何 競

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

喀斯特是一種比較普遍的地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶地質(zhì)對隧道工程的影響是不可避免的。該文以某底部含有溶洞的小凈距隧道為例，分析處于中夾巖柱下部的溶洞對隧道施工掘進(jìn)的影響[1-2]。具體包括局部塑性區(qū)發(fā)展、圍巖位移變化、開挖巖體斷面應(yīng)力場的分布規(guī)律等，旨在為類似工程建設(shè)指供一定層面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 工程概況

因受穿越山體地質(zhì)、地形情況的限制，某公路隧道工程項(xiàng)目，采用分離式隧道、小凈距結(jié)構(gòu)，其夾巖柱最小間距為15 m；圍巖級別為Ⅳ級，巖性為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，巖體完整性系數(shù)0.6[3]。通過現(xiàn)場勘測和地質(zhì)預(yù)報(bào)，在K167+475處，在距離隧道仰拱17 m的夾巖柱下，發(fā)現(xiàn)了一處高11.2~12.1 m、8~9.1 m寬、18.2~19.5 m縱深的干溶洞。隧道溶洞洞室段襯砌的設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 溶洞段部分隧道洞身的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：m）

2 圍巖受力分析時計(jì)算參數(shù)的確定

通過ABAQUS有限元力學(xué)分析軟件對隧道進(jìn)行了掘進(jìn)與支撐結(jié)構(gòu)的模擬，根據(jù)新奧法的原理，把二次襯砌視為較安全的巖體，而忽略其支護(hù)效果，僅作為安全儲備層結(jié)構(gòu)，表1列出了計(jì)算中所采用的圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖體和支撐結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)數(shù)值模擬參數(shù)表

3 有限元分析模型的構(gòu)建

結(jié)合現(xiàn)場工況，分離式隧道左、右兩孔均采用單側(cè)導(dǎo)坑法工藝進(jìn)行掘進(jìn)，工藝順序見圖2。不考慮錨桿和臨時支撐方案，分析圍巖開挖過程對圍巖的變形和應(yīng)力的作用，得出了溶洞對圍巖安全的影響。

圖2 施工工序圖

4 模擬分析的計(jì)算結(jié)果

4.1 圍巖塑性區(qū)分析

隧道圍巖掘進(jìn)階段的應(yīng)力再分配是必然的，小凈距隧道施工工序多，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化比較復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而形成塑性區(qū)。同時，由于溶洞的存在，會進(jìn)一步影響隧道開挖時的圍巖應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑性區(qū)之間的相互連通，從而形成危險(xiǎn)的滑動面。通過模擬現(xiàn)場工況和參數(shù)設(shè)置，建立了相應(yīng)的有限元模型，得出了隧道圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律[4-5]：

（1）在先行洞第1步、第2步開挖后，洞身巖土體塑性區(qū)、右側(cè)拱腰處塑性區(qū)呈增大趨勢，但塑性區(qū)的發(fā)育變化不太明顯，有一定的擴(kuò)展。在先行洞第3步開挖后，在隧道的左拱腰處出現(xiàn)一個塑性區(qū)，該區(qū)域的寬度大約在3 m。

（2）在先行洞開挖第4步后，左拱腰部位的塑性區(qū)向拱腳延伸，其寬度也增加到3.1 m，在施工過程中，應(yīng)注意隧道右側(cè)拱腳的保護(hù)。

（3）在后行洞第1、2步開挖后，已產(chǎn)生的塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，其他范圍的塑性區(qū)無顯著改變。

（4）在后行洞第3步開挖后，溶洞洞室的左上塑性區(qū)顯現(xiàn)，并與先行洞左側(cè)拱腳塑性區(qū)相連通，采取注漿、鎖腳錨固等措施進(jìn)行加固。

從上述結(jié)果可以看出，此隧道施工的先行洞對后行洞塑性區(qū)的發(fā)育沒有明顯的影響。但因溶洞的存在，造成先行洞開挖第4步，后行洞開挖第3步，形成連通的塑性區(qū)，對施工安全構(gòu)成威脅。

4.2 圍巖位移分析

選擇與隧道拱頂、仰拱同一高程的兩排特征點(diǎn)，并與沒有溶洞條件下的豎向變形做比較[6]。取中夾巖柱上其特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)為0，其豎向位移的分布如圖3和圖4所示。

