隧道與隱伏溶洞之間的安全巖層厚度研究

鄧杰夫,唐國軍,唐宇辰

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著對巖溶隧道的不斷探索和實踐,大量數據表明,隧道與隱伏巖溶構造之間巖層的失穩、垮塌及由此引起的突水涌泥災害會造成重大安全隱患和經濟損失,如何避免隱伏溶洞與隧道之間的巖層破壞,成為施工中亟待解決的重要問題。一般認為,在施工擾動和巖溶高水壓作用下,隧道與巖溶之間巖層厚度的不足是致使其垮塌或被高水壓擊穿是引起上述工程問題的主要因素[1-3]。而國內各類規范并沒有對這一參數進行明確的規定,導致設計和施工單位在隧道施工時很難判斷其是否安全,因此,研究、確定隧道與隱伏巖溶之間巖層的安全厚度對確保圍巖穩定、規避巖溶災害具有重要的現實意義。

郭佳奇等[2]基于臨界水壓力破壞理論建立了巖墻安全厚度的計算公式,并依托宜萬線云霧山隧道進行了檢算。劉超群等[3]通過正交試驗研究了隧道掌子面與溶洞安全距離的影響因素,得到了隧道掌子面前方巖盤安全厚度的計算方法,并通過幾個隧道工程實例進行驗證。黃坤嶺[4]基于三維有限差分數值平臺和能量法原理,以齊岳山隧道為工程依托,研究了充水橢球形溶洞位于隧道不同方位時,在隧道動態開挖過程中隧道與溶洞間防突層的穩定性,分析了隧道開挖面從遠離到接近溶洞過程中隧道防突層破壞區變化規律。陳禹成等[5]模擬分析了溶洞位于不同位置時對隧道的影響并總結規律,并以鄂西山區隧道實例提出了溶洞處治原則。

從目前國內、國外的多種計算及取值方法來看,目前對于安全巖層厚度的認識并沒有一個統一的標準,且各研究之間計算結果差值較大[6-7],相關規范對此也沒有明確的規定。本文以謝家峒隧道為依托,對周邊隱伏溶洞在不同位置和不同距離下的隧道位移場及應力場進行模擬計算,通過比選得到各工況下隱伏溶洞與隧道之間的安全巖層厚度,為實際隧道施工提供理論基礎。

1 工程概況

謝家峒隧道為雙向分離式+小凈距隧道,左線長1 267 m,右線長1 322 m,左、右線起訖樁號分別為ZK27+735～ZK29+002和YK27+735～YK29+057。隧道斷面為單心圓曲墻式斷面,半徑R=5.85 m。隧道建筑限界凈寬為10.75 m,凈高為5 m。

該隧道巖溶發育,左、右線隧道在掘進的過程中遇到諸多溶洞,施工開挖過程中發生過塌方、初支大變形、地表塌陷等災害,隧道建設過程增加投資估算值累計約3 000萬元。2011-06-02,左線隧道開挖至ZK28+817時揭露一個溶洞(即塌方溶洞,且連通左右線隧道),而后右線隧道也開挖到該溶洞,應業主和設計要求,此時右線隧道掘進施工暫停,左洞繼續掘進,2011-08-08,右線隧道恢復施工后,施工隊在對右線隧道溶洞壁進行安全支護時,發生大面積塌方的自然災害。

2 計算模型

2.1 幾何模型

(1)施工中揭示的溶洞多為不規則球形、長方體和橢球等形狀,且溶洞大小不一,考慮到溶洞的不規則性,本文采用簡化后的橢圓作為隱伏溶洞模型[8-9]。

(2)由于隧道施工中遭遇的尺寸>2 m的溶洞占97.4%,其中溶洞尺寸在2～18 m占92.7%[10],因此模擬的橢圓形溶洞尺寸取寬a=16 m,高b=20 m,高跨比K=b/a=1.25。

(3)選取謝家峒隧道參數,利用Midas GTS軟件建立1∶1計算模型,隧道模型斷面為單心圓,跨度B=12.0 m,高H=9.92 m,埋深50 m,分別取無隱伏溶洞、隧道與隱伏溶洞之間的巖層厚度L為3 m(0.25倍跨度B)、4 m、5 m、6 m(0.5倍跨度B)、9 m(0.75倍跨度B)、12 m(1倍跨度B)、15 m(1.25倍跨度B)等工況進行研究,隧道及溶洞斷面尺寸如圖2所示。

圖2 隧道及溶洞模型尺寸示意圖(m)

(4)隧道埋深較淺,計算過程不考慮水壓力。

2.2 邊界條件

根據以往的研究結果,不同圍巖條件的隱伏溶洞對隧道產生的影響僅僅是影響程度和影響范圍存在變化,且規律相似[11-12],因此,計算統一取隧道圍巖級別為Ⅳ級。Ⅳ級圍巖物理、力學參數如表1所示。

表1 圍巖力學參數表

采用摩爾-庫侖本構模型[13-14],初期支護采用梁單元模擬,彈性模量為20 GPa,泊松比為0.2,容重為25 kN·m-3,梁單元厚度為0.28 m。

3 結果分析

3.1 隧道與頂部隱伏溶洞之間的安全巖層厚度

當隱伏溶洞位于隧道頂部時,隧道與溶洞之間的巖層厚度過小,會導致其無法承受荷載作用而發生拱頂沉降、掉塊甚至塌方。為研究溶洞位于隧道頂部時的安全巖層厚度,取巖層厚度L分別為3 m(0.25B)、4 m、5 m、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)進行研究,并以無隱伏溶洞工況作為參照,對比各布置參數對隧道位移場的影響,計算結果如圖3、圖4所示。

