巖溶地區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究

摘要：文章為探究巖溶地區(qū)修建隧道圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律，采用ANSYS軟件建立計(jì)算模型，系統(tǒng)研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對(duì)隧道各個(gè)位置變形的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：溶洞位于隧道正上方和正下方時(shí)拱頂?shù)某两底钚。?dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，隧道拱頂?shù)某两底冃巫畲螅划?dāng)溶洞位置處于隧道正上方時(shí)，隧道底部的隆起變形最小，而當(dāng)溶洞位置處于隧道正下方時(shí)，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時(shí)的隆起變形；當(dāng)隧道右側(cè)存在溶洞時(shí)，隧道左拱腰產(chǎn)生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形；隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，右拱腳的變形量達(dá)到峰值，但溶洞位于隧道右下角時(shí)，隧道左拱腳處的變形達(dá)到最大值。研究結(jié)果可為巖溶地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶地貌；交通隧道；ANSYS；圍巖穩(wěn)定性

0引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，在西南地區(qū)新建了大量的公路及鐵路線路來(lái)改善西南地區(qū)的出行條件。但西南地區(qū)降雨豐沛，多山多河的氣候及地質(zhì)條件使該地區(qū)存在大量的巖溶地貌，分布有大量的溶洞，給隧道的修建及日后的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的安全隱患。

對(duì)于在巖溶地區(qū)修建隧道，葉堃等［1］基于玉京山隧道建設(shè)中遇到的大型溶洞的研究成果，提出了暗河改道、溶洞回填、橋梁跨越的總體處置措施；袁以堂等［2］通過(guò)建模研究發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)仰拱襯砌可以有效限制仰拱變形，并能使仰拱的受力更加均勻合理；蓋孝乾［3］研究發(fā)現(xiàn)，存在溶洞使得地表的沉降顯著增大，且當(dāng)隧道距溶洞距離大于4倍隧道直徑時(shí)，溶洞的存在并不會(huì)對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響；張晉龍［4］基于彈性理論與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)特征值的變化來(lái)判定隧道圍巖是否穩(wěn)定；甄映州［5］基于強(qiáng)度折減法對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，認(rèn)為高鐵隧道施工應(yīng)盡量保證與溶洞平行，避免在溶洞下方修建高鐵隧道；常洲等［6］研究了溶洞位置對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為溶洞的存在對(duì)隧道側(cè)部的影響最大，對(duì)隧道頂部的影響最小，并根據(jù)溶洞與隧道相對(duì)位置的不同，對(duì)側(cè)部、頂部、底部處的溶洞給出了不同的工程處理建議；于濤［7］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在交通荷載作用下，位于隧道側(cè)方的溶洞對(duì)隧道穩(wěn)定性有顯著影響，隧道與溶洞邊距越小，動(dòng)荷載下隧道圍巖的穩(wěn)定性越弱；方振華等［8］對(duì)成貴鐵路中溶洞的處置進(jìn)行研究，結(jié)果表明在巖溶地區(qū)修建隧道時(shí)，隧道頂板和側(cè)壁的穩(wěn)定性較差，但隧道地板的穩(wěn)定性較好。但當(dāng)前的研究多集中于隧道跨越溶洞時(shí)各種工程處置措施的比選，對(duì)于溶洞的位置、溶洞的大小及間距對(duì)隧道圍巖的影響研究鮮有報(bào)道。

基于此，本文以某新建隧道為研究背景，通過(guò)ANSYS軟件建立計(jì)算模型，系統(tǒng)研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對(duì)隧道各個(gè)位置變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為巖溶地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況及模型的建立

擬建隧道高12 m、寬9 m。經(jīng)地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，擬建隧道旁存在球形溶洞，最大溶洞半徑接近6 m，距隧道最近處的溶洞間距僅為3 m，對(duì)隧道的施工及安全運(yùn)營(yíng)有巨大的安全隱患。

由于隧道埋深較大且山體巖性較為均勻，對(duì)工點(diǎn)處的隧道圍巖進(jìn)行試驗(yàn)后得到其力學(xué)參數(shù)，如表1所示。采用ANSYS軟件建立計(jì)算模型，以實(shí)際工況為參考，建立模型高150 m，寬120 m，以充分消除邊界條件對(duì)隧道變形的影響，所建立的計(jì)算模型如圖1所示。圖1中R為溶洞半徑；L為溶洞與隧道邊的間距；θ為溶洞與隧道中線的夾角；A為隧道拱頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；B、F為左右拱腰變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)；C、E為左右拱腳變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)；D為隧道底部變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

