干溶洞對大壩隧道圍巖受力性狀的影響分析*

張軍，黃志鵬, 李晟

(1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.郴州市城市規劃設計院，湖南 郴州 423000)

巖溶地區隧道施工中易發生突水突泥、塌方等災害，威脅隧道的安全施工和運營。針對隧道施工中溶洞對隧道的影響，彭中凌等對現場實測數據與ANSYS有限元軟件計算結果進行對比分析，得到了隧道施工中拱頂隱伏溶洞對隧道結構位移的影響規律；譚代明等結合忠墊(忠縣—墊江)高速公路，運用FLAC3D軟件對側部含有溶洞的巖溶隧道進行數值分析，得到了側部溶洞對隧道圍巖穩定性的影響規律；管鴻浩將有限差分軟件與現場監測相結合，分析了側部溶洞不同凈距和水壓對圍巖位移的影響；王薇等對現場監測數據與Pasternak模型計算結果進行對比分析，得到了底部溶洞對隧道襯砌變形和內力的影響規律。鑒于溶洞影響因素復雜，目前的研究還不夠全面，該文以湖南龍永(龍山—永順)高速公路大壩隧道為工程背景，采用MIDAS軟件進行數值計算，分析干溶洞位置、間徑比、洞徑比對隧道圍巖受力性狀的影響。

1 工程概況

大壩隧道為雙洞單向交通隧道，左線樁號為ZK85+830—ZK88+080，右線樁號為K85+832—K88+095，兩端洞口段均屬于小凈距隧道。隧道區為構造剝蝕作用形成的中低山地貌，水系一般發育，進出口外側均有沖溝。隧道絕大部分在碳酸鹽類的灰巖、白云巖中穿過，其上覆土層為黏土，厚度0～10 m。根據勘察結果，節理密集帶、斷層破碎帶、巖溶發育區存在16處溶洞，按充填特征分類，大部分溶洞屬于半充填型溶洞。

2 數值計算方案

2.1 計算模型與參數

計算模型與實體工程的長度比尺為1∶1，模型邊界取最大開挖洞徑的3～4倍，模型長100 m、高80 m，隧道底部埋深50 m。模型頂部為自由面，底部為固定約束，左、右邊界約束其水平位移(見圖1)。分析在自重應力影響下不同位置(頂部、拱肩、拱腰、拱腳、底部)溶洞、不同洞徑比和間徑比溶洞對隧道圍巖應力和位移的影響，各方位準確位置見圖2。為便于分析，定義洞徑比為溶洞直徑d與隧道跨度D之比，間徑比為溶洞與隧道的凈距L與隧道跨度D之比。

圖1 隧道數值計算模型

圖2 溶洞方位示意圖

采用MIDAS數值計算軟件進行模擬，圍巖采用Drucker-Prager模型，錨桿采用植入式桁架單元。隧道施工步驟分為隧道開挖、錨桿施工及噴射混凝土。材料參數如下：圍巖的彈性模量為32 000 MPa，泊松比為0.3，重度為23 kN/m3，黏聚力為2 MPa，內摩擦角為33°；噴射混凝土的彈性模量為25 000 MPa，泊松比為0.2，厚度為200 cm；錨桿的彈性模量為200 000 MPa，直徑為2.2 cm，長度為300 cm。

2.2 模擬工況

為便于分析，將d小于2D的溶洞斷面簡化為圓形斷面，洞徑比分別取0.2、0.4、0.7、1.0，間徑比分別取0.2、0.4、0.7、1.0，分析隧道頂部、拱肩、拱腰、拱腳、底部5個位置溶洞的洞徑比和間徑比對隧道圍巖受力性狀的影響。

3 模擬結果對比分析

為便于分析，采用位移比(有溶洞時位移與無溶洞時位移之比)來分析各位置溶洞對隧道位移的影響。

3.1 不同位置溶洞對隧道圍巖水平位移的影響

溶洞位置對左拱腰水平位移影響的數值分析結果見圖3。由圖3可知：各位置溶洞均會引起左側拱腰水平位移增加，位移值隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減小；間徑比小且洞徑比大的頂部溶洞引起的隧道左側水平位移最大，間徑比增大至0.4和1.0時，對隧道左側拱腰水平位移影響最大的溶洞位置為左側拱肩和底部，這是由于間徑比小的頂部溶洞對水平方向圍巖剛度削弱非常大，隨著間徑比的增大，這種削弱明顯減少，且漸漸小于水平溶洞。

