呂濤，董增春，高文立

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310000；2.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006）

1 工程概況

某巖溶隧道為雙洞雙向隧道，全長(zhǎng)2 870 m，左右洞測(cè)設(shè)線有2.98～29.8 m的間距。所處地質(zhì)條件為巖溶地貌，有著較大的地形起伏，最大埋深180 m?；诂F(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果可知，該隧道所經(jīng)區(qū)域與其垂直相交有兩條斷層，并有顯著的地表水系，地下水對(duì)隧道僅有較小的影響[1]。

為確定巖溶地質(zhì)對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，本文將采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行建模分析。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 三維數(shù)值建模

該隧道使用的是復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)錨桿、鋼支撐以及鋼拱架等組成。其中，以3.5 m長(zhǎng)的錨桿，按照1 m的環(huán)向間距和0.75 m的縱向間距設(shè)置系統(tǒng)錨桿；布置φ8 mm@200 mm×200 mm的鋼筋網(wǎng)，并在其上噴射C20混凝土，厚度為26 cm。在對(duì)開(kāi)挖進(jìn)行模擬時(shí)，使用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型作為圍巖模型；以實(shí)體單元作為初期支護(hù)，以板單元作為二次襯砌，均以彈性模擬本構(gòu)模型；以植入式桁架單元作為錨桿，模型中不對(duì)地下水進(jìn)行考慮。為使圍巖參數(shù)得以提高，采用簡(jiǎn)化的方式模擬鋼支護(hù)，以各施工工法的施工工序?yàn)闇?zhǔn)進(jìn)行添加。在建模時(shí)，將溶洞簡(jiǎn)化成半圓球加圓柱加半圓球的形狀，約有1～5 m的半徑[2]。

2.2 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬

在模擬時(shí)先對(duì)溶洞形成階段進(jìn)行模擬，再對(duì)隧道開(kāi)挖階段進(jìn)行模擬。首先，基于圍巖參數(shù)進(jìn)行地層的生成，以產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng)；再基于此形成溶洞，以產(chǎn)生二次應(yīng)力場(chǎng)；最后，模擬隧道開(kāi)挖隨后支護(hù)以產(chǎn)生最終應(yīng)力場(chǎng)，并且在模擬隧道施工時(shí)，不考慮溶洞導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為對(duì)隧道施工時(shí)的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，選取如圖1所示幾個(gè)典型斷面進(jìn)行監(jiān)控[3]。

圖1 巖溶隧道監(jiān)控剖面示意圖

3 施工工法對(duì)巖溶隧道穩(wěn)定性的影響

3.1 留核心土法

隧道從起點(diǎn)開(kāi)始開(kāi)挖至各典型斷面時(shí)的豎向位移如表1所示。

表1 典型斷面隧道周圍特征位置豎向位移計(jì)算值mm

從表1結(jié)果可知，隧道施工時(shí)，仰拱底和拱頂有相對(duì)較大的豎向位移。當(dāng)隧道施工和巖溶區(qū)不斷接近并穿越時(shí)，仰拱底豎向位移不斷增加。在30 m斷面時(shí)，仰拱底有16.2 mm的豎向位移，在施工到40 m斷面時(shí)，仰拱底有20.0 mm的豎向位移。當(dāng)隧道開(kāi)挖面開(kāi)始進(jìn)入巖溶區(qū)時(shí)，在45 m斷面時(shí)隧道拱頂有最大的豎向位移。隧道拱肩豎向位移在施工到巖溶區(qū)后不斷增大，并在50 m斷面位置出現(xiàn)最大值，拱腰位置則有相對(duì)較小的豎向位移，拱腳變化較小[4]。

進(jìn)一步分析可知，在仰拱處有著最為顯著的位移增量，其原因在于隧道底部巖體因溶洞而變得軟弱，對(duì)于仰拱而言，在完成隧道的開(kāi)挖之后巖體剛度有所降低，故使得仰拱出現(xiàn)較大的向上位移。此外，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，在隧道的拱腰處存在較大的水平位移，并且隨著隧道施工的推進(jìn)，其影響范圍不斷增大。當(dāng)巖溶區(qū)有隧道進(jìn)入時(shí)，在隧道開(kāi)挖后拱腰處的圍巖開(kāi)始向中心收縮，相比于右側(cè)拱腰圍巖而言，左側(cè)拱腰處的圍巖有著更大的水平位移。

3.2 C R D法開(kāi)挖

從表2可以看出，隧道施工時(shí)，拱頂和仰拱有相對(duì)較大的豎向位移。當(dāng)巖溶區(qū)和施工面接近時(shí)，隧道拱頂豎向位移不斷增加，且在40 m斷面位置出現(xiàn)最大值。施工面在巖溶區(qū)時(shí)則有所降低，此時(shí)，拱腳和拱腰豎向位移不斷增加。

表2 典型斷面隧道周圍特征位置豎向位移計(jì)算值mm

當(dāng)隧道施工至巖溶區(qū)時(shí)，仰拱處并無(wú)較大的豎向位移產(chǎn)生，但當(dāng)巖溶區(qū)中有隧道進(jìn)入時(shí)，圍巖的豎向位移出現(xiàn)了較大的增量，隧道仰拱在50 m斷面處有著最大的豎向位移。因此，對(duì)于仰拱的豎向位移而言，當(dāng)巖溶區(qū)未有隧道進(jìn)入時(shí)，溶洞并未對(duì)其產(chǎn)生影響。50 m斷面處隧道位移變化如圖2所示。

