徐友強(qiáng)

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司， 四川 成都 610000）

0 引言

巖溶在我國(guó)分布范圍十分廣，占到我國(guó)國(guó)土面積的1 3，在巖溶區(qū)修建隧道一直以來都是工程界的一大難題，復(fù)雜多變的地質(zhì)情況難以預(yù)測(cè)。近年來我國(guó)的交通建設(shè)量與日俱增，在巖溶地區(qū)修建公路、鐵路隧道工程將越來越多，特別是在西部、西南部山區(qū)，線路常常是穿越了巖溶地區(qū)，由于巖溶地區(qū)的特殊性、施工技術(shù)限制和目前我國(guó)對(duì)巖溶的研究的局限性，常常在巖溶隧道開挖過程中出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)和抵抗的災(zāi)害——突水、涌泥、坍塌等，給施工人員的生命財(cái)產(chǎn)和工程造成巨大的損失。

目前，我國(guó)的專家、學(xué)者針對(duì)巖溶雙連拱隧道的修建有一定的研究，王炎[1]以百靖高速公路 1號(hào)連拱隧道為依托，采用數(shù)值模擬的方法研究溶洞位置、規(guī)模以及方向?qū)B拱隧道中隔墻的影響并提出了不同巖溶條件下中隔墻的限制長(zhǎng)度。張建明[2]針對(duì)兩河口隧道連拱隧道結(jié)構(gòu)特征和巖溶地質(zhì)特征，對(duì)巖溶地區(qū)的雙連拱隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。陳均甫[3]利用有限差分軟件分析了巖溶區(qū)雙連拱隧道在不同開挖錯(cuò)距下的圍巖穩(wěn)定性。馮軍武[4]分析了巖溶地區(qū)雙連拱隧道的特點(diǎn)，提出了三導(dǎo)洞緊跟開挖方法。林春嬌[5]等對(duì)巖溶地區(qū)公路雙連拱隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了報(bào)道分析。張甘成等[6]報(bào)道了雙連拱隧道底部采用拱梁結(jié)構(gòu)跨越溶洞的工程實(shí)例，并探討了計(jì)算模型的建立和計(jì)算荷載的確定方法。陳洪濤等[7]通過有限元的方法，研究了巖溶地區(qū)巖溶地區(qū)隱伏溶洞存在的連拱隧道區(qū)段開挖施工過程中，埋深對(duì)中隔墻和圍巖的應(yīng)力、位移的影響。

雙連拱隧道與單洞的開挖存在較大的差異，主要體現(xiàn)在開挖跨度大，開挖需要按照規(guī)范錯(cuò)距開挖，因此會(huì)引起由于施工方法帶來的偏壓效應(yīng)，在巖溶地區(qū)周圍隱伏溶洞的存在同樣可能造成隧道結(jié)構(gòu)受到偏壓的效果[8]，研究周圍隱伏溶洞存在時(shí)雙連拱隧道開挖的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)巖溶區(qū)雙連拱隧道修建的安全、穩(wěn)定有著重大的意義。

1 工程概況

在建中的宜賓至敘永高速公路，是四川省“十二五”期間規(guī)劃建設(shè)的高速公路，項(xiàng)目全長(zhǎng)約110公里。石人山隧道屬宜敘高速公路第14分部，為連拱隧道，隧道起點(diǎn)里程K64+635，終點(diǎn)里程K64+990，隧道全長(zhǎng)355米。在施工過程中通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)以及揭露了多處周圍隱伏溶洞，在右線 K64+700側(cè)面探測(cè)到距離隧道5m的非充填型溶洞，溶洞直徑約5m，呈梨形；在右線K64+812底部探測(cè)到距離隧道3m的非充填型溶洞，溶洞直徑約3m，呈球形；在右線K64+883側(cè)面探測(cè)到距離隧道10m的非充填型溶洞，溶洞直徑約9m，尺寸較大；隧道在開挖過程中也時(shí)常揭露溶蝕性管道、溶蝕性裂縫等巖溶分支，給隧道的施工帶來了一定的安全隱患。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

針對(duì)石人山雙連拱隧道實(shí)際情況，對(duì)實(shí)際工程簡(jiǎn)化后建立模型，旨在探究雙連拱一側(cè)溶洞對(duì)隧道初期支護(hù)受力的影響規(guī)律。將巖溶空腔簡(jiǎn)化為球形，換算到二維有限元模型中，空腔簡(jiǎn)化成圓形。

