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［摘要］

以四川某高速公路巖溶隧道為對象，在巖溶地質(zhì)環(huán)境下，通過FLAC3D軟件，模擬了隧道溶洞穩(wěn)定性數(shù)值。結(jié)果表明，隧道開挖后，當(dāng)隧道與溶洞之間的距離比較遠(yuǎn)時，隧道底部圍巖變形方向豎直向上，與之相反，隧道頂部圍巖變形方向豎直向下，而隧道邊墻圍巖變形方向水平向內(nèi)。當(dāng)隧道底部存在溶洞時，溶洞與隧道底部周圍形成應(yīng)力釋放區(qū)，拱腰附近形成應(yīng)力增高區(qū)。在隧道施工時，要對隧道底板變形方向及大小密切關(guān)注。隨溶洞半徑的增大，應(yīng)變值則減小，隨著溶洞增大，溶洞周圍應(yīng)變出現(xiàn)增大的趨勢，通過對比有無溶洞的應(yīng)變，表明無溶洞應(yīng)變分布較廣，應(yīng)變絕對值要小于有溶洞的值。

［關(guān)鍵詞］

隧道溶洞;穩(wěn)定性;數(shù)值模擬;動態(tài)特征

1概述

目前，我國高速公路交通發(fā)展越來越快，有許多公路隧道修建在巖溶地區(qū)，在山區(qū)建設(shè)高速公路時，公路隧道穿越大巖溶區(qū)的狀況會經(jīng)常遇到［1－3］。巖溶實(shí)質(zhì)是指可溶性巖石受到水的化學(xué)溶蝕作用及具有綜合特征的地質(zhì)作用的統(tǒng)稱。巖溶表現(xiàn)形態(tài)通常包含溶洞、塌陷、洼地、暗河、落水洞、漏斗等。實(shí)踐表明，巖溶地質(zhì)會嚴(yán)重威脅公路隧道工程的運(yùn)營安全及施工［4－6］。因此在進(jìn)行巖溶隧道設(shè)計及施工時，要評價圍巖穩(wěn)定性，在施工過程中，提前進(jìn)行圍巖破壞危險區(qū)域的預(yù)報及預(yù)測，這樣就可對快速安全施工、圍巖噴錨支護(hù)加固類型、巖溶隧道開挖方案進(jìn)行合理選擇［7］。在公路隧道修建中，對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的研究不多，在實(shí)際施工中，處理巖溶區(qū)的隧道工程較多，但對相關(guān)文獻(xiàn)及理論分析則較少。因此，通過數(shù)值模擬，對溶洞處治結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性的安全性及可靠性進(jìn)行研究，意義重大［8］。本文以四川某高速公路巖溶隧道為對象，在巖溶地質(zhì)環(huán)境下，對隧道溶洞穩(wěn)定性的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。

2工程概況

四川某高速公路巖溶隧道的里程為DK226+660～DK227+366，全長650m。根據(jù)有關(guān)地質(zhì)勘察資料顯示，在該隧道區(qū)內(nèi)，從表面多內(nèi)部主要地層依次為:褐黃色硬塑狀砂質(zhì)黏土為第一地層;深灰色薄層狀白云巖、灰色泥質(zhì)為第二地層;黃色泥質(zhì)砂巖為第三地層。隧道涵蓋圍巖類型較多，地質(zhì)復(fù)雜。通過地質(zhì)勘探，在里程DK227+054～+076處存在一個橫斷面類似于橢圓形的溶洞;溶洞走向平行于隧道軸線，該溶洞處于隧道底部正下部，洞內(nèi)為空。溶洞周圍圍巖主要為塊狀鈣質(zhì)泥巖，洞高約7.5－9.0m，寬度約11.0－12.5m，跨度約17.0－20.0m，溶洞頂部到隧道底部深度約5.0－6.0m。隧道周邊通過φ41.5mm的小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)，系統(tǒng)錨桿使用φ25mm砂漿錨桿，仰拱開挖半徑為15.0m，初期支護(hù)使用φ6.2mm鋼筋網(wǎng)，C20噴射混凝土厚24.5cm，二次襯砌C25混凝土厚55cm。

3計算模型與計算參數(shù)

