巖溶區水工隧洞穩定性影響因素研究

周文俊

(江西省水投建設集團有限公司，江西 南昌 330000)

我國山區分布有大面積的可溶性巖石，處于巖溶區隧洞穩定性是目前國內外學者研究的重點與難點之一。針對巖溶區隧洞穩定性，大量的學者開展了相關的研究。金鵬[1]綜合采用理論推導和數值模擬分析了層間孔隙巖溶區有壓水工隧洞穩定性的影響因素。結果表明，隧洞圍巖應力水平均隨洞徑增大而增大，當洞徑保持不變時，隧洞位于隔水層時的開挖拱頂下沉量與其在含水層時的開挖拱頂下沉量相同。葉堃等[2]依托玉京山隧道巨型溶洞工程提出了“暗河改道、溶洞回填和橋梁跨越”總體處理措施建議。崔明等[3]依托廣州地鐵12號線棠溪站—南航新村站區間工程系統的研究了串珠形溶洞區盾構隧道穩定性。結果表明，隧道上方溶洞對隧道變形和受力的影響最大，側方溶洞次之。此外，跨度比一定時，隨著溶洞距離的增加，管片拉應力急劇減小。石菊創等[4]采用數值模擬系統的研究了下伏溶洞對運營隧道襯砌結構穩定性的影響。結果表明，二次襯砌最大剪應力和最大豎向位移隨溶洞埋深的增大而減小。當溶洞埋深大于7m是，溶洞對隧洞的穩定性影響較小。吳治生和張杰[5]綜合采用現場調查和室內試驗對巖溶隧道地質構造與圍巖等級進行了劃分，結果表明，采用提出的劃分方法可以較好的適用于可溶性圍巖級別的確定。結果表明，提出的新的隧道巖溶精細勘察模式在實際應用中行之有效可在類似工區推廣使用。許壘等[6]依托實際工程，采用理論方法推導了巖溶地區壓力分散型錨索的錨固段應力計算公式并與實際現場監測數據進行了對比，驗證了結果的可靠性。

巖溶區溶洞對隧洞穩定性是影響隧洞施工和安全運營的重要因素，為研究可溶巖地區隧洞的穩定性，采用ABAQUS數值模擬建立計算模型，系統的分析溶洞位置及尺寸對隧洞穩定性的影響。本文的研究可為巖溶區隧洞的設計及加固提供參考。

1 工程概況及數值模擬

1.1 工程概況

研究區隧洞位于山區，隧洞全長4km，半徑為3m，埋深約20m。根據鉆孔資料揭示，巖層由上到下分別為填土、粉質黏土、粉細砂、強風化灰巖和微風化灰巖。填土呈褐色，稍濕-濕，結構松散，主要成分為黏土，粒徑50～300mm，欠固結，工程性質較差；粉質黏土呈灰色-褐色，土質均勻，含礫石量20%，成分主要為灰巖，粒徑為10～20mm；粉細砂顏色呈黃色-褐色，稍密，顆粒級配差，顆粒形狀不規則，工程性質較差；強風化灰巖顏色呈灰色-灰黑色，分化強烈，結構破碎。隧洞采用全斷面開挖方式施工，每次掘進5m。根據現場鉆探資料顯示，隧洞與溶洞位于殘積土層。為簡化計算，不考慮溶洞內的水壓力對隧道的變形的影響。

1.2 數值模型

采用ABAQUS數值有限元軟件建立計算模型如圖1所示。根據施工過程，選取24個斷面模擬施工過程。隧洞半徑為3m。為簡化計算，假定溶洞形狀為橢圓形。數值計算模型假定總長度為100m。溶洞與隧洞的凈間距為13m，計算不考慮襯砌對圍巖的約束和支護作用。

圖1 數值計算模型

模型網格采用C3D8R減縮積分單元。模型網格總數為54210。模型分析步驟首先為溶洞土體移除；地應力平衡；模型左右邊界約束水平方向的位移，上下邊界約束水平和豎向位移。巖土體的計算參數見表1。計算本構采用摩爾-庫倫模型。

表1 巖土體材料參數

2 計算結果與分析

2.1 溶洞對隧洞土體位移影響

得到隧洞左側有溶洞和無溶洞對隧洞變形的影響規律如圖2所示。由圖可知，拱頂和拱腰的變形均隨開挖深度的增大先增大后減小。存在溶洞時，隧洞拱頂的徑向變形大于無溶洞時隧洞的徑向位移。存在溶洞時的拱腰位移小于無溶洞時的拱腰位移。導致的原因主要是應力的屏蔽作用。有溶洞和無溶洞的拱頂最大徑向位移分別為32和28mm；拱腰最大徑向位移分別為16和21mm。

