岩溶隧道开挖稳定性的三维数值分析*

张军， 刘洋洋， 李求常

(1.长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114；2.长沙南方职业学院， 湖南 长沙 410208)

由于超前地质预报的局限性及对掌子面突泥涌水机理缺乏认知，岩溶隧道施工中频繁发生突泥涌水、塌方等现象，分析隧道开挖过程中不同大小、不同位置溶洞对开挖面应力及位移的影响，进而研究隧道突泥涌水机理很有必要。针对岩溶隧道开挖稳定性，史世雍、李培楠、徐长金等运用有限元软件分析了隧道顶部溶洞分布对围岩稳定性的影响；蒋颖利用有限差分软件分析了不同位置溶洞对隧道围岩稳定性的影响；吴梦军、王高波、郭而东等通过分析溶洞发育程度和位置对围岩施工力学行为的影响，总结了岩溶地区公路隧道围岩位移场、塑性区的分布规律；赵明阶等运用相似模型试验和数值分析成果，分析了岩溶区公路隧道全断面开挖中围岩变形特性，提出了岩溶区域全断面开挖隧道围岩变形时空曲线的一般模式；宋战平等运用原位试验分析了不同位置、不同尺度隐伏溶洞对隧道围岩空间位移变化的影响。前述研究一般以无填充的干溶洞为主，而实际中存在大量有填充物(或水)溶洞，隧道施工过程中溶洞被揭露，填充物(或水)从掌子面涌出形成突泥(或涌水)，对施工安全造成威胁。该文以永吉(永顺—吉首)高速公路务西作隧道为工程背景，通过三维数值分析，研究溶洞位置、大小及间距对隧道开挖稳定性的影响。

1 工程概况

务西作隧道属于中长隧道，处于岩溶较发育区段，地下水主要为岩溶裂隙水，主要发生在灰岩裂缝。隧道开挖过程中遇到各种不同位置、不同大小的溶洞。

2 隧道开挖数值模拟

结合工程实际情况，利用MIDAS/GTS有限元软件模拟隧道开挖过程中掌子面前方顶部不同洞径(1.1、3.3、5.5、8.25 m)、不同间距(1.1、3.3、5.5、8.25 m)溶洞对各开挖断面围岩应力及位移的影响。

2.1 有限元几何模型建立

计算模型选取务西作隧道YK9+807—815开挖断面尺寸按隧道洞径3倍向周围延伸，水平方向取100 m，竖直方向取80 m，轴向取45 m(见图1)。根据务西作隧道设计资料和工程经验确定各计算参数(见表1)。

图1 隧道数值计算模型

表1 计算参数

隧道开挖采用上下台阶法或预留核心土台阶法，进行数值分析时近似模拟计算区域的连续变化。分成15步进行开挖，每一步开挖进尺3 m，然后进行锚杆施工、喷射砼，如此循环进行，直至掌子面达到溶洞中心处。

2.2 计算结果分析

2.2.1 拱顶沉降

溶洞大小一定时，拱顶沉降随溶洞间距和水平距离的变化见图2；溶洞间距一定时，拱顶沉降随溶洞大小与水平距离的变化见图3。

图2 溶洞直径D=1.1 m时各开挖断面拱顶沉降随溶洞间距Dy和水平距离Dx的变化

图3 溶洞间距Dy=3.3 m时各开挖断面拱顶沉降随溶洞直径D和水平距离Dx的变化

由图2可知：溶洞直径D=1.1 m时，开挖至开挖断面Dx=9 m和Dx=6 m处，拱顶沉降随着溶洞间距的增大而减小，沉降值相对较小；开挖至Dx=3 m处，Dy=3.3～5.5 m时，沉降值有所增加；Dx=0时，拱顶沉降随溶洞间距增大呈减小趋势，且沉降值较大。

由图3可知：溶洞间距Dy=3.3 m时，开挖断面Dx=9 m处，不同大小溶洞拱顶沉降值相差不大；开挖至Dx=6 m和Dx=3 m时，沉降差异逐渐明显；Dx=0时，拱顶沉降随着溶洞直径的增加而增大。

2.2.2 拱脚水平位移

溶洞大小一定时，拱脚水平位移随溶洞间距和水平距离的变化见图4；溶洞间距一定时，拱脚水平位移随溶洞大小和水平距离的变化见图5。

图4 溶洞直径D=1.1 m时各开挖断面拱脚水平位移随溶洞间距Dy和水平距离Dx的变化

图5 溶洞间距Dy =1.1 m时各开挖断面拱脚水平位移随溶洞直径D和水平距离Dx的变化

由图4可知：溶洞直径D=1.1 m时,开挖断面Dx=9 m与Dx=6 m处，拱脚水平位移变化趋势基本一致，随溶洞间距变化不明显；Dx=3 m处，Dy=1.1～3.3 m时，拱脚水平位移变化较大；Dx=0时，拱脚水平位移达到最大，且随着溶洞间距的增大而减小。

