產(chǎn)生的隆起，施工過程中需要注意拱頂產(chǎn)生的沉降位移。左右拱腳處產(chǎn)生隆起變形，但是隨著隧道周邊位置逐漸接近溶洞處，隧道周邊的位移慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠Ｔ谧笥夜把幃a(chǎn)生的變形以沉降為主。

溶洞的存在會影響隧道開挖后的變形，隨著隧道拱頂與溶洞豎向距離h的增加，仰拱處和左右拱腳處產(chǎn)生的隆起變形逐漸減小，拱頂處和右拱腳處產(chǎn)生的沉降變形逐漸減小。左拱腰處產(chǎn)生的位移隨著距離h的增加先隆起變形減小，后沉降變形增加，并且隨著距離h的增加，位移量逐漸減小。

由于溶洞大致處于左右線隧道的中間位置，水平方向上距離溶洞較遠(yuǎn)位置的隧道周邊圍巖產(chǎn)生的位移情況和距離溶洞距離較近位置的隧道周邊圍巖產(chǎn)生的位移情況不同。具體的差異情形可以根據(jù)上述測點位置處的變化情況來解釋，隧道產(chǎn)生的位移變化并不是沿著中心線呈對稱情況的。左邊部分的隧道周邊圍巖（水平方向上離溶洞較近的位置）產(chǎn)生的變形較大，右邊部分的隧道周邊圍巖（水平方向上離溶洞較遠(yuǎn)的位置）產(chǎn)生的變形較小。于是，仰拱和拱頂產(chǎn)生最大位移的地方偏向于溶洞位置處，但是這種左右不對稱的位移差隨著距離h的增加而逐漸減小。

3.2 受力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到在Y軸方向上，隧道周邊圍巖的內(nèi)力云圖如圖5所示。

圖5 香樹坳巖溶隧道圍巖豎向內(nèi)力云圖

從圖5中可以看出，溶洞的存在使隧道圍巖的內(nèi)力分布不對稱，即靠近溶洞側(cè)的隧道圍巖內(nèi)力大于遠(yuǎn)離溶洞側(cè)的隧道圍巖內(nèi)力。這種不對稱的內(nèi)力分布情況類似于隧道圍巖的變形情況。隨著溶洞與隧道距離增加，溶洞對隧道圍巖的應(yīng)力分布逐漸減小，隧道圍巖的內(nèi)力分布逐漸對稱。

隧道拱腳處的圍巖受到的內(nèi)力最大，施工時需要注意加固拱腳范圍內(nèi)的圍巖，以防隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。并且隨著h的增加，隧道圍巖應(yīng)力大致呈逐漸減小趨勢。

溶洞與隧道距離的增加使溶洞對隧道圍巖的變形和應(yīng)力影響逐漸減小。這是因為溶洞與隧道的距離越近，越容易受到隧道施工的影響，從而導(dǎo)致溶洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定帶動周圍巖土體一同發(fā)生變形作用。但隨著溶洞遠(yuǎn)離隧道，這種變形作用影響越來越難以影響隧道，從而當(dāng)溶洞與隧道距離增加時，溶洞對隧道圍巖的變形和應(yīng)力影響逐漸減小。

4 結(jié)論

綜上所述，溶洞對雙線隧道的影響規(guī)律如下：

（1）隧道頂部溶洞的存在會對隧道圍巖的變形和應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。雙線隧道頂部由于溶洞的存在會使得單一隧道圍巖的變形和內(nèi)力不對稱分布，這種不對稱分布造成隧道周邊位移較難確定，洞體結(jié)構(gòu)變形不符合設(shè)計要求。隧道不同部位受力不均、不對稱，會給隧道支護(hù)帶來較大的施工難度。隨著距離h的增加，溶洞對隧道的影響逐漸減小，隧道圍巖的變形和受力情況也逐漸趨于對稱形式。

（2）溶洞與隧道的距離越近，其帶來的影響越巨大。隨著溶洞和隧道距離的增加，隧道圍巖變形逐漸減小，且隨著h的增加，隧道圍巖位移量也逐漸減小，隧道圍巖內(nèi)力大致呈減小趨勢。