舒 進(jìn)，侯軍紅，李 健

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東深圳518052；

隧頂溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響分析

舒 進(jìn)1，侯軍紅1，李 健2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東深圳518052；

2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北武漢430000)

針對某公路隧道巖溶地質(zhì)發(fā)育情況，分析了影響隧道溶洞發(fā)育的主要因素，并基于有限元ANSYS分析軟件，采用D-P準(zhǔn)則，對隧道進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析，研究了隧道頂部不同溶洞位置、不同溶洞規(guī)模對隧道周邊位移及應(yīng)力的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：隧道地層巖性及地下水和地表水作用是影響隧道溶洞發(fā)育兩大主要因素；在相同溶洞規(guī)模影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，其在0.5D范圍內(nèi)為影響明顯區(qū)域，隧道拱底及拱腳位移值變化不明顯；在相同溶洞位置影響下，隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移值及最大主應(yīng)力值隨著溶洞規(guī)模增大而減?。粐鷰r最大位移值及最大主應(yīng)力值出現(xiàn)在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

隧道； 斷層破碎帶； 圍巖穩(wěn)定性； 位移； 應(yīng)力； 數(shù)值模擬

巖溶地質(zhì)在中國各地廣泛分布，越來越多隧道不可避免地穿越巖溶不良地質(zhì)區(qū)域，在巖溶地質(zhì)條件形成過程中，同時(shí)伴隨著侵蝕、沖蝕、崩塌、塌陷與滑動等地質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生，并引發(fā)了一系列隧道施工過程中的災(zāi)害問題：巖溶突泥、涌水、塌方、支護(hù)變形和地表塌陷等[1]。因此研究溶洞大小、溶洞位置對隧道圍巖穩(wěn)定性影響，以期采取合理支護(hù)措施，對指導(dǎo)隧道巖溶地質(zhì)段設(shè)計(jì)與施工具有重大的指導(dǎo)意義。

本文以穿越閩西北山區(qū)某公路隧道為工程背景，在分析其溶洞發(fā)育特殊性及地下水與地表水對其巖溶地質(zhì)影響基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元ANSYS軟件，研究了溶洞位置和規(guī)模對隧道周邊位移及隧道斷面主應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 工程概況

穿越閩西北山區(qū)某公路隧道場址屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；本隧道區(qū)地表水主要分布于洞身的山間小溪，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)性影響變化較大。本隧道區(qū)地下水主要為基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水和基巖裂隙水，受構(gòu)造發(fā)育情況控制，其富水性及導(dǎo)水性一般較弱且不均，洞身位于地下水以下，需考慮水壓力的影響，施工過程中進(jìn)口段有可能遇見溶洞水。隧道洞身和洞頂局部為巖溶發(fā)育區(qū)，根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，溶洞大小約為0.5～1.5m，對隧道圍巖及路基穩(wěn)定影響較大[2]。

2 隧道溶洞發(fā)育影響因素分析

2.1 隧道地層巖性對溶洞發(fā)育影響分析

根據(jù)鉆探、地質(zhì)調(diào)繪、物探及區(qū)域地質(zhì)資料，隧道場區(qū)內(nèi)表層為第四系坡積層，其下基巖很復(fù)雜，由于受區(qū)域構(gòu)造影響，隧道區(qū)的地層因褶皺倒轉(zhuǎn)，隧道地層分析為：石炭系林地組、泥盆系桃子坑組、泥盆系瓦崠組、奧陶系魏坊群地層。由于受沉積環(huán)境影響，各巖性變化規(guī)律性不強(qiáng)，并相互夾帶。主要巖性有：進(jìn)口段林地組石英砂巖、泥巖夾千枚巖下伏船山組灰?guī)r、洞身段為泥盆系桃子坑組及天瓦崠組石英砂巖、石英砂礫巖、砂巖及粉狀砂巖；出口段地層為奧陶系魏坊群變質(zhì)砂巖、千枚狀粉砂巖、泥巖，局部夾硅質(zhì)條帶，地層巖性軟硬相間[2]。