由图5可知：溶洞间距一定时，不同开挖断面拱脚水平位移随溶洞大小变化的趋势基本一致，均为随着溶洞直径的增大而增加；Dx=9 m和Dx=6 m时，拱脚水平位移量值随溶洞直径的变化不大；Dx=0时，拱脚水平位移达到最大。

2.2.3 拱顶最大主应力

溶洞大小一定时，拱顶最大主应力随溶洞间距和水平距离的变化见图6；溶洞间距一定时，拱顶最大主应力随溶洞大小和水平距离的变化见图7。

图6 溶洞直径D=1.1 m时各开挖断面拱顶最大主应力随溶洞间距Dy和水平距离Dx的变化

图7 溶洞间距Dy=1.1 m时各开挖断面拱顶最大主应力随溶洞直径D和水平距离Dx的变化

由图6可知：溶洞大小一定时，开挖断面Dx=9 m和Dx=6 m处，拱顶最大主应力随溶洞间距的增大变化不明显；Dy=5.5 m时，拱顶最大主应力最大值出现Dx=0处，最小值位于Dx=9 m处，且最大主应力出现在溶洞间距较小处。

由图7可知：溶洞间距Dy=1.1 m时，开挖断面Dx=9 m和Dx=6 m处，拱顶最大主应力随溶洞直径的增加而增大，变化趋势较平缓；Dx=3 m，直径为1.1 m时拱顶最大主应力最小，拱顶最大主应力最大值位于开挖断面Dx=0处。

2.2.4 拱脚最小主应力

溶洞大小一定时，拱脚最小主应力随溶洞间距和水平距离的变化见图8；溶洞间距一定时，拱脚最小主应力随溶洞大小和水平距离的变化见图9。

图8 洞径D=3.3 m时各开挖断面拱脚最小主应力随溶洞间距Dy和水平距离Dx的变化

图9 溶洞间距Dy=1.1 m时各开挖断面拱脚最小主应力随溶洞直径D和水平距离Dx的变化

由图8可知：溶洞大小一定时，开挖断面Dx=9 m和Dx=6 m处，拱脚最小主应力变化趋势基本一致，随着溶洞间距的增加而增大；Dy=8.25 m时，拱脚最小主应力值最大；Dx=3 m和Dx=0时，拱脚最小主应力值变化不大。

由图9可知：溶洞间距Dy=1.1 m时，开挖断面Dx=9 m和Dx=6 m处，拱脚最小主应力随溶洞直径的增大而减小；D=5.5 m时变化趋于平缓；Dx=0时，拱脚最小主应力值最小。

3 结论

运用MIDAS/GTS 三维有限元软件模拟岩溶隧道施工过程，得到不同位置、不同大小溶洞对各开挖断面围岩应力及位移的影响。主要结论如下:

(1) 溶洞大小一定时，开挖断面距离溶洞越近，拱顶沉降越大；距离较远时，溶洞间距变化对拱顶沉降影响不大，开挖至溶洞正下方时沉降值较大。溶洞间距一定时，开挖断面离溶洞越近，拱顶沉降越大；洞径越大，沉降越大。

(2) 溶洞大小一定时，拱脚水平位移随溶洞间距的增大而减小，溶洞间距较大时，变化趋于平缓；溶洞间距一定时，随着溶洞尺寸的增加，拱脚水平位移呈增大趋势，离溶洞越近增量越大，开挖至Dx=0时，拱脚水平位移达到最大。

(3) 溶洞大小一定，开挖断面由远至近时，最大主应力有一定幅度增大，开挖至溶洞正下方时应力最大，最大值出现在溶洞间距较小的位置；溶洞间距一定时，最大主应力整体上随溶洞尺寸的增大而增大，Dx=0时最大主应力最大，应适当加强支护。

(4) 溶洞大小一定时，拱脚最小主应力随溶洞间距的增大而增大，开挖断面由远及近时，最小主应力有一定幅度减小，应适当加强这类溶洞隧道的拱脚支护；溶洞间距一定时，拱脚最小主应力随着溶洞直径的增大而减小，开挖至溶洞正下方时最小主应力最小。