淺埋偏壓巖溶隧道圍巖應力特征分析

邱飛洋,覃 亮,李國棟,李昌龍

(1.中鐵開發投資集團有限公司 昆明市 650118;2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550081)

0 引言

西南地區巖溶發育,地形起伏,修建隧道時其洞口段往往會同時遭遇淺埋偏壓、節理發育、圍巖破碎、溶洞等多種不良地質構造。復合作用下,若施工方法不當,將對隧道圍巖應力分布造成一定影響,從而導致襯砌變形過大、開裂,對工程安全造成嚴重影響[1]。因此,研究淺埋偏壓隧道開挖的圍巖應力分布對于保障工程質量安全具有重要意義。目前,國內外學者已有大量相關研究。

盧光兆[2]利用有限元軟件對淺埋偏壓隧道不同工法的施工過程進行圍巖穩定性分析,認為進洞施工宜采用中隔墻法和雙側壁導坑法可較好地保證隧道穩定性。袁海清[3]和徐前衛等[4]建立了淺埋偏壓隧道洞口段的有限元分析模型,結合實際工程案例,得出在隧道左右兩邊墻處出現應力集中區,并隨著支護結構的閉合逐漸減小的結論。張頂立等[5]以大跨隧道的復雜地質條件為研究背景,采用理論分析、數值模擬和現場監測相結合的方式對不同施工方法下圍巖變形特征和結構穩定性進行了分析。代樹林等[6]通過數值模擬方法,得到了不同地表傾角下隧道的受力情況。王茜等[7]研究不同施工方案對小凈距隧道圍巖破壞機理及荷載特性的影響。以上研究重點分析了常規情況下淺埋偏壓隧道的圍巖應力特征,但關于存在溶洞時圍巖應力分布特征的研究較少。

鑒于此,文章依托金仁桐建新隧道,分析溶洞對于淺埋偏壓隧道不同施工工序中圍巖應力的分布特征的影響,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

建新隧道位于遵義市桐梓縣官倉鎮建新村。左幅隧道里程樁號Z3K92+385～Z3K93+565,長1180m;右幅隧道里程樁號K92+395～K93+573,長1178m。地貌類型為中低山溶蝕構造型,山體整體橫坡一般為30°～40°,地面標高612～975m,相對高差363m。開挖進口右幅至樁號K92+464里程時,在掌子面右拱腰處有一直徑約8m的溶腔。該處掌子面前方上部以粘土及碎石為主;下部基巖為強風化灰黑色中層灰巖,巖層產狀302°∠30°,巖質較堅硬,巖體破碎,溶蝕裂隙,溶槽發育,圍巖穩定性較差。

2 數值模型

以建新隧道右幅K92+470斷面為研究對象,分別考慮右側溶洞與無溶洞的情況,依據該斷面原始地形及地質條件建立數值模型。如圖1所示,淺埋邊高度取45m,深埋邊高度取91m,地面坡角為21°,覆蓋層厚度為11.7m,模型寬度為93m,溶洞為隧道右側,直徑為8m,溶洞與隧道邊緣間距2m,模型側面邊界及底部采用法向約束,頂部為自由邊界。

該斷面圍巖等級為Ⅴ級,計算參數見表1。采用環形開挖預留核心土法,將施工階段劃分為初始地應力→上導環形坑開挖并支護→左邊墻開挖并支護→右邊墻開挖并支護→上部核心土開挖→下臺階開挖并支護,開挖采用FLAC3D中的“null”單元實現。每次開挖后圍巖先釋放部分應力,根據經驗,取圍巖應力釋放率為30%,各階段襯砌施作采用殼單元實現,計算采用摩爾—庫倫模型。

