付慶

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

隧道穿越灰?guī)r地質(zhì)時(shí)經(jīng)常遭遇大小及方向各異的溶洞，發(fā)育復(fù)雜的溶洞給隧道修建和后期運(yùn)營(yíng)帶來極高風(fēng)險(xiǎn)，最簡(jiǎn)單、最有效的方法就是確保溶洞和隧道間保持足夠的安全距離。趙明階等運(yùn)用有限元軟件分析了不同跨度溶洞與隧道的不同空間分布對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響；王勇等基于彈塑性理論和數(shù)值模擬方法，分析了隧道底部溶洞頂板安全厚度的影響因素，利用多元線性回歸方法得出了安全厚度預(yù)測(cè)模型；劉悟輝等采用FLAC軟件分析了路基和溶洞在汽車荷載作用下產(chǎn)生的塑性變形；Chen W. Z.等通過數(shù)值模擬及實(shí)地測(cè)量，推導(dǎo)了評(píng)價(jià)大型地下洞室開挖穩(wěn)定性的蠕變-損傷耦合模型；李奎采用ANSYS軟件研究了開挖過程中隧道圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律；曹茜、宋建禹采用有限元軟件建立了溶洞與隧道的安全距離預(yù)測(cè)模型；邱新旺通過有限元軟件分析了影響溶洞和隧道安全距離的因素，建立了溶洞位于馬蹄形隧道底部、頂部和側(cè)部位置時(shí)安全距離預(yù)測(cè)函數(shù)；李集等建立了巖溶隧道防突巖層安全距離估算公式。溶洞與隧道間巖體安全距離的影響因素較多，且由于巖溶發(fā)育特征復(fù)雜，研究結(jié)果的推廣受到局限，針對(duì)具體工程必須具體研究。該文以黔張常鐵路QZCZQ-I標(biāo)段桑植隧道施工為例，采用ADINA軟件建立三維數(shù)值模型，模擬隧道側(cè)部存在球形隱伏溶洞及其不同形態(tài)對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響，為施工措施制定提供借鑒。

1 工程概況

桑植隧道設(shè)計(jì)見圖1。該隧道為雙線隧道，起于上洞街鄉(xiāng)二戶溪村，與二戶溪2號(hào)中橋常德端臺(tái)尾相接，自東向西橫穿利福塔鎮(zhèn)，與郭家臺(tái)特大橋黔江端臺(tái)尾相接，全長(zhǎng)5 058.25 m。該隧道穿越可溶性地層，橫穿的山脈巖層總體沿N-S走向，巖性復(fù)雜多變，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，植物覆蓋率高，地勢(shì)陡峭，工程差異極大，巖溶、巖溶水發(fā)育強(qiáng)烈，地質(zhì)復(fù)雜?？紫端饕嬖谟谝愿迟|(zhì)和少量碎石為主的河谷地段，基巖裂隙水主要賦存于隧洞進(jìn)口及洞身附近，賦水量主要受地質(zhì)構(gòu)造制約，受降雨影響較小。

圖1 桑植隧道斷面圖(單位：cm)

2 分析模型的建立

隧道開挖一般會(huì)對(duì)3～5倍開挖跨度范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生較大擾動(dòng)，由此選擇計(jì)算模型的尺寸為縱向(X方向)70 m、橫向(Y方向)90 m、豎向(Z方向)90 m(見圖2)。

圖2 隧道側(cè)部溶洞三維有限元模型

隧道沿X方向，底部中線位于縱向45 m、豎向40 m處，隧道圍巖簡(jiǎn)化為均質(zhì)彈塑性材料，計(jì)算采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，其物理力學(xué)參數(shù)按表1設(shè)定。將溶洞簡(jiǎn)化為球體或橢球體，溶洞中心位于模型縱向的中部，每循環(huán)進(jìn)尺3 m，模型上部邊界為應(yīng)力邊界，埋深對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響通過施加上覆巖體的自重力進(jìn)行模擬，重力加速度為9.8 N/kg。

表1 圍巖的力學(xué)參數(shù)

3 溶洞形態(tài)對(duì)安全距離的影響

3.1 溶洞跨度對(duì)安全距離的影響

假定隧道埋深為70 m，模擬溶洞跨度(直徑)從6 m按2 m遞增至16 m時(shí)對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溶洞跨度對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響