(a)無隱伏溶洞

(a)無隱伏溶洞

由圖3、圖4可以看出,當隧道與溶洞之間的巖層厚度較大時,隧道周圍的豎向及橫向云圖均與無隱伏溶洞工況相似,當隧道與隱伏溶洞之間的巖層厚度<9 m時,隧道位移云圖開始發生變化,說明隧道施工后變形將受到隱伏溶洞影響,當巖層厚度為6 m時,位移云圖中各項位移均開始變大。

為進一步研究隧道和溶洞之間的安全厚度,提取各工況隧道的拱頂位移如表2所示,并繪制拱頂沉降與巖層厚度的變化曲線如圖5所示。

表2 各工況隧道拱頂位移計算結果表

圖5 拱頂沉降與巖層厚度的變化關系曲線圖

從圖5可以看出,拱頂沉降隨著巖層厚度的增大而減小,當巖層厚度L≥6 m時,拱頂沉降很小,且與周邊無隱伏溶洞工況幾乎一致;而當巖層厚度L<6 m時,拱頂沉降急劇增大,證明L=6 m時隧道與隱伏溶洞的巖層處于臨界狀態。

為進一步驗證隧道與溶洞之間巖層的厚度對隧道的影響,將不同巖層厚度下的隧道塑性區云圖進行對比,如下頁圖6所示。

(a)無隱伏溶洞

由圖6可知,當巖層厚度L越大時,溶洞與隧道之間的巖層塑性區范圍越小,而巖層厚度L<6 m時,溶洞與隧道之間巖層的塑性區已經貫通,并且L越小,塑性指標越大,證明當溶洞位于隧道拱頂時安全厚度為6 m。

3.2 隧道與底部隱伏溶洞之間的安全巖層厚度

當隱伏溶洞位于隧道底部時,隧道底部會存在落空現象,導致隧道仰拱沉降增加。為研究溶洞位于隧道底部時的安全巖層厚度,取巖層厚度L分別為3 m(0.25B)、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)進行研究,對比不同參數對隧道位移的影響。計算結果如下頁圖7所示。

(a)無隱伏溶洞

由圖7可知,當隧道與隱伏溶洞之間的巖層厚度L≥9 m時,圍巖最大變形量均小于無隱伏溶洞時的情況,表明隧道與底部隱伏溶洞的安全巖層厚度為9 m。

為研究隱伏溶洞位于隧道底部時不同巖層厚度下的受力特性,將不同巖層厚度下的隧道圍巖塑性區云圖進行對比,如后頁圖8所示。

由圖8可知,圍巖塑性區隨著巖層厚度L的減小,由不貫通向貫通趨勢發展,且巖層厚度L越小,塑性區的貫通的程度和范圍越大;當L≥9 m時,塑性區不再貫通,也證明了當隱伏溶洞位于隧道底部時的安全巖層厚度為9 m。

3.3 隧道與側部隱伏溶洞之間的安全巖層厚度

當隧道側部存在隱伏溶洞時,隧道會存在不同程度的偏壓情況,溶洞改變了隧道左右側的受力情況。為研究溶洞位于隧道側部時的安全巖層厚度,取巖層厚度L分別為3 m(0.25B)、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)進行研究,對比各布置參數對隧道位移和塑性區的影響,計算結果如后頁圖9、圖10所示。

(a)無隱伏溶洞

(a)無隱伏溶洞

當隱伏溶洞位于隧道側部時,隧道處于偏壓狀態,隧道與隱伏溶洞的距離越近,偏壓越嚴重,由圖9、圖10可以看出,在溶洞的影響下,位于溶洞的一側的位移與塑性區均大于另一側。

如圖9(b)、圖10(b)所示,當巖層厚度L=3 m(0.25B)時,隧道與溶洞均發生較大位移,同時兩洞之間塑性區已相互連接,證明隧道與溶洞之間的巖層已經發生破壞;如圖9(f)、圖10(f)所示,當巖層厚度L=15 m(1.25B)時,隧道與溶洞之間的位移與塑性區沒有相互干擾,說明當巖層厚度>15 m時,隧道所受的影響已經較小。

通過對比圖9(c)～(e)可知,當巖層厚度L為6～12 m(0.5～1B)時,隧道和溶洞的均產生不同程度的沉降,而當隧道與溶洞之間的巖層厚度達到12 m時,溶洞底部的位移已經很小,說明兩洞之間的干擾已經很小。且由圖10(e)可見,此時隧道與側部隱伏溶洞之間的塑性區已由貫通變為不貫通,因此可以斷定,隧道與溶洞之間巖層的安全厚度宜≥12 m(1B)。

4 結語

通過以上研究,得到以下結論:

(1)隱伏溶洞的存在將影響隧道的受力和變形狀況,隨著隧道與隱伏溶洞之間的巖層厚度增加,隧道在施工時的應力場與位移場受到的影響逐漸變小。

(2)隧道頂部存在隱伏溶洞時,隧道與隱伏溶洞之間安全巖層厚度宜>6 m(0.5B)。

(3)隧道底部存在隱伏溶洞時,隧道與隱伏溶洞之間巖層的安全厚度宜>9 m(0.75B)。

(4)隧道側部存在隱伏溶洞時,隧道與隱伏溶洞之間巖層的安全厚度宜≥12 m(1B)。