根據(jù)資料顯示，隧道為發(fā)育石炭系船山組灰?guī)r，具有可溶性巖層存在，巖溶蝕作用較為強(qiáng)烈，洞身和洞頂局部為巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞大小不一，對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。本場區(qū)內(nèi)有影響的構(gòu)造又主要為燕山早期亞構(gòu)造回旋，區(qū)內(nèi)發(fā)育褶皺及斷層較多，造成產(chǎn)生壓扭性和逆沖壓性擠壓斷層帶，當(dāng)擠壓斷層帶的下盤受壓，雖破碎但擠壓緊密，不容易發(fā)生透水，而逆壓沖斷層上升盤由于牽引作用，裂隙發(fā)育多成為導(dǎo)水和富水通道，故本隧道巖溶極為發(fā)育。

2.2 地下水和地表水作用對隧道巖溶地質(zhì)影響分析

本隧道地下水發(fā)育主要類型為：基巖全～強(qiáng)風(fēng)化孔隙裂隙潛水和基巖構(gòu)造裂隙水。前者富存于第四系殘坡積層底部及基巖強(qiáng)風(fēng)化帶，后者富存于基巖的節(jié)理裂隙中。

(1)基巖全～強(qiáng)風(fēng)化孔隙裂隙潛水：主要富存于基巖風(fēng)化層的節(jié)理裂隙中，松散的中粗粒結(jié)構(gòu)的巖石風(fēng)化巖層厚度大、透水性好，裂隙較發(fā)育，富水性相對較好。主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量受降雨影響大，山坡、山腳及盆地內(nèi)為徑流區(qū)，多沿?cái)嗔褞Ъ吧钋袦瞎扰判埂?/p>

(2)基巖構(gòu)造裂隙水：主要分布于構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙中，局部具微承壓性。含水性不均勻，在破碎帶及地層不整合接觸帶，水量相對富集。接受大氣降水補(bǔ)給，在山脊、山坡補(bǔ)給后由地表滲入地下，沿風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙順山坡方向由高處向低處徑流。

地下水受大氣降水，地表水徑流補(bǔ)給，流量隨季節(jié)性變化較大，每年雨季4～6月份隧道場區(qū)內(nèi)巖溶水量豐富，埋藏淺，隧道施工易發(fā)生涌噴現(xiàn)象[3]。

3 隧道頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬分析

根據(jù)本隧道前期地勘資料表明：隧道進(jìn)口段為厚層的較松散的破殘積層所覆蓋，見滾石，開挖易產(chǎn)生冒頂、坍塌；隧道出口段基巖受構(gòu)造影響，揉韌強(qiáng)烈，片理化發(fā)育，極破碎。大部分隧道圍巖級別為V級。隧道洞頂局部為巖溶發(fā)育區(qū)，根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，溶洞大小約為0.5～1.5 m，對隧道圍巖穩(wěn)定影響較大，為了有效分析隧道頂部溶洞對隧道施工的影響，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行二維隧道數(shù)值施工模擬分析。

3.1 本構(gòu)模型選取

土體在外力作用下，不僅產(chǎn)生彈性變形，而且還會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形[4]。土的彈塑性本構(gòu)模型能較好地反映土體應(yīng)力路徑、土的硬化和軟化特性。本文采用有限元ANSYS模擬計(jì)算中，采用D-P模型，D-P模型是理想彈塑性模型。

其屈服準(zhǔn)則為[5]：

式中：c為凝聚力；φ為摩擦角。

3.2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型寬100 m，高120 m，隧道埋深90 m，左右邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎直位移約束，隧道計(jì)算參數(shù)見下表1所示。隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法(弧形導(dǎo)坑兩臺階四步法)開挖方案，其復(fù)合支護(hù)構(gòu)造形式為：

(1)初期支護(hù):φ25中空注漿錨桿L=350 cm,間距為100 cm×100 cm梅花型布置。

C25噴射混凝土厚24 cm+φ6鋼筋網(wǎng)+Ⅰ18工字鋼支撐@70 cm。

(2)二次襯砌：C25防水鋼筋混凝土厚45 cm。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3.3 計(jì)算工況模擬

為分析溶洞規(guī)模及位置對隧道圍巖穩(wěn)定性影響，本文選取了如下16種工況(表2)進(jìn)行二維平面計(jì)算分析，計(jì)算中應(yīng)力釋放率為100 %[6-7]，溶洞斷面簡化為圓形，D=10 m，選取隧道拱頂、拱底、拱腳作為關(guān)鍵點(diǎn)研究。