3.1溶洞的簡化處理及隧道模型的建立

在進(jìn)行隧道模擬時，范圍為DK227+045－+060區(qū)間，該段圍巖為第四級，屬于淺埋隧道。根據(jù)對溶洞的勘察，在建模時，將溶洞進(jìn)行簡化，形成中間橢圓柱，左右分別為半橢球的形狀，隧道模型數(shù)值取開挖斷面的最大洞徑4倍較為合適。因隧道正下方為溶洞所處位置，隧道結(jié)構(gòu)對稱，本文計算時只對半部分區(qū)域進(jìn)行考察。建模時，隧道+Z方向取26.7m，－Z方向取27m，隧道+Y方向取29m，橫向±X方向都取27m。計算區(qū)域約束條件分兩種情況，①兩側(cè)邊界水平方向約束，②邊界豎直方向自由;底部邊界水平方向自由，豎直方向約束，頂部也為自由，圖1為溶洞單元網(wǎng)格模型。

3.2FLAC3D軟件

溶洞位置及大小均會影響隧道圍巖，本文通過FLAC3D軟件模擬溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性造成的影響。FLAC3D是一種數(shù)值分析方法，該方法以三維顯示有限差分法為基礎(chǔ)，可模擬巖土及材料的三維力學(xué)特性。通過FLAC3D，劃分單元網(wǎng)格，隨著材料變形，單元網(wǎng)格也相應(yīng)的變形。FLAC3D分析通過顯示有限差分格式，對微分方程進(jìn)行求解，可準(zhǔn)確對材料塑性流動、軟化變形、屈服進(jìn)行模擬，在對施工過程模擬方面優(yōu)點(diǎn)顯著。FLAC3D的建模計算包括前處理、求解和后處理。前處理內(nèi)容包括需要形狀形成、網(wǎng)格生產(chǎn)、命令流編制、材料特性定義、初始條件定義、邊界條件定義、本構(gòu)關(guān)系定義。求解計算的內(nèi)容主要包括合適求解類型選擇、求解選項(xiàng)設(shè)定。后處理的內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)讀取、圖形化顯示等。

3.3計算分析

計算分析要進(jìn)行兩方面的考慮，①影響計算分析與溶洞分布遠(yuǎn)近有關(guān)，隧道距離溶洞分別為2、5、8、11m時，對隧道圍巖應(yīng)力分布與位移及進(jìn)行分析。②溶洞的大小會對計算分析造成影響，在隧道底部，將溶洞位置固定，將溶洞簡化圓柱，其直徑為1、2、3、4m，需要對隧道圍巖位移及應(yīng)力分布進(jìn)行分析。

3.4確定計算參數(shù)

在進(jìn)行模擬時，圍巖材料通過Mohr—Coulomb模型進(jìn)行模擬，開挖通過Null模型進(jìn)行模擬。實(shí)體單元為二次襯砌、初期支護(hù)，通過FLAC3D的Cable單元進(jìn)行模擬確定錨桿參數(shù)。在模擬時，將加固區(qū)圍巖參數(shù)值適當(dāng)提高，簡化處理全環(huán)與超前預(yù)加固區(qū)格柵鋼架支護(hù)。表1為圍巖物理力學(xué)參數(shù)，表2為錨桿的物理力學(xué)指標(biāo)，表3為混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)。