溶洞位置對(duì)隧道圍巖變形及穩(wěn)定性有重要影響，不同位置工況下隧道拱頂沉降的變化如圖2所示。需要說(shuō)明的是，其圖例中R2L3表示溶洞的半徑為2 m，距離隧道的距離為3 m。由圖2可知，溶洞位于隧道正上方和正下方時(shí)對(duì)應(yīng)的拱頂沉降最小，當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，隧道拱頂?shù)某两底冃巫畲螅S著溶洞與隧道中線夾角的增大，拱頂處的沉降變形呈先增大后減小的趨勢(shì)。此外，在溶洞位置與間距不變的工況下，溶洞半徑越大，拱頂?shù)某两底冃卧酱蟆＿@是由于半徑越大的溶洞其內(nèi)部空腔的體積越大，削弱了圍巖的支撐作用，所以在圍巖半徑越大的情況下，隧道拱頂?shù)某两底冃卧酱蟆Ｔ谌芏次恢门c大小不變的工況下，溶洞與隧道的間距越大，隧道圍巖的厚度就越大，對(duì)圍巖的支撐作用越強(qiáng)，對(duì)隧道拱頂沉降變形的限制就越強(qiáng)，故隨著溶洞與隧道間距的增加，隧道拱頂位置處的沉降變形在逐漸減小。

不同位置處的溶洞對(duì)隧道底部變形的影響如圖3所示。由圖3可知，在不同工況下，隧道底部的變形都是隆起變形。當(dāng)溶洞位置處于隧道正上方時(shí)，隧道底部的隆起變形最小；當(dāng)溶洞位置處于隧道正下方時(shí)，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時(shí)的隆起變形。分析主要原因是溶洞位于隧道底部時(shí)，溶洞的空腔對(duì)巖石沒(méi)有支撐作用，在兩側(cè)壓力的作用下，溶洞頂部的隆起變形越大，反映在隧道中就是隧道底部的隆起變形越大。當(dāng)溶洞位于隧道頂部時(shí)，由于頂部的溶洞并不會(huì)引起隧道底部圍巖處過(guò)大的應(yīng)力重分布，故當(dāng)溶洞位于隧道頂部時(shí)，溶洞的大小及間距對(duì)隧道底部的隆起變形影響不大，且隧道底部的隆起變形都在8～12 mm。當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，隧道底部的隆起變形達(dá)到了最大值，這主要是由于隧道本就兩側(cè)拱腰受到的壓應(yīng)力較大，當(dāng)拱腰處存在溶洞時(shí)，削弱了巖石對(duì)圍巖的支撐作用，一方面使得拱腰處的圍巖變形增大，另一方面使得隧道底部處的圍巖在應(yīng)力重分布的作用下產(chǎn)生了更大的附加應(yīng)力。所以，當(dāng)溶洞與隧道相水平時(shí)，隧道底部的隆起變形最大。此外，當(dāng)溶洞半徑越大，溶洞與隧道的間距越小，隧道底部的隆起變形量越大，這主要是由于半徑越大，間距越小的溶洞對(duì)圍巖的支撐作用削弱越強(qiáng)，故隧道底部的隆起變形量越大。

不同位置處的溶洞對(duì)隧道左拱腰變形的影響如圖4所示。需要說(shuō)明的是，圖4中的變形值為總變形量，負(fù)值代表產(chǎn)生背離隧道中心的變形，正值代表產(chǎn)生侵入隧道中心的變形。由圖4可知，當(dāng)溶洞位于隧道頂部時(shí)，左拱腰處產(chǎn)生的是背離隧道中心的變形；當(dāng)溶洞位于隧道底部時(shí)，左拱腰產(chǎn)生的是侵入隧道的變形；當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，左拱腰并不會(huì)出現(xiàn)背離隧道變形的峰值。這可能是由于當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，產(chǎn)生較大的拱頂沉降及底部隆起，使拱腰處的圍巖附加應(yīng)力增加的程度不大，所以當(dāng)溶洞與隧道相水平時(shí)，左拱腰處并沒(méi)有出現(xiàn)變形的峰值。此外，當(dāng)溶洞離隧道越近且溶洞半徑越大時(shí)，左拱腰處的變形就越大。當(dāng)溶洞位于隧道上部時(shí)，對(duì)應(yīng)的溶洞與隧道中線的夾角θ為0°～90°，左拱腰產(chǎn)生的變形都是背離隧道的變形；當(dāng)溶洞位于隧道下部時(shí)，對(duì)應(yīng)的溶洞與隧道中線的夾角θ為90°～180°，左拱腰處既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

