摘 要：【目的】為了研究拱頂近接溶洞對隧道開挖穩(wěn)定性的影響規(guī)律?！痉椒ā勘狙芯恳晕髂系貐^(qū)某隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬方法，對不同工況下的隧道開挖穩(wěn)定性進行模擬分析?！窘Y(jié)果】隧道拱頂處揭露小型溶洞時（近接距離gt;2 m），拱頂位移量及襯砌支護結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力值皆減小，變化幅值與近接距離成反比，且均在10%以內(nèi)；當(dāng)隧道與溶洞近接距離小于2 m時，支護結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的拉壓應(yīng)力雖減小，但拱頂位移量隨之增大，間距內(nèi)的圍巖極易出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，支護體系的完整性遭到破壞，須提前做好超前支護及開挖后的支護措施。【結(jié)論】研究成果可為類似巖溶地區(qū)支護設(shè)計及施工措施的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道；近接；應(yīng)力重分布；塑性區(qū)

中圖分類號：P642" " " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0077-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.014

Analysis of the Stability Influence of the Nearby Karst Cave on the

Tunnel Excavation

ZHANG Ming

（China Railway 11th Group Fourth Engineering Co.， Ltd.，Wuhan" 430200， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the influence of the proximity of karst caves to tunnel arches on excavation stability. [Methods] A numerical simulation method was used to analyze the excavation stability of the tunnel under different working conditions， based on a tunnel project in the southwest region of China. [Findings] When small karst caves are exposed at the tunnel arch （proximity distance gt;2 m）， the displacement and tensile and compressive stress values of the lining support structure at the arch are reduced. The change pattern is inversely proportional to the proximity distance， and the amplitude is within 10%. When the distance between the tunnel and the cave is less than 2 m， the tensile and compressive stress borne by the tunnel support structure decreases， but the displacement of the arch increases. The surrounding rocks within the distance are prone to plastic zone breakthrough， and the integrity of the support system is damaged. Therefore， advanced support and post-excavation support measures should be taken. [Conclusions] The research results can provide reference for the optimization of support design and construction measures in similar karst areas.

Keywords： karst tunnel; nearby cave; stress redistribution; plastic region

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，隧道建設(shè)環(huán)境也變得更為復(fù)雜。尤其是在我國西南地區(qū)，特殊的地形地貌及復(fù)雜的巖溶地質(zhì)環(huán)境，加大了隧道修建難度及運營風(fēng)險［1］。在巖溶地質(zhì)環(huán)境中，溶洞是隧道工程中不可忽略的風(fēng)險因素。尤其是在隧道建設(shè)區(qū)域巖溶發(fā)育時，大量溶洞破壞了原有圍巖的整體性，使得隧道部分圍巖處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，對工程安全造成了極大的威脅［2］。基于此，大量學(xué)者針對復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下的地下工程建設(shè)展開研究。

部分學(xué)者針對溶洞的形成及防治措施展開研究。蔣良文等［2］基于圓梁山隧道，研究溶洞的形成過程，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的大型溶洞是由于地下水在褶曲內(nèi)部的流動、虹吸作用及長期沖刷共同作用下導(dǎo)致的。閆長虹等［3］通過大量的野外勘查，發(fā)現(xiàn)斷層裂縫是形成巖溶的有利地質(zhì)條件。隧道穿越溶洞發(fā)育區(qū)時，由于隧道的開挖及復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，支護結(jié)構(gòu)受力情況變得較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)工法已不能滿足工程需求。劉旭斌等［4］依托于太平隧道工程，通過多維度對比施工技術(shù)，最終得出一種安全、經(jīng)濟、高效的溶洞穿越方案。李鴻博等［5］基于大連某巖溶地段，通過實地勘察、設(shè)計及施工處理，構(gòu)建了一套適用于盾構(gòu)穿越巖溶地貌的施工措施。王少輝等［6］通過數(shù)值模擬軟件，研究了爆破開挖對巖溶地區(qū)隧道穩(wěn)定性影響的規(guī)律，并據(jù)此優(yōu)化施工措施。趙明階等［7］通過試驗及數(shù)值模擬分析，針對側(cè)面近接溶洞的隧道開挖進行穩(wěn)定性分析，研究發(fā)現(xiàn)隧道在此工況下會受到嚴重的偏壓作用。綜上所述，學(xué)者多是針對巖溶隧道中溶洞的發(fā)展、處理措施的優(yōu)化進行研究，而溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究尚不全面。因此，筆者基于西南某公路隧道工程，針對巖溶地區(qū)近接溶洞對隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律展開研究，探究了不同近接距離下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，闡明了溶洞與隧道圍巖穩(wěn)定性的一些內(nèi)在聯(lián)系，可為類似巖溶隧道工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

本項目依托于西南某公路隧道工程，全長1.87 km，最大埋深155 m。巖溶地層為薄～中層狀