隧道下伏岩溶空腔围岩稳定性分析

王 运 庆

(中电建路桥集团有限公司,北京 100048)



隧道下伏岩溶空腔围岩稳定性分析

王 运 庆

(中电建路桥集团有限公司,北京 100048)

依托重庆某隧道工程实例，综合地质雷达和超前钻孔两种方法的实际探测结果，采用FLAC软件进行建模，并分析了存在空腔条件下某典型断面竖直方向变形场、最大主应力场和塑性区的计算结果，建议隧道施工过程中应在保证隧道工期的同时，对隧道岩溶空腔灾害进行实时监测和有效处理。

隧道，空腔，围岩，稳定性

0 引言

随着我国国民经济的不断发展，西部大开发和新丝绸之路经济带等西部发展战略如火如荼地进行着，而交通事业是一切经济发展的前提和保障，也必然会保持着迅猛增长态势。在我国西南地区，分布着我国面积最大、发育类型最齐全的岩溶地貌区。岩溶隧道这一特殊工程形式必将在西南地区交通事业的发展过程中大量涌现，据不完全统计，西南地区已经建成和正在建设中的岩溶隧道占隧道总数量的50%[1-3]。

岩溶空腔一般具有隐伏性，前期的勘测很难发现，同时，到目前为止国内外缺乏针对岩溶区隧道建设的规范和指导性文件，因此，岩溶空腔对西南地区隧道的施工建设的安全和进度带来巨大影响。国内外的学者在岩溶空腔对隧道围岩稳定性的影响分析方面已开展大量研究[4-6]，而数值模拟方法是分析岩溶空腔对隧道稳定性影响的主要研究方法之一。如莫春阳[7]采用有限差分软件对岩溶空腔存在于隧道底部情况下围岩变形进行仿真分析；赵明阶等[8-10]采用Drucker-Prager模型，运用二维弹塑性分析分别研究了位于隧道顶部、侧岩和底部大小不同、距离不同的溶洞对隧道周边围岩变形及应力的影响；谭志宏[11]采用摩尔库仑强度准则，对不同的空腔断面形状、大小、位置对隧道稳定性影响进行数值分析。

本文以西南地区某特长岩溶隧道为工程背景，针对此岩溶空腔，采用FLAC3D软件进行模拟分析，得出一些有益研究结论可为类似工程提供一定的参考借鉴。

1 工程概况

重庆礼让隧道左右洞长度分别为5 517.6 m和5 520.7 m，为特长隧道，隧道设计为80 km/h、双向四车道，设计荷载为公路一级，隧道防水等级为二级。现场施工掘进过程中揭露一岩溶空腔，空腔呈持续发展状况。综合采用地质雷达和超前钻孔两种方法对空腔形态、大小及与隧道的相对位置关系进行探测，得出了岩溶空腔的具体情况见图1，图2。

空腔里程桩号为ZK11+710～ZK11+750，位于隧道仰拱正下方3 m～30 m，呈宽而扁的形状，宽约18 m～23 m，高约1.4 m～2.2 m。此段隧道围岩为侏罗系中统新田沟组地层灰、深灰色粉砂质页岩夹薄层砂岩；粉砂质页岩属软岩，岩体受地质构造影响较重，构造裂隙发育，空腔内无明显地下水。经研究决定对空腔段隧道采用台阶法开挖和湿喷技术进行支护。采用2.5 m长φ22药卷锚杆，锚杆按梅花形布置，间距100 cm×120 cm，每延米17.5根，100 cm间距格栅拱架支撑，喷射混凝土采用18 cm厚C20混凝土。

2 数值模型的建立

模拟岩体采用连续性介质力学模型，岩体的变形为各向同性，初始应力场只考虑自重应力，不考虑构造应力，参考隧道设计图纸，与隧道实际尺寸1∶1进行建模。模型范围取开挖断面的3倍～5倍，所研究隧道里程范围为ZK11+710～ZK11+750，包含隧道下方整个空腔段。围岩采用理想的弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，隧道开挖采取FLAC3D中的null模型；锚杆采用Cable结构单元，初喷混凝土采用Shell结构单元，均为弹性本构模型。

由于现场岩溶空腔呈扁平状，且走势与宽高比均为不规则发展，结合FLAC3D模型建立的特点，将空腔断面大体简化成矩形，走势及宽高比变化均在实际情况基础上进行一定简化，空腔模型基本符合现场实际情况。为了获得较准确的模拟结果，同时避免运算时间过长，隧道及空腔周围单元进行了加密处理，而周边围岩单元则较疏，通过FLAC3D中attach face指令进行共面单元的连接，保证了力传输的连续性，模拟结果显示效果良好。围岩及初支物理力学参数见表1。

表1 围岩及初支物理力学参数

3 围岩稳定性数值分析

下面对隧道存在完整复杂岩溶空腔情况进行数值计算，以ZK11+735断面为例，分别讨论了隧道围岩的变形场、应力场及塑性区分布规律。

3.1 竖直方向变形分析

图3表明，ZK11+735断面左右侧隧道初支及围岩变形场围绕空腔有较大差异，左右极不对称。变形场分布极不规则，以空腔上缘和右侧隧道拱底分别为下沉、上凸变形发展中心，在模型左下部、中间岩柱及模型右下部岩体形成了三个上凸、下沉变形场的交汇面。下沉变形最大值点在空腔上边缘，为-49.6 mm；左侧隧道拱底变形由上凸变为下沉，拱顶变形沉降最大值为-29.4 mm；右侧隧道下沉变形最大值点在拱顶，其值为-35.3 mm，拱腰处下沉变形为-23.6 mm，拱底上凸变形为32.7 mm。

