張 力，傅鶴林，于 歸，易 達(dá)，金玉良

1.中交四公局，北京 100000

2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410075

不良地質(zhì)巖溶現(xiàn)象在我國分布廣泛，而巖溶發(fā)育會(huì)對隧道建設(shè)帶來不利的影響，影響隧道施工安全。為了有效處理巖溶問題，分析巖溶對隧道施工帶來的影響是十分有必要的。文章依托雙向江玉高速公路香樹坳隧道工程項(xiàng)目，對溶洞影響下的雙線隧道變形和受力進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得隧道圍巖的變形和受力情況，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

貴州省江口至玉屏（大龍）高速公路全長15.624km，是一條雙向四車道高速公路。沿途設(shè)有多個(gè)隧道，其中香樹坳隧道進(jìn)口位于江口縣閔孝鎮(zhèn)中練村附近，出口位于江口縣閔孝鎮(zhèn)中練村附近，左線隧道長1665m，右線長1687m，兩隧道的間距為5.4m。該隧道屬低山地貌單元。山坡較陡，植被較發(fā)育。隧址區(qū)高程556.60～764.80m，相對高差208.2m。隧址區(qū)的地層分布如下：上覆為第四系松散殘坡積成因的黏土及崩坡積成因的塊石土，底部基巖為寒武系下統(tǒng)變馬沖組頁巖、寒武系下統(tǒng)變清虛洞組灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)杷榔組鈣質(zhì)頁巖。項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺和斷裂都較發(fā)育，隧道洞身處還有巖溶發(fā)育。穿越巖溶的隧道段圍巖主要是強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r。巖溶高約4m、寬約10m，巖溶距離隧道頂部約5m。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

香樹坳隧道穿越巖溶模型寬60m（X軸方向），高80m（Y軸方向）。數(shù)值模擬模型圖如圖1所示。采用二維模型模擬巖溶的存在對香樹坳隧道帶來的影響，其中周圍土體采用2D單元模擬，土體的本構(gòu)模型遵循摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。隧道主洞的直徑為10.8m，高度達(dá)到8.6m。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘測和室內(nèi)試驗(yàn)得到了研究區(qū)段的圍巖參數(shù)，具體如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

為了更加全面地分析巖溶給香樹坳隧道帶來的影響，設(shè)雙線香樹坳隧道與溶洞之間的距離為h，文章分別分析了當(dāng)h為1m、2m、3m、4m、5m和6m的不同工況，兩者之間的相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同工況下的隧道橫截面圖

3 結(jié)果與分析

3.1 變形分析

當(dāng)溶洞位置處于兩隧道中間時(shí)，左右線隧道的位移變形情況大致會(huì)沿隧道中心線呈對稱分布。但是對于左線或者右線隧道，隧道周邊圍巖的變形情況并不是對稱分布的，對此，取右線隧道的變形情況進(jìn)行分析。使用軟件計(jì)算后，選擇具有代表性的隧道變形位置進(jìn)行分析。隧道取樣點(diǎn)的具體位置分布如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)位置分布

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制出了在不同工況下的隧道各個(gè)測點(diǎn)位置處的豎直方向上的變形情況，各測點(diǎn)處位移隨距離h的變化曲線如圖4所示。

圖4 各測點(diǎn)處位移隨距離h的變化曲線

從圖4中可以看出，隧道開挖后拱頂處產(chǎn)生沉降，仰拱處產(chǎn)生隆起。拱頂處產(chǎn)生的沉降大于仰拱處產(chǎn)生的隆起，施工過程中需要注意拱頂產(chǎn)生的沉降位移。左右拱腳處產(chǎn)生隆起變形，但是隨著隧道周邊位置逐漸接近溶洞處，隧道周邊的位移慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?。在左右拱腰處產(chǎn)生的變形以沉降為主。

溶洞的存在會(huì)影響隧道開挖后的變形，隨著隧道拱頂與溶洞豎向距離h的增加，仰拱處和左右拱腳處產(chǎn)生的隆起變形逐漸減小，拱頂處和右拱腳處產(chǎn)生的沉降變形逐漸減小。左拱腰處產(chǎn)生的位移隨著距離h的增加先隆起變形減小，后沉降變形增加，并且隨著距離h的增加，位移量逐漸減小。

由于溶洞大致處于左右線隧道的中間位置，水平方向上距離溶洞較遠(yuǎn)位置的隧道周邊圍巖產(chǎn)生的位移情況和距離溶洞距離較近位置的隧道周邊圍巖產(chǎn)生的位移情況不同。具體的差異情形可以根據(jù)上述測點(diǎn)位置處的變化情況來解釋，隧道產(chǎn)生的位移變化并不是沿著中心線呈對稱情況的。左邊部分的隧道周邊圍巖（水平方向上離溶洞較近的位置）產(chǎn)生的變形較大，右邊部分的隧道周邊圍巖（水平方向上離溶洞較遠(yuǎn)的位置）產(chǎn)生的變形較小。于是，仰拱和拱頂產(chǎn)生最大位移的地方偏向于溶洞位置處，但是這種左右不對稱的位移差隨著距離h的增加而逐漸減小。

3.2 受力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到在Y軸方向上，隧道周邊圍巖的內(nèi)力云圖如圖5所示。

圖5 香樹坳巖溶隧道圍巖豎向內(nèi)力云圖

從圖5中可以看出，溶洞的存在使隧道圍巖的內(nèi)力分布不對稱，即靠近溶洞側(cè)的隧道圍巖內(nèi)力大于遠(yuǎn)離溶洞側(cè)的隧道圍巖內(nèi)力。這種不對稱的內(nèi)力分布情況類似于隧道圍巖的變形情況。隨著溶洞與隧道距離增加，溶洞對隧道圍巖的應(yīng)力分布逐漸減小，隧道圍巖的內(nèi)力分布逐漸對稱。

隧道拱腳處的圍巖受到的內(nèi)力最大，施工時(shí)需要注意加固拱腳范圍內(nèi)的圍巖，以防隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。并且隨著h的增加，隧道圍巖應(yīng)力大致呈逐漸減小趨勢。

溶洞與隧道距離的增加使溶洞對隧道圍巖的變形和應(yīng)力影響逐漸減小。這是因?yàn)槿芏磁c隧道的距離越近，越容易受到隧道施工的影響，從而導(dǎo)致溶洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定帶動(dòng)周圍巖土體一同發(fā)生變形作用。但隨著溶洞遠(yuǎn)離隧道，這種變形作用影響越來越難以影響隧道，從而當(dāng)溶洞與隧道距離增加時(shí)，溶洞對隧道圍巖的變形和應(yīng)力影響逐漸減小。

4 結(jié)論

綜上所述，溶洞對雙線隧道的影響規(guī)律如下：

（1）隧道頂部溶洞的存在會(huì)對隧道圍巖的變形和應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。雙線隧道頂部由于溶洞的存在會(huì)使得單一隧道圍巖的變形和內(nèi)力不對稱分布，這種不對稱分布造成隧道周邊位移較難確定，洞體結(jié)構(gòu)變形不符合設(shè)計(jì)要求。隧道不同部位受力不均、不對稱，會(huì)給隧道支護(hù)帶來較大的施工難度。隨著距離h的增加，溶洞對隧道的影響逐漸減小，隧道圍巖的變形和受力情況也逐漸趨于對稱形式。

（2）溶洞與隧道的距離越近，其帶來的影響越巨大。隨著溶洞和隧道距離的增加，隧道圍巖變形逐漸減小，且隨著h的增加，隧道圍巖位移量也逐漸減小，隧道圍巖內(nèi)力大致呈減小趨勢。