由圖3可知：溶洞跨度從6 m增加至16 m時(shí)，隧道和溶洞間安全距離逐漸增加，增加幅度分別為12.9%、12%、4%、2.9%和3.5%，增加幅度減緩，總的增幅為40%。

3.2 隧道埋深對(duì)安全距離的影響

假定隧道跨度(直徑)為10 m，研究隧道埋深從50 m按照25 m遞增至150 m時(shí)及隧道埋深200 m對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 隧道埋深對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響

由圖4可知：隧道和溶洞間安全距離與隧道埋深近似成直線遞增關(guān)系，直線斜率約為2.8%；隨著埋深按照50%的幅度增加，安全距離以約19%的幅度遞增。

3.3 溶洞高跨比對(duì)安全距離的影響

三維模型中橢球形溶洞的大小由X、Y、Z三軸半徑?jīng)Q定，分別為a、b、c(見圖5)。

圖5 橢球形溶洞尺寸示意圖

在隧道埋深為70 m的條件下，假定溶洞體積不變，高跨比按照橢球在X、Y和Z方向尺寸的不同變化分為3種工況，研究溶洞高跨比對(duì)隧道和溶洞間安全距離的影響。工況1為橢球在Y方向半徑固定，通過Z和X方向的尺寸比實(shí)現(xiàn)高跨比變化；工況2為橢球在X方向半徑固定，通過Z和Y方向的尺寸比實(shí)現(xiàn)高跨比變化；工況3為橢球在X和Y方向尺寸相同，高跨比通過Z與X或Y方向的尺寸比變化來體現(xiàn)。

3.3.1 工況1下溶洞高跨比對(duì)安全距離的影響

Y方向尺寸不變，設(shè)Z與X方向的尺寸比為R1，R1從0.5以0.5增幅遞增至3，不同高跨比對(duì)應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖6。

圖6 高跨比R1與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖6可知：工況1下，高跨比為1時(shí)所需安全距離最大，即橢球在XZ平面投影為圓形時(shí)對(duì)應(yīng)的安全距離最大；無論高跨比是增大還是減小，對(duì)應(yīng)的安全距離均減小。高跨比大于1時(shí)，安全距離與高跨比基本成線性遞減關(guān)系。

3.3.2 工況2下溶洞高跨比對(duì)安全距離的影響

X方向尺寸不變，設(shè)Z與Y方向的尺寸比為R2，其變化與R1相同，不同高跨比對(duì)應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖7。

圖7 高跨比R2與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖7可知：工況2下安全距離隨著高跨比的增大而增加，并最終趨向于定值。說明溶洞在隧道縱向和橫向的發(fā)育程度對(duì)安全距離的影響規(guī)律不同，縱向高跨比增加對(duì)安全距離的影響大于橫向高跨比增加對(duì)安全距離的影響。

3.3.3 工況3下溶洞高跨比對(duì)安全距離的影響

X和Y方向尺寸相等(溶洞跨度，見表2)，高跨比以Z和X或Y方向的尺寸比來體現(xiàn)，設(shè)為R3，其變化與R1和R2相同，不同高跨比對(duì)應(yīng)的隧道和溶洞間安全距離見圖8。

表2 高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

圖8 高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離的關(guān)系

由圖8可知：工況3下，高跨比R3與隧道和溶洞間安全距離關(guān)系的變化趨勢(shì)與工況1基本一致，安全距離隨著高跨比的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。與工況1不同的是，工況3下安全距離最大值對(duì)應(yīng)的高跨比為1.5，而非高跨比1(橢球體變成球體)時(shí)的安全距離。高跨比大于2.5時(shí)，安全距離基本不增大，趨向于定值。

4 結(jié)論

(1) 隱伏溶洞位于隧道側(cè)部時(shí)，隧道與溶洞間安全距離與溶洞跨度成正比關(guān)系，但增幅逐漸減小。

(2) 溶洞跨度固定時(shí)，隧道埋深與隧道與溶洞間安全距離表現(xiàn)為近似直線遞增關(guān)系。

(3) 隧道正右側(cè)等體積溶洞形態(tài)對(duì)隧道與溶洞間安全距離的影響主要體現(xiàn)在溶洞在隧道縱斷面的投影面積、溶洞側(cè)腔巖體支撐能力及頂部巖體成拱能力上，溶洞的高跨比R2對(duì)安全距離的影響最大，R1次之，R3最小，即溶洞在隧道縱斷面的投影面積越大，所需安全距離越大；投影面積不變，球形溶腔所需安全距離最大。