圖3 拱頂特征點(diǎn)位移圖

圖4 仰拱底部特征點(diǎn)位移圖

（1）由圖3可知：1）由于溶洞的存在，拱頂?shù)淖冃物@著增加，有溶洞時，沉降為1.13 mm，無溶洞時其下沉量為1.02 mm；2）在有溶洞的情況下，中夾巖柱的沉降量為2.71 mm，不含無溶洞的情況下，沉降量為1.39 mm。結(jié)果表明，由于溶洞的出現(xiàn)，使隧道拱頂?shù)南鲁亮棵黠@增加。

（2）由圖4可知：1）溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大，存在溶洞時隆起量0.07 mm，無溶洞時其隆起量0.03 mm；2）中夾巖柱上的特征點(diǎn)在有溶洞的情況下有?1.39 mm隆起量，不存在溶洞的情況下只有0.15 mm。這表明，由于溶洞的存在，中夾巖柱的基底周圍的圍巖隆起量比無溶洞隧道洞身巖土開挖要大得多。

（3）選擇兩處隧道拱腰部位的4個特征點(diǎn)，分別對洞身周圍的收斂性進(jìn)行了研究，圖5和6分別給出了洞周收斂和荷載作用下的分布。從圖5和6可以看出：1）溶洞的存在對左側(cè)洞身周圍巖體的收斂性有較大的影響，使左洞洞周的收斂性是負(fù)值；2）在右洞洞身開挖時，溶洞對左側(cè)洞周的收斂性影響比右側(cè)大；3） 溶洞對先行洞周洞收斂性的影響要大于后行洞洞周收斂程度。

圖5 右洞洞周收斂位移變化

圖6 左洞洞周收斂位移變化

4.3 隧道掘進(jìn)圍巖應(yīng)力變化

經(jīng)模擬現(xiàn)場工況、參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了有限元模型構(gòu)建計(jì)算，得出隧道掘進(jìn)施工階段最大主應(yīng)力值，具體包括拱頂、仰拱處、中夾巖柱位置的拱肩、拱腳共4個部位的最大主應(yīng)力變化曲線[7-8]（見圖7）。從圖7可以看出，在掘進(jìn)過程中，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開挖面周圍。

圖7 隧道周邊特征點(diǎn)主應(yīng)力變化分布云圖

（1）在后行洞施工期間，洞周圍的拉應(yīng)力與先洞的發(fā)展趨勢類似，拱腰處圍巖最大主應(yīng)力也為壓應(yīng)力。

（2）在右洞開挖施工期間，發(fā)現(xiàn)左側(cè)洞右側(cè)拱腳的最大主拉應(yīng)力為0.05 MPa。

由以上分析可知，由于隧道底部有溶洞，導(dǎo)致了溶洞附近的拱腳、遠(yuǎn)離溶洞拱肩處，兩處為最大應(yīng)力區(qū)[9-10]。

5 結(jié)論

綜上所述，該分離式小凈距隧道，因其中夾巖柱底部有溶洞，對隧道掘進(jìn)的洞身圍巖受力產(chǎn)生了不利影響，對掘進(jìn)階段圍巖塑性區(qū)發(fā)展、圍巖塑性區(qū)聯(lián)通、圍巖應(yīng)力變化等問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的對策：

（1）在后行洞施工中，其塑性區(qū)受隧道先導(dǎo)洞的影響不明顯。在靠近溶洞的隧道拱腳處，由于溶洞的作用，如形成相互聯(lián)通的塑性區(qū)，施工階段要特別重視在拱腳處采用加固措施補(bǔ)強(qiáng)。

（2）隧道開挖過程中，因溶洞的存在，會對拱頂和仰拱處的豎向位移產(chǎn)生很大的影響，溶洞先行洞收斂性大于后行洞洞周收斂。

（3）隧道開挖對溶洞周圍巖體的應(yīng)力影響較小，而溶洞附近隧道拱腳、拱肩處產(chǎn)生的主應(yīng)力區(qū)最大。

（4）對于分離式大跨小凈距、底部有溶洞的隧道，施工階段應(yīng)注意防止塑性區(qū)彼此貫通，以免發(fā)生危險(xiǎn)的滑動。應(yīng)加強(qiáng)對拱頂沉降量和仰拱隆起量的監(jiān)測，避免圍巖發(fā)生較大的變形。