表1 力學參數

3 受力特征分析

3.1 應力特征分析

從圖2可以看出,施工段一,隧道開挖前,深埋側整體法向應力大于淺埋側,且當深埋側存在溶洞時,s2、s4、s6及s8處法向應力至少提升18%,此時s4為法向應力最大處。施工段二,開挖上部環形導坑后,s1、s2及s3處法向應力得到釋放,同時深埋側s4、s6處及淺埋側s5處法向應力迅速提高。存在溶洞時,s4與s6處法向應力相比無溶洞情況提升約24%,s5處則提升約13%,這是由于上部導坑開挖后,承壓土柱面積減小,豎向載荷由兩側分擔,而溶洞的存在會進一步削減承壓土柱面積,導致法向應力提升,此時s4仍是法向應力最大處。施工段三,開挖淺埋側的左邊墻后,由于荷載較小,除s5處應力得到釋放外,其他位置應力變化不大。施工段四,開挖右邊墻后,深埋側應力得到釋放,無溶洞時,法向應力最大點位于s12處,深埋側存在溶洞時,法向應力最大值位于s13處。施工段四及施工段五,開挖核心土與下臺階對圍巖法向應力影響不大。

圖2 各施工段監測點圍巖法向應力

綜上分析可知,開挖上導坑、左邊墻及右邊墻后,圍巖法向應力會發生較大變化,特別是在s4、s5及s6處,而溶洞會使得變化的幅度更大。除此之外,深埋側存在溶洞時,與無溶洞情況相比,開挖該側邊墻后圍巖法向應力最大值位置可能變化至淺埋側。

3.2 偏壓系數分析

隧道偏壓對圍巖穩定和支護結構受力有較大影響。為了分析隧道不同位置的偏壓程度,引用工程中的不對稱程度表達式[8],以隧道左右兩側圍巖應力差與兩側圍巖應力均值之比定義偏壓系數,計算公式如式(1):

(1)

式(1)中,σ深為隧道深埋側測點圍巖應力,σ淺為隧道淺埋側測點圍巖應力。偏壓系數范圍在0～2,偏壓程度和偏壓系數成正比。

根據法向應力分析,選擇施工段二、施工段三及施工段四進行偏壓程度分析。從圖3可以看出,施工段二中,s2/s3處偏壓系數最大,且存在溶洞時,s4/s5、s6/s7、s8/s9及s12/s13處偏壓程度均高于無溶洞時,在s8/s9及s12/s13處較為明顯;施工段三中,s4/s5及s6/s7處偏壓系數最大,存在溶洞時,各點的偏壓系數均略高于無溶洞情況,在s2/s3處及s12/s13處最為明顯。施工段四中,無溶洞時,s4/s5、s6/s7及s8/s9處偏壓系數均較高,而當存在溶洞時,s2/s3及s12/s13處偏壓系數均有大幅提升,特別是s12/s13處,相較于無溶洞情況偏壓系數提升近10倍。

圖3 施工段二、施工段三及施工段四監測點偏壓系數

綜上所述,施工段三和施工段四中,圍巖整體的偏壓程度會有大幅提升,而圍巖的最大偏壓位置通常在s4/s5處、s6/s7處以及拱肩附近。此外,當深埋側存在溶洞時,往往會導致圍巖整體的偏壓程度提高,特別是在s12/s13處及拱腰附近偏拱腳處,溶洞對圍巖偏壓程度的影響最為明顯。

4 結論

(1)在淺埋偏壓隧道開挖中,圍巖應力分布會不斷發生改變。采用環形開挖預留核心土法時,在開挖深埋側邊墻時變化最大,最大法向應力會從深埋側拱肩位置向深埋側墻腳位置變化,但同時法向應力值也有所衰減,而圍巖的最大偏壓位置也從拱頂附近轉移到拱肩,且圍巖整體的偏壓程度也在不斷提高。

(2)當深埋側存在溶洞時,會導致圍巖應力變化更為劇烈,在拱肩及拱腰附近較為顯著。同時,在開挖深埋側邊墻時,還會導致最大法向應力位置從深埋側跳轉到淺埋側,以及拱腰位置偏壓程度大幅上升。因此,隧道開挖過程中應注意拱腰處應力變化,如發現淺埋側應力大幅超過深埋側時,應當考慮深埋側存在一定規模溶洞的可能性,勘探后再決定下一步施工。

(3)文章僅考慮了深埋側單個溶洞情況。事實上,在建新隧道開挖過程中,還揭露了各種溶隙、溶溝等巖溶構造,與溶洞共同形成復雜的巖溶網絡。這種構造對淺埋偏壓隧道圍巖的應力、變形乃至破壞有待進一步研究。