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