圖1 模型示意圖

如圖1所示，該模型中溶洞為圓形，直徑為6m，距離隧道4米，隧道部分網(wǎng)格劃分較細(xì)，模型中的元素包括雙連拱中的圍巖（實(shí)體單元）、中隔墻（實(shí)體單元）、初期支護(hù)（殼單元）、二次襯砌（實(shí)體單元）。

2.2 參數(shù)的選取

在模型中，圍巖采用摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性材料模型，開挖區(qū)采用空模型（null），初期支護(hù)為殼單元，二次襯砌為實(shí)體單元，均為彈性模型。計(jì)算所用材料的參數(shù)均采用試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的灰?guī)r和白云巖層的巖體物理力學(xué)參數(shù)。

表1 模型材料相關(guān)參數(shù)

2.3 工況設(shè)置

為了研究雙連拱一側(cè)隱伏溶洞的大小、距離對(duì)雙連拱隧道初期支護(hù)的影響，總共設(shè)置9種不同的工況，由三種不同的距離（4m、9m、14m）和三種不同的溶洞大?。?m、6m、8m）組合而成。如表2所示：

表2 工況設(shè)計(jì)

2.4 開挖步驟及檢測(cè)點(diǎn)

由于石人山隧道的重要性，根據(jù)隧道巖溶段的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，結(jié)合施工單位的施工技術(shù)條件和機(jī)械設(shè)備狀況，巖溶段隧道開挖方法選用中導(dǎo)正洞三步開挖法。開挖時(shí)按設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，施工中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整。

3 模擬結(jié)果分析

中隔墻在雙連拱隧道中的核心支撐結(jié)構(gòu)，很好的起到了減跨的效果，中墻的穩(wěn)定性直接關(guān)系到雙連拱隧道的穩(wěn)定性以及圍巖的承載體系調(diào)整過程，判識(shí)中隔墻穩(wěn)定性的因素較多，在此主要選取中隔墻垂直方向的應(yīng)力（szz）和水平方向的位移（xdisp）兩個(gè)因素，重點(diǎn)分析雙連拱在側(cè)面溶洞影響下表現(xiàn)出的偏壓效果。

3.1 對(duì)中隔墻受力的影響

對(duì)十種不同工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取、處理后，繪制成等值線云圖（szz），分析雙連拱側(cè)面溶洞對(duì)中隔墻垂直應(yīng)力的影響。

圖2 工況0與工況1下的szz

如圖2所示，工況0是無溶洞存在的情況下中隔墻的垂直應(yīng)力云圖，中隔墻頂部等值線分布左右對(duì)稱，垂直應(yīng)力從4MPa增加至7MPa，未出現(xiàn)偏壓效應(yīng)；到中隔墻中部，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯的左右不對(duì)稱，垂直應(yīng)力從8MPa增加至10MPa，右側(cè)的受力大于左側(cè)。工況1中，中隔墻頂部從4 MPa等值線開始就出現(xiàn)左右不對(duì)稱分布，垂直應(yīng)力從3MPa增加至11MPa，到中隔墻中部，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯的左右不對(duì)稱，右側(cè)的受力大于左側(cè)，同一水平面的垂直應(yīng)力最大相差4MPa。

圖3 工況2與工況3下的szz

工況2（圖3）中，中隔墻頂部從4MPa等值線開始就出現(xiàn)左右不對(duì)稱分布，垂直應(yīng)力從4MPa增加至11MPa，到中隔墻中部，垂直應(yīng)力出現(xiàn)明顯的左右不對(duì)稱，右側(cè)的受力大于左側(cè)，同一水平面的垂直應(yīng)力最大相差4MPa，在中隔墻底部從8 MPa的等值線開始出現(xiàn)不對(duì)稱分布。工況3中的垂直應(yīng)力分布類似，只是在中隔墻底部從7 MPa的等值線開始出現(xiàn)不對(duì)稱分布。