4模擬結(jié)果分析

4.1圍巖變形動態(tài)特征分析

在隧道貫通以后，在R=2m，L=2m、5m、8m、11m斷面處，隧道圍巖豎直位移云圖見圖2，表示斷面隧道底部溶洞從小逐漸變大的過程。由圖2可知:隧道開挖后，當(dāng)隧道與溶洞之間的距離比較遠(yuǎn)時，隧道底部圍巖變形方向豎直向上，與之相反，隧道頂部圍巖變形方向豎直向下，而隧道邊墻圍巖變形方向水平向內(nèi)。在隧道及溶洞的距離慢慢縮小時，圍巖變形特征為圖2中無溶洞的A特征。當(dāng)有溶洞時，在隧道底部拱頂圍巖變形方向向下，邊墻的變形方向則為向內(nèi)收斂，同時其值在不斷的增大，如圖2中的B、C。隨著L的進(jìn)一步增大，隧道底部處圍巖變形最明顯，隧道底部處圍巖已向溶洞方向完全變形，如圖2中的D、E。溶洞頂部圍巖變形量最大，變形方向向下;溶洞側(cè)部圍巖變形方向?yàn)槿芏粗行?，變形量緊隨溶洞頂部;溶洞底部圍巖變形量最小，變形方向向上。為對隧道開挖后的圍巖變形特征進(jìn)行評價，在隧道周邊上，選取關(guān)鍵點(diǎn)，對關(guān)鍵點(diǎn)處圍巖變形特征進(jìn)行分析，圖3為隧道周邊各關(guān)鍵點(diǎn)X方向位移計算值。從圖3可以看出:隨著隧道斷面不斷的與溶洞接近，隧道拱腰與拱腳逐漸接近，水平位移呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢;在隧道拱頂處、仰拱底處水平位移為零;在圍巖X方向，水平位移為零，因此隧道拱頂處、仰拱底處水平位移不受溶洞影響。X方向的位移對拱腳處的影響最大，其次是拱腰處，對拱肩處的影響則最小。圖4為隧道周邊各關(guān)鍵點(diǎn)Z方向位移計算值，由圖4可知:隨著隧道斷面不斷地與溶洞接近，仰拱底與拱腳處的豎向位移均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，拱頂、拱肩、拱腰處均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。受位移增加影響最大是拱腰處，拱肩處次之，受影響則最小的是拱頂處;對于仰拱底與拱腳處而言，這兩者所處位置較為特殊。Z方向上，圍巖變形總體特征是當(dāng)隧道離溶洞比較遠(yuǎn)時，拱腳處、仰拱底向上變形;在隧道及溶洞相距越來越近時，向上位移減小，在某處位移為零;隨后變形向溶洞內(nèi)發(fā)展，隨著溶洞內(nèi)變形增大，沉位移量逐漸增大。在隧道施工時，要對隧道底板變形方向及大小密切關(guān)注。

4.2隧道周邊釋放的位移變化特征

當(dāng)溶洞直徑大小存在差異時，隨著逐漸增加拱頂距離，豎向開挖的各特征點(diǎn)位移變化見圖5。由圖5可知:在隧道底部，溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響包括6方面:①在隧道的底部，水平位移變化特別小，小到可忽略，豎向位移變化則最大;拱腰部位的水平位移變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移;隧道拱頂水平位移變化小到可忽略，豎向位移變化則非常大。②當(dāng)隧道溶洞直徑為4m，溶洞距隧道底部為1m，開挖后位移為12.2mm;溶洞直徑為10m，溶洞與隧道底部距離為1m時，開挖后的位移為13.4mm，因而增大了位移的隆起。③與無溶洞時隧道開挖位移相比，有溶洞時的隧道底面、隧道拱腳豎向位移均要大;拱腰點(diǎn)和拱頂點(diǎn)的豎向位移均要比無溶洞隧道時的開挖位移要小。④隨著溶洞距離增大，隧道底面與隧道拱腳位移呈現(xiàn)減小趨勢，這說明溶洞距離與圍巖開挖位移呈現(xiàn)出反比關(guān)系;溶洞越小，豎向開挖位移越小，溶洞大小與圍巖開挖位移成正比關(guān)系［10］。⑤溶洞距離與溶洞大小成正比關(guān)系，與隧道圍巖開挖豎向位移成反比關(guān)系;溶洞距離越大尺寸越小，抑制圍巖開挖釋放位移作用越小。⑥影響溶洞的距離分界線為5.1m，超過5.1m，隧道受溶洞影響則變的很小。