不同溶洞位置對(duì)右拱腰變形的影響如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)溶洞位于隧道上方時(shí)，右拱腰產(chǎn)生背離隧道中線的變形，且與左拱腰的變形進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶洞位于隧道正上方時(shí)，左右拱腰產(chǎn)生的變形相對(duì)稱且都是背離隧道中線的變形。隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腰的變形逐漸由背離隧道的變形向侵入隧道的變形轉(zhuǎn)化。當(dāng)溶洞位于隧道的斜上方時(shí)（θ=45°），不同半徑、不同間距工況下，隧道右拱腰的變形全部為侵入隧道的變形，與此同時(shí)左拱腰的變形全部為背離隧道的變形，當(dāng)溶洞位置位于隧道上部時(shí)（θ為0°～90°），右拱腰的變形大多為侵入隧道的變形，但左拱腰的變形卻全部為背離隧道的變形。當(dāng)溶洞位置與隧道位置相水平時(shí)，右拱腰幾乎不產(chǎn)生變形。當(dāng)溶洞位置位于隧道下部時(shí)（θ為90°～180°），隧道右拱腰的變形大多為背離隧道的變形，當(dāng)溶洞位于隧道右下方時(shí)（θ=135°），右拱腰處背離隧道的變形量達(dá)到了峰值。當(dāng)溶洞位于隧道正下方時(shí)，右拱腰的變形反而產(chǎn)生了一定的減小。對(duì)比分析溶洞對(duì)左右拱腰變形的影響，當(dāng)隧道右側(cè)存在溶洞時(shí)，左拱腰產(chǎn)生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

溶洞位置對(duì)隧道左拱腳變形的影響如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)溶洞位于隧道正上方時(shí)，溶洞半徑越大，間距越小，隧道左拱腳的變形就越大。當(dāng)溶洞位于隧道正下方時(shí)，半徑越大，間距越小的溶洞，其左拱腳的變形也越大，但隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，左拱腳變形呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且溶洞位于隧道右下角時(shí)（θ=165°），隧道左拱腳處的變形達(dá)到最大值。當(dāng)溶洞半徑越小且離隧道距離越遠(yuǎn)時(shí)，溶洞對(duì)左拱腳變形的影響越小。

溶洞位置對(duì)隧道右拱腳變形的影響如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)溶洞位于隧道正上方或正下方時(shí)，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱使得左右拱腳處的變形相同，都產(chǎn)生侵入隧道的變形，但隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，右拱腳的變形量達(dá)到了峰值；同樣的，當(dāng)溶洞半徑越小且離隧道距離越遠(yuǎn)時(shí)，溶洞對(duì)右拱腳變形的影響越小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用ANSYS軟件建立計(jì)算模型，系統(tǒng)研究了溶洞位置、溶洞大小、溶洞與隧道間距對(duì)隧道各個(gè)位置變形的影響規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

（1）溶洞位于隧道正上方和正下方時(shí)對(duì)應(yīng)的拱頂沉降最小，當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，隧道拱頂?shù)某两底冃巫畲蟆?/p>

（2）當(dāng)溶洞位于隧道正上方時(shí)，隧道底部的隆起變形最小，當(dāng)溶洞位于隧道正下方時(shí)，隧道底部的隆起變形較大，且大于溶洞位于隧道頂部時(shí)的隆起變形。

（3）當(dāng)隧道右側(cè)存在溶洞時(shí)，左拱腰產(chǎn)生的變形大多為背離隧道的變形，但右拱腰既有背離隧道的變形，又有侵入隧道的變形。

（4）隨著溶洞與隧道中線夾角的增大，右拱腳變形值呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溶洞位置與隧道相水平時(shí)，右拱腳的變形量達(dá)到了峰值，但溶洞位于隧道右下角時(shí)，隧道左拱腳處的變形達(dá)到最大值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李國(guó)強(qiáng)（1986—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。