空腔至左侧隧道底面围岩形成了贯通的下沉变形场，下沉变形剧烈，考虑到拱底在隧道掘进同时还要承受较多的施工荷载，应在此段隧道对拱底围岩进行加强支护。中间岩柱十分活跃，变形自上而下变化极快，围岩稳定性很低。

3.2 最大主应力分析

图4表明，ZK11+735断面因左侧隧道拱底下方存在空腔应力场较复杂。隧道拉应力区主要集中在隧道初支及空腔附近岩体，最大拉应力为2.68 MPa；最大压应力存在于右侧隧道右侧岩体，其值为-1.22 MPa。左右侧隧道拱顶上方岩体压应力比较小，变化较缓；右侧隧道右侧岩体出现明显受压应力集中区域，中间岩柱靠近右侧隧道区域出现与空腔贯通的压应力区。左侧隧道下方拉应力区与空腔贯通，右侧隧道受拉区域明显小于左侧隧道。

邻近空腔的隧道受拉区域和最大拉应力值均大于远离空腔段隧道，在隧道掘进时应该对此段隧道的初支及隧道底部岩体进行持续的监测，必要时进行相应的支护增强；远离空腔隧道右侧岩体有明显的压应力集中区，压应力值较大，空腔与远离空腔隧道间岩体存在一定的压应力集中区。

3.3 塑性区分析

图5表明，ZK11+735断面空腔存在单侧洞下方，邻近空腔一侧塑性区整体范围远大于远离空腔的隧道，而隧道拱顶上方围岩塑性区范围远小于远离空腔一侧隧道，空腔左下方、隧道左上方、隧道右上方塑性区均延伸至模型边界，远离空腔一侧隧道右下方塑性区较小。

塑性区均正在发生或者曾经发生剪切破坏；同时发生拉、剪破坏区主要集中在空腔周围及隧道初支附近岩体；空腔周围塑性区都与两侧隧道贯通；中间岩柱均为正在发生剪切破坏集中区域；远离空腔一侧隧道右下方岩体塑性区范围较小；两侧隧道初支塑性破坏区域较少。

4 结语

1)通过有限差分软件对存在空腔条件下ZK11+735断面竖直方向变形场、最大主应力场和塑性区的计算结果分析可以发现：由于空腔邻近一侧隧道，两侧隧道的变形场、应力场和塑性区均以空腔为影响中心发散分布；邻近空腔一侧隧道普遍会受到较大影响，远离空腔一侧隧道，因空腔位置不同而受到不同程度的影响。

2)建议对于类似的工程问题可以先根据现场情况结合以往的工程经验对隧道支护进行变更加强，在隧道向前掘进的同时采用数值软件对空腔段隧道开挖支护进行模拟分析，了解空腔灾害对隧道施工稳定性造成的具体影响，掌握隧道及周边围岩的危险部位，再依据现场施工环境制定空腔治理方案。在保证隧道工期的同时，对隧道岩溶空腔灾害进行实时监测和有效处理。

[1] 刘宇涛,谢世友.中国西南地区岩溶地貌发育影响因素分析[J].许昌学院学报,2010,29(2):143-146.

[2] 管洪良,郝 杰.隧道顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析[J].山西建筑,2010,36(32):313-315.

[3] 张庆松,力术才,韩宏伟,等.岩溶隧道施工风险评价与突水灾害防治技术研究[J].山东大学学报(工学版),2009,39(3):106-110.

[4] 徐成进,王木群.隧道底部溶洞的处理及溶洞对隧道围岩稳定性影响的研究[J].公路工程,2011,36(1):102-108.

[5] 宋战平,綦彦波,李 宁.顶部既有隐伏溶洞对圆形隧道稳定性影响的数值分析[J].岩土力学,2007,28(sup):485-489.

[6] 曹 勇.隧道拱顶溶洞处治及溶洞对隧道围岩稳定性影响分析[J].湖南交通科技,2012,38(2):111-129.

[7] 莫春阳.底部隐伏空腔隧道施工过程中的围岩变形分析[J].中外公路,2011,31(3):225-229.

[8] 赵明阶,刘绪华,敖建华,等.隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析[J].岩土力学,2003，24(3):445-449.

[9] 赵明阶,王学军,刘绪华,等.隧道侧岩岩溶分布对围岩稳定性影响的数值模拟研究[J].重庆建筑大学学报,2003,25(1):6-11.

[10] 赵明阶,敖建华,刘续华,等.隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析[J].重庆交通学院学报,2003,22(2):20-40.

[11] 谭志宏.岩溶区隐伏空洞对路桥工程稳定性影响的研究[D].沈阳:东北大学,2008:90-137.

Analysis on the stability of underling cavity karst surrounding rock under the tunnel

Wang Yunqing

(ChinaPowerConstructionHighway&BridgeGroupCo.,Ltd,Beijing100048,China)

Based on Chongqing tunnel engineering example, the paper comprehensively considers actual survey results by applying two methods of geological radar and advanced drilling, makes an establishment by applying FLAC software, analyzes calculation results of the vertical deformation field, maximum stress field and plastic region of the typical section under the cavity condition, and suggests to guarantee tunnel construction duration and to carry out timely monitoring and effective treatment for processing tunnel karst cavity disasters.

tunnel, cavity, surrounding rock, stability

1009-6825(2016)28-0163-03

2016-07-21

王运庆(1981- )，男，工程师

U451.2

A