圖3 溶洞位置對左拱腰水平位移的影響

溶洞位置對隧道右側拱腰水平位移影響的數值分析結果見圖4。由圖4可知：間徑比較小、洞徑比較大時，頂部溶洞對右側拱腰水平位移的影響最大，但隨著間徑比的增大，底部溶洞的影響逐漸大于頂部溶洞，左側拱腳處溶洞的影響最小。

圖4 溶洞位置對右拱腰水平位移的影響

對比圖3、圖4，頂部和底部溶洞對隧道左側拱腰和右側拱腰水平位移的影響規律相同，這是由隧道的結構對稱特性決定的。

3.2 不同位置溶洞對隧道拱頂沉降的影響

各位置溶洞對隧道拱頂沉降影響的數值分析結果見圖5。由圖5可知：溶洞分布在隧道左側拱肩、左側水平位置且洞徑比小于0.4時，各位置溶洞引起的拱頂沉降均較小，但洞徑比增大至0.7時，拱頂豎向位移大幅增加；溶洞分布在隧道頂部、左側拱腳、底部位置時，拱頂沉降隨著洞徑比的增大而減小，這主要是由于水平位移增加引起的隧道拱效應增強，從而使頂部沉降位移減少；隨著洞徑比的增大，溶洞的最不利位置從頂部逐漸向水平位置移動，這是由于存在大洞徑比的溶洞相當于增加了隧道跨度，導致位移大幅增加。

圖5 溶洞位置對拱頂沉降的影響

3.3 不同位置溶洞對隧道仰拱隆起位移的影響

溶洞位置對隧道仰拱隆起位移影響的數值分析結果見圖6。由圖6可知：隧道頂部、左側拱肩及左側水平溶洞均會引起隧道仰拱隆起位移增大，位移值隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減小，隧道水平位置有大洞徑比的溶洞時仰拱隆起位移增幅最大；隧道左側拱腳和底部溶洞均會引起隧道底部隆起位移減小，且隨著洞徑比的增大，位移進一步減小，這是由于底部溶洞對隧道底部位移的釋放有抑制作用，這種抑制作用在一定范圍內與洞徑比成正比。

圖6 溶洞位置對隧道仰拱隆起位移的影響

3.4 不同位置溶洞對隧道圍巖主應力的影響

各位置溶洞對隧道圍巖最大主應力影響的數值分析結果圖7。由圖7可知：最大主應力隨著洞徑比的增大而增大，隨著間徑比的增大而減小；左側拱腳位置存在溶洞會使隧道拱腳最大主應力急劇增長，隨著洞徑比的增大，隧道與左側拱腳處溶洞有出現貫穿性塑性區的趨勢，但隨著溶洞位置逐漸遠離拱腳，拱腳最大主應力逐漸減小。

圖7 溶洞位置對隧道最大主應力的影響

溶洞位置對隧道圍巖最小主應力影響的數值分析結果圖8。由圖8可知：隧道最小主應力隨著洞徑比和間徑比的增大而減小；洞徑比小于0.4時，各位置溶洞對隧道最小主應力的影響均較小；洞徑比增大至1.0時，左側拱肩、左側水平和左側拱腳處溶洞會使隧道底部最小主應力大幅減小。

圖8 溶洞位置對隧道底部最小主應力的影響

4 結論

(1)間徑比對隧道水平位移的影響較大，表現為隨著間徑比的增大，溶洞最不利位置從頂部逐漸向水平和底部移動，尤其是當頂部存在間徑比很小且洞徑比大的溶洞時，隧道水平位移大幅增加。

(2)洞徑比對隧道拱頂沉降的影響較大，表現為隨著洞徑比的增大，溶洞的最不利位置從頂部逐漸向水平位置移動，尤其是當水平方位存在間徑比很小且洞徑比大的溶洞時，隧道豎向位移大幅增加。

(3)隧道最小主應力主要集中于隧道底部和頂部，其隨著間徑比和洞徑比的增大而減小；最大主應力主要集中于隧道拱腳處，其隨著間徑比的增大而減小，隨著洞徑比的增大，隧道與左側拱腳處溶洞有出現貫穿性塑性區的趨勢。施工中應減小對拱腳巖體整體性的破壞，必要時適當在拱腳處加強支護。