表2 計(jì)算分析工況

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 施工位移分析

分析結(jié)果見表3、圖1～圖3。

表3 隧頂不同溶洞位置及規(guī)模圍巖位移值 mm

圖1 隧道拱頂沉降隨溶洞距離變化

圖2 隧道拱腳水平位移隨溶洞距離變化

圖3 隧道拱底隆起隨溶洞距離變化

由圖1～3可以得到，在V級圍巖條件下：

(1)在相同規(guī)模溶洞影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，其在0.5D范圍內(nèi)為影響明顯區(qū)域，隧道拱底隆起位移值及拱腳水平位移值變化不明顯；

(2)在同一位置溶洞影響下，石林隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移值隨著溶洞直徑的增大而減??；

(3)圍巖最大位移值出現(xiàn)在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

3.4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

應(yīng)力分析結(jié)果見表4、圖4～圖9。

圖4 拱頂距離0.25D最大主應(yīng)力

圖5 拱頂距離0.5D最大主應(yīng)力

MPa

圖6 拱頂距離0.75D最大主應(yīng)力

圖7 拱頂距離1.0D最大主應(yīng)力

圖8 隧道拱頂最大主應(yīng)力隨溶洞距離變化

圖9 隧道拱底最大主應(yīng)力隨溶洞距離變化

由圖4～圖9可以得到，在V級圍巖條件下：

(1)在相同規(guī)模溶洞影響下，隧道拱頂最大主應(yīng)力隨著溶洞距離隧道頂板的距離增大而增大，其在0.5D范圍內(nèi)為影響明顯區(qū)域，拱底最大主應(yīng)力則變化不明顯。

(2)在同一位置溶洞影響下，隧道拱頂及拱底最大主應(yīng)力隨著溶洞規(guī)模增大而減小。

(3)最大主應(yīng)力出現(xiàn)在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

4 結(jié)論

通過對某公路隧道巖溶地質(zhì)發(fā)育情況影響因素分析及使用有限元ANSYS分析軟件對隧道進(jìn)行位移及應(yīng)力二維計(jì)算，根據(jù)計(jì)算及分析結(jié)果，可得以下結(jié)論。

(1)隧道地層巖性及地下水和地表水作用是影響隧道溶洞發(fā)育兩大主要因素；

(2)在相同溶洞規(guī)模影響下，隧道拱頂沉降位移值隨著溶洞距離隧道頂板增大而減小，但最大主應(yīng)力隨著溶洞距離隧道頂板的距離增大而增大，其在0.5D范圍內(nèi)為明顯影響區(qū)域。隧道拱底隆起及拱腳水平位移值與其最大主應(yīng)力值則變化不明顯；在相同溶洞位置影響下，隧道拱頂沉降、拱腳水平位移和拱底隆起位移及最大主應(yīng)力值隨著溶洞規(guī)模增大而減小。

(3)隧道最大主應(yīng)力及圍巖最大位移值出現(xiàn)在溶洞直徑0.25D，距隧道頂部0.75～1D工況下。

[1] 王建宇. 隧道工程監(jiān)測和信息化設(shè)計(jì)原理[M]. 中國鐵道出版社， 1990.

[2] 福建交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 永安至寧化(閩贛界)高速公路A2合同段地質(zhì)勘察報(bào)告[R]. 福州:福建交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 2008.

[3] 王鷹,陳強(qiáng),魏有儀. 巖溶發(fā)育區(qū)深埋隧道水巖相互作用機(jī)理[M]. 北京:中國鐵道出版社,2004.

[4] 高謙,喬蘭,吳順用,等. 地下工程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國建材工業(yè)出版社,2005.

[5] 譚建國. 使用ANSYS6.0進(jìn)行有限元分析[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2002.

[6] 靳曉光，管洪良. 頂部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J]. 西部交通科技,2011(2).

[7] 宋戰(zhàn)平. 隱伏溶洞對隧道圍巖一支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究[D]. 西安:西安理工大學(xué),2006.

舒進(jìn)(1987～)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)、巖土工程等設(shè)計(jì)工作;侯軍紅(1970～),男，隧道專業(yè)總工;李健(1982～),男，工程師。

TU470+.3;U451+.2

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[定稿日期]2015-02-12