圖2 50 m斷面處隧道位移變化圖

在50 m斷面處，兩個(gè)特征點(diǎn)在第15步開(kāi)挖前均具有較小的豎向位移，此后其豎向位移則不斷增大，仰拱的位移量到開(kāi)挖第21步時(shí)比拱頂?shù)囊?，仰拱的變形量?3步開(kāi)挖時(shí)保持在20 mm周圍，拱頂則有著15 mm左右的沉降。此外，在隧道拱腰處有著顯著的水平位移，并且該位移在隧道進(jìn)入巖溶區(qū)之后逐漸向溶洞擴(kuò)大。當(dāng)巖溶區(qū)中有隧道進(jìn)入的時(shí)候，隧道拱腰表現(xiàn)出向中心收攏的變形，水平位移表現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。

4 施工工法對(duì)比分析

從上述分析可知，兩種施工方法均會(huì)對(duì)圍巖變形產(chǎn)生影響?；谒媒Y(jié)論，相比于其他位置的位移而言，隧道的拱頂以及拱頂處有著較大的位移。對(duì)比拱頂以及仰拱處在不同工法下的位移變化規(guī)律。

對(duì)于圍巖的位移而言，不管是何種施工方法，在圍巖位移場(chǎng)中，拱頂處均表現(xiàn)為沉降，仰拱處均表現(xiàn)為突起，拱腰處均表現(xiàn)為收斂。當(dāng)巖溶區(qū)與開(kāi)挖面不斷接近時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖位移產(chǎn)生的影響越來(lái)越大。對(duì)于圍巖的變形量而言，當(dāng)巖溶區(qū)所產(chǎn)生的影響較小時(shí)，拱頂位置比起仰拱位置有著更大的變形量。當(dāng)巖溶區(qū)中有隧道進(jìn)入時(shí)，對(duì)于隧道的底部巖體而言，溶洞的存在弱化了其整體性，并且其仰拱和周圍土體的變形剛度在開(kāi)挖完隧道后均有所降低，使得仰拱處比起拱頂有著更大的變形量。

基于上述分析可知，在隧道施工時(shí)應(yīng)對(duì)其拱頂和拱肩有著較大位移的位置進(jìn)行局部加強(qiáng)。位移變化主要表現(xiàn)為拱頂?shù)某两狄约把龉暗穆∑?，拱腰處位移較小。隧道圍巖，支護(hù)參數(shù)及其設(shè)置時(shí)間是影響圍巖位移的重要因素。因CRD法施工的不對(duì)稱性，隧道的位移存在不對(duì)稱性。在實(shí)際施工時(shí)，當(dāng)巖溶區(qū)中有隧道開(kāi)挖時(shí)，采用CRD法比起留核心土法有著更小的拱頂沉降，但兩種施工工法所導(dǎo)致的仰拱位移基本一致。采用留核心土法施工時(shí)，對(duì)于仰拱處的豎向位移而言，其大約有一個(gè)半徑的影響范圍，而使用CRD法進(jìn)行施工時(shí)其影響范圍有所減小。

基于溶洞所處的具體位置，針對(duì)其最具代表性的監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)展分析。對(duì)比30 m斷面處和50 m斷面處的拱頂沉降的實(shí)測(cè)結(jié)果以及模擬結(jié)果后可得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

相比于數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果有著更大的數(shù)值，原因主要在于現(xiàn)場(chǎng)地下水等的存在，使得實(shí)際地質(zhì)情況更復(fù)雜。但無(wú)論是實(shí)測(cè)結(jié)果還是模擬結(jié)果都在允許范圍內(nèi)，即數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本保持一致，能夠在一定程度上準(zhǔn)確反映施工情況。

5 結(jié)論

基于上述分析可知：

1）當(dāng)隧道施工至巖溶區(qū)時(shí)，仰拱位移急劇增長(zhǎng)，并且因?yàn)槿芏吹拇嬖?，弱化了底部巖體的整體性，仰拱和周圍土體的變形剛度均有所降低，導(dǎo)致仰拱處出現(xiàn)了更大的位移。

2）以留核心土法進(jìn)行施工時(shí)，巖溶區(qū)在30 m斷面處即對(duì)隧道的豎向位移產(chǎn)生影響，而采用CRD法進(jìn)行施工時(shí)，巖溶區(qū)在40 m斷面處才對(duì)其產(chǎn)生影響。

3）對(duì)于上述兩種施工方法可知，對(duì)于隧道圍巖的豎向位移而言，相比于CRD法，以留核心土法進(jìn)行施工時(shí)該值較大，在最大位移處應(yīng)適當(dāng)對(duì)圍巖進(jìn)行加固。

4）對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)可知，兩者具有較為一致的變化規(guī)律，表明以模擬結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，所得規(guī)律可應(yīng)用于實(shí)際工程中?；诎踩约敖?jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行考慮，該項(xiàng)目以預(yù)留核心土的方法進(jìn)行施工更加合適。