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        拱部溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響

        2018-03-16 09:23:20
        鐵道建筑 2018年2期
        關(guān)鍵詞:溶洞拱頂巖溶

        李 科

        (中國(guó)建筑第七工程局有限公司西南公司,重慶 400000)

        1 工程概況

        季洞隧道位于廣東省,設(shè)計(jì)為雙線分離式隧道,最大埋深238 m。隧址區(qū)地下水豐富,隧道洞身段圍巖以灰?guī)r為主,巖溶十分發(fā)育,施工建設(shè)中揭示不少溶洞,尺寸、位置均變化?;谙嚓P(guān)學(xué)者的研究成果[1- 4],結(jié)合數(shù)值分析并采用模型試驗(yàn),對(duì)隧道施工穿越巖溶地區(qū)時(shí)拱部溶洞對(duì)圍巖變形的影響進(jìn)行研究。

        2 隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬

        為了探究拱頂及拱腰處溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響,采用有限元分析軟件FLAC 3D對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行二維模擬。

        2.1 溶洞大小及相對(duì)位置的確定

        溶洞分別位于隧道拱頂及拱腰處,距隧道凈距分別為1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 m。將溶洞形狀簡(jiǎn)化為直徑4,6,8,10 m的圓[5-6]。

        2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)的確定

        隧道穿越溶洞段多為Ⅳ級(jí)圍巖,選取S-IVc型襯砌斷面對(duì)其進(jìn)行模擬。隧道洞徑為17 m,隧道左右兩側(cè)均取5倍洞徑,下側(cè)取4倍洞徑、上側(cè)取距隧道拱頂50 m。隧道與溶洞數(shù)值模型見(jiàn)圖1。

        圖1 隧道及溶洞數(shù)值模型

        數(shù)值模擬時(shí)忽略隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的動(dòng)態(tài)受力,圍巖采用Mohr-coulomb模型,開(kāi)挖方法按實(shí)際情況采用全斷面開(kāi)挖。隧道圍巖參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 隧道圍巖參數(shù)

        無(wú)溶洞時(shí)隧道橫斷面不同位置處位移見(jiàn)表2。溶洞位于隧道拱頂、拱腰時(shí)豎向位移隨溶洞距隧道距離變化曲線見(jiàn)圖2。其中,D為圓形溶洞的直徑。

        表2 無(wú)溶洞時(shí)隧道橫斷面不同位置處位移

        圖2 溶洞位于拱頂、拱腰時(shí)豎向位移隨溶洞距隧道距離變化曲線

        由表2和圖2可知:①拱部溶洞的存在會(huì)使圍巖變形增大,并且變形會(huì)向著無(wú)溶洞側(cè)移動(dòng);②拱部溶洞距隧道的距離在1/3隧道洞徑以內(nèi)時(shí)溶洞對(duì)圍巖變形的影響很大,超過(guò)1/3隧道洞徑影響顯著減小。因此,可將1/3隧道洞徑作為溶洞對(duì)該隧道變形影響的臨界距離。

        3 模型試驗(yàn)研究

        以該巖溶隧道為研究對(duì)象,按1∶25相似比進(jìn)行隧道開(kāi)挖模型試驗(yàn),探究不同大小、不同位置溶洞在隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)圍巖變形的影響[7-10]。試驗(yàn)中分別將溶洞設(shè)置在掌子面前方拱頂及拱腰處,分別將溶洞設(shè)置為直徑10,15,20 cm的球體。采用百分表及位移計(jì)對(duì)隧道周邊收斂和拱頂沉降進(jìn)行量測(cè)。

        在距洞口50 cm斷面拱腰及拱頂分別設(shè)置直徑15 cm溶洞,采用三臺(tái)階法開(kāi)挖,進(jìn)行2個(gè)完整循環(huán),開(kāi)挖至距洞口45 cm斷面處停止,即根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,設(shè)置溶洞距隧道的距離在1/3隧道洞徑以內(nèi),確保二者距離在影響距離以內(nèi)。

        直徑15 cm溶洞存在于不同位置,隧道開(kāi)挖時(shí)周邊收斂和拱頂沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。改變?nèi)芏创笮。謩e設(shè)置直徑10,15,20 cm溶洞于拱腰處,同樣工況下進(jìn)行隧道開(kāi)挖,隧道周邊收斂和拱頂沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。

        圖3 直徑15 cm溶洞存在于不同位置時(shí)周邊收斂及拱頂沉降時(shí)程曲線

        圖4 不同大小溶洞位于拱腰時(shí)周邊收斂及拱頂沉降時(shí)程曲線

        由圖3和圖4可知:①當(dāng)溶洞存在于不同部位和大小不同時(shí),隧道的洞周收斂及拱頂沉降均隨開(kāi)挖時(shí)間的增長(zhǎng)呈S形變化。這是因?yàn)樗淼篱_(kāi)挖后土體受到擾動(dòng),發(fā)生應(yīng)力重分布;圍巖向隧道內(nèi)產(chǎn)生擠出變形,由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在,變形受到限制,洞周收斂及拱頂沉降增長(zhǎng)緩慢;當(dāng)開(kāi)挖至溶洞對(duì)隧道產(chǎn)生影響的臨界距離時(shí),隧道周邊收斂和拱頂沉降急劇增大;隨著時(shí)間的推移,圍巖達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),變形趨于穩(wěn)定。②溶洞尺寸越大,隧道周邊收斂及拱頂沉降越大。

        4 結(jié)論

        1)開(kāi)挖隧道時(shí)拱部溶洞的存在會(huì)使圍巖變形增大,而且變形會(huì)向著無(wú)溶洞一側(cè)移動(dòng)。

        2)拱部溶洞距隧道距離不超過(guò)1/3隧道洞徑時(shí),溶洞對(duì)圍巖的影響很大,超過(guò)此距離時(shí)影響明顯減小。

        3)不同部位和不同大小的溶洞均會(huì)使隧道圍巖變形不同程度地增大。隧道開(kāi)挖后周邊收斂和拱頂沉降均隨時(shí)間呈S形變化,最終趨于穩(wěn)定。

        [1]李術(shù)才,周宗青,李利平,等.巖溶隧道突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論與方法及工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(9):1858-1867.

        [2]周雪銘,劉輝,彭川,等.巖溶隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞處治結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2011,32(1):269-275,303.

        [3]沈祥明,劉坡拉,汪繼鋒.基于層次分析法的鐵路巖溶隧道突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010,27(12):56-63.

        [4]汪海波,劉文解,馬成,等.大斷面隧道溶洞處理技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2014,54(11):75-77.

        [5]何翊武,傅鶴林,羅立峰,等.隧底巖溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響的理論解[J].土木工程學(xué)報(bào),2014,47(10):128-135.

        [6]朱國(guó)偉.非充填型溶洞發(fā)育位置及大小對(duì)隧道施工的影響分析[J].鐵道建筑,2015,55(6):41-44.

        [7]趙明階,敖建華,劉緒華,等.巖溶尺寸對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(2):213-217.

        [8]汪海波,劉文解,馬成,等.大斷面隧道溶洞處理技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2014,54(11):75-77.

        [9]趙明階,劉緒華,敖建華,等.隧道頂部巖溶對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2003,24(3):445-449.

        [10]郭佳奇,喬春生.橢圓孔口塑性區(qū)及其在巖溶隧道工程中的應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報(bào),2013,35(3):108-114.

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