采用同樣的分析方法對(duì)其余的6種工況進(jìn)行分析，綜合得出：

（1）側(cè)面溶洞存在的情況下，中隔墻頂部和底部一定范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力是左右對(duì)稱分布，在中隔墻中部則出現(xiàn)左右不對(duì)稱分布，中隔墻中部靠近溶洞側(cè)垂直應(yīng)力最大，往左應(yīng)力減小。

（2）同樣的條件下，增大溶洞的直徑或減小溶洞與隧道的距離會(huì)使得中隔墻中部近溶洞側(cè)的垂直應(yīng)力增大。

3.2 對(duì)中隔墻變形的影響

對(duì)十種不同工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取、處理后，繪制成等值線云圖（xdisp），分析雙連拱側(cè)面溶洞對(duì)中隔墻變形的影響，考慮到對(duì)中隔墻安全影響評(píng)判指標(biāo)較多，主要針對(duì)偏壓效應(yīng)帶來的水平位移進(jìn)行分析，因此分析中隔墻十種工況下的水平位移。

圖4 工況0與工況1下的xdisp

工況0（圖4）下，此時(shí)無溶洞影響，中隔墻水平位移量很小，最大的水平位移出現(xiàn)在頂、底部左右兩側(cè)，中隔墻右側(cè)向左側(cè)產(chǎn)生位移，左側(cè)反之。工況 1中溶洞的出現(xiàn)，使得中隔墻中部向遠(yuǎn)離溶洞方向產(chǎn)生變形，最大約0.8mm。

圖5 工況2與工況3下的xdisp

隨著溶洞的遠(yuǎn)離，這種影響逐漸減弱，綜合對(duì)比分析工況 1、2、3中中隔墻的變形可以發(fā)現(xiàn)（圖5），在側(cè)面溶洞的影響下，中隔墻中部會(huì)往遠(yuǎn)離溶洞方向發(fā)生變形，直徑4m的溶洞距離隧道9m時(shí)，中隔墻中部水平位移為0.7mm，距離14m時(shí)為0.6mm。

采用同樣的分析方法對(duì)其余的6種工況進(jìn)行分析，綜合后得出：

（1）側(cè)面溶洞對(duì)中隔墻變形的影響主要體現(xiàn)中隔墻中部的水平位移，從結(jié)構(gòu)上講是中隔墻在中部承受了彎矩，導(dǎo)致中隔墻中部向遠(yuǎn)離溶洞的方向產(chǎn)生了變形。

（2）同樣的條件下，增大溶洞的直徑會(huì)使得中隔墻中部變形量增大；而同樣條件下，溶洞從鄰近隧道到遠(yuǎn)離的過程中，中隔墻中部的變形量會(huì)先增大在減小。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道的偏壓主要由地質(zhì)和施工引起，雙連拱隧道由于錯(cuò)距開挖會(huì)造成偏壓，而側(cè)面溶洞的存在同樣會(huì)引起偏壓，影響到隧道結(jié)構(gòu)的受力分布，應(yīng)力的不均勻、不對(duì)稱分布可能造成結(jié)構(gòu)在薄弱點(diǎn)因應(yīng)力集中而發(fā)生破壞從而降低隧道的安全性。本文依托宜敘高速雙連拱隧道的建設(shè)，通過設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)，針對(duì)中隔墻在側(cè)面溶洞影響下的變形、受力進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論和建議：

（1）側(cè)面溶洞存在的情況下，中隔墻中部靠近溶洞側(cè)垂直應(yīng)力最大，往左應(yīng)力減小。同樣的條件下，增大溶洞的直徑或減小溶洞與隧道的距離會(huì)使得中隔墻中部近溶洞側(cè)的垂直應(yīng)力增大。

（2）側(cè)面溶洞會(huì)使得中隔墻中部一致向遠(yuǎn)離溶洞的方向產(chǎn)生變形。同樣的條件下，增大溶洞的直徑會(huì)使得中隔墻中部變形量增大；而同樣條件下，溶洞從鄰近隧道到遠(yuǎn)離的過程中，中隔墻中部的變形量會(huì)先增大在減小。

（3）建議在此類工程中，對(duì)中隔墻的配筋進(jìn)行改進(jìn)，偏壓使得中隔墻在中部承受一定的彎矩，應(yīng)當(dāng)提高中隔墻靠近溶洞側(cè)的配筋率，以增強(qiáng)該側(cè)結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。