4.3隧道圍巖豎向應(yīng)力分析

為分析圍巖應(yīng)力分布受隧道底板及溶洞距離、溶洞半徑的影響，選定溶洞頂部距隧道底板為L，溶洞半徑為R，對隧道開挖的情況進(jìn)行模擬，模擬L=2m，R=1m、2m、3m、4m情況下開挖隧道的應(yīng)變，圖6為隧道圍巖豎向應(yīng)力等值線圖。由圖6可知:在拱腰至拱腳部位，均發(fā)生工況最大壓應(yīng)變，當(dāng)增大溶洞半徑，應(yīng)變值減小。當(dāng)保持隧道底板和溶洞頂部距離恒定時，在有隧道最大拉應(yīng)變發(fā)生時，隨著溶洞半徑增大，應(yīng)變值增大。當(dāng)保持隧道和溶洞距離恒定時，最大壓應(yīng)變保持穩(wěn)定，隨著距離的增大，最大拉應(yīng)變則減小。隧道及溶洞間距隨著溶洞的增大而減小，在溶洞周圍，應(yīng)變逐漸增大。當(dāng)溶洞增大某一程度，溶洞自身處理需要加強(qiáng)，確保整個隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在隧道底有溶洞時，在溶洞經(jīng)處理后，應(yīng)變分布范圍較處理前要分散，應(yīng)變值減小顯著;與無溶洞隧道開挖位移相比，隧道及拱腳底面的豎向位移有所增加。通過對比有無溶洞的應(yīng)變，表明無溶洞應(yīng)變分布較廣，應(yīng)變絕對值要小于有溶洞，這是由于隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)，片石混凝土力學(xué)性質(zhì)存在差異，因變形協(xié)調(diào)不一致引起應(yīng)變不分散。

5結(jié)論

本文以四川某高速公路巖溶隧道為對象，在巖溶地質(zhì)環(huán)境下，對隧道溶洞穩(wěn)定性的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論如下:①隧道開挖后，當(dāng)隧道與溶洞之間的距離比較遠(yuǎn)時，隧道底部圍巖變形方向豎直向上，與之相反，隧道頂部圍巖變形方向豎直向下，而隧道邊墻圍巖變形方向水平向內(nèi)。②在隧道及溶洞相距越來越近時，向上位移減小，在某處位移為零;隨后變形向溶洞內(nèi)發(fā)展，隨著溶洞內(nèi)變形增大，沉位移量逐漸增大。在隧道施工時，要對隧道底板變形方向及大小密切關(guān)注。③當(dāng)增大溶洞半徑，應(yīng)變值減小。隨著溶洞增大，隧道及溶洞間距減小，在溶洞周圍，應(yīng)變逐漸增大。當(dāng)溶洞增大某一程度，溶洞自身處理需要加強(qiáng)，確保整個隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在隧道底有溶洞時，在溶洞經(jīng)處理后，應(yīng)變分布范圍較處理前要分散，應(yīng)變值減小顯著;與無溶洞隧道開挖位移相比，隧道及拱腳底面的豎向位移有所增加。通過對比有無溶洞的應(yīng)變，表明無溶洞應(yīng)變分布較廣，應(yīng)變絕對值要小于有溶洞。

［參考文獻(xiàn)］

［1］徐長金，樊浩博，賴金星.溶洞對巖溶隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析［J］．公路交通科技，2013(6):175－177.

［2］靳曉光，管洪良.頂部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析［J］．西部交通科技，2011(2):53－59.

［3］宋戰(zhàn)平，楊騰添，張丹鋒，等.溶洞對隧道(洞)穩(wěn)定性影響的數(shù)值試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，46(4):484－492.

［4］唐偵湛，范海軍，易鑫，等.溶洞分布部位對隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析［J］．公路工程，2013，38(6):198－202.

［5］王奇山.巖溶公路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．北方交通，2016(10):51－56.

［6］戴自航，范夏玲，盧才金.巖溶區(qū)高速公路路堤及溶洞頂板穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］．巖土力學(xué)，2014，35(1):382－390.

［7］宋戰(zhàn)平，綦彥波，趙國祝，等.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用研究［M］，西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

［8］周雪銘，劉輝，彭川，等.巖溶隧道開挖對溶洞處治結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析［J］．巖土力學(xué)，2011，32(1):269－277.

［9］莊旭峰，肖鴻峰，軍，等.巖溶洞穴對隧道的穩(wěn)定性影響及處理措施［J］．長春工程學(xué)院學(xué)報，2011，12(3):14－16.

［10］龔美，黃曉燕.遵畢高速尖山巖溶隧道坍塌數(shù)值模擬與施工控制［J］．公路工程，2013，38(3):42－48.

作者:吳雷雷 單位:中鐵建(海南國際旅游島先行試驗(yàn)區(qū))投資管理有限公司