圖2 開挖深度與隧洞位移的關系

兩個典型斷面S1和S2不同位置處的地表沉降變形如圖3所示，S1斷面無溶洞，S2斷面存在溶洞。結果表明，隨地表距隧洞中心線距離的增大，地表沉降變形先增大后減小。兩斷面處的地表沉降變形最大值均在中間位置最大。遠離隧洞中線位置的地方，開挖對地表沉降變形的影響較小。溶洞的存在導致S2斷面地表變形總體大于S1斷面。由于溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比，溶洞對于地表變形的影響比隧洞開挖的影響更小。總體來看，地表位置距離隧道的距離大于3倍隧洞直徑時，地表沉降變形較小[7]。

圖3 不同位置處的地表沉降變形

2.2 溶洞尺寸對隧洞土體位移影響

溶洞尺寸對隧洞變形影響曲線如圖4所示。由圖4(a)看出，隧洞拱頂的豎向位移隨溶洞長軸的增大由初始的19mm增大至35mm；隧洞拱底的變形由17mm增大至21mm。溶洞尺寸的大小對隧道拱頂的影響比隧洞拱底的豎向變形影響更大。由圖4(b)看出，隧洞拱頂的水平位移由初始的0mm增大至1.2mm；隧洞拱底的變形由0mm增大至3.8mm。溶洞尺寸的大小對隧洞拱底水平位移的影響比對隧洞拱頂的影響更大。由圖4(c)看出，隧洞右拱腰的水平位移隨由初始的12mm減小至5mm；左拱腰的水平變形由12mm增大至28mm。溶洞尺寸的大小對隧道拱底水平位移的影響比對隧洞拱頂的影響更大。總體來看，溶洞位置與隧道左拱腰距離更近，溶洞尺寸對左拱腰的影響更大。

圖4 溶洞尺寸對隧道變形影響曲線

2.3 溶洞位置對隧道土體安全性影響

溶洞不同位置對隧洞穩定性的影響結果表明，溶洞位于隧道頂部時，安全系數最大，溶洞位于隧道的側面時，穩定性系數最小。穩定性系數最大值和最小值分別為3.25和2.62。總體來看頂部存在溶洞對隧道的變形影響最小，底部存在溶洞對隧洞的影響次之，側面存在溶洞對隧道的變形影響最大。

2.4 溶洞與隧洞凈距對隧道土體位移影響

溶洞與隧洞間距對隧洞變形影響曲線，如圖5所示。由圖5(a)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時，隧洞拱頂的豎向位移由40mm減小至28mm，拱底的豎向變形由47mm減小至40mm。隨著距離的增大，溶洞對隧洞拱頂和拱底的豎向變形影響逐漸減弱；由圖5(b)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時，隧洞拱頂的水平位移由3.9mm減小至1.2mm，而拱底的豎向變形由3.1mm減小至0mm。因此，隨著距離的增大，溶洞對隧洞拱頂和拱底水平變形的影響逐漸減弱，隧洞拱頂水平位移比拱頂水平位移受溶洞與隧道間距更大。由圖5(c)可知，溶洞與隧洞間距由0m增大至18m時，隧洞右拱腰的水平位移由16mm減小至7mm，左拱腰的水平變形由12mm減小至0mm。總體來看，間距大于10m時，進一步增大凈間距，左右拱腰處的圍巖水平變形值趨于0，即溶洞對隧洞圍巖的影響基本可以忽略。

圖5 溶洞與隧洞間距對隧洞變形影響曲線

3 結語

本文依托某地巖溶區隧洞工程，基于ABAQUS數值模擬開展溶洞對隧洞內力及變形的影響。得到如下結論。

(1)隧洞施工過程中，拱頂和拱腰的變形均隨施工進度先增大后減小。溶洞的存在導致隧洞拱頂的徑向變形增大，拱腰位移減小。溶洞對隧洞拱頂和拱底的豎向變形和水平變形影響逐漸減弱。溶洞與隧洞凈間距大于10m時，溶洞對隧洞圍巖的影響可忽略。

(2)溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比時，溶洞對地表變形的影響小于隧洞開挖的影響。頂部溶洞對隧洞的變形影響最小，底部溶洞對隧洞的影響次之，側面溶洞對隧洞的變形影響最大。

(3)由于工程地質條件對研究結果有一定影響，研究結論需要結合其它地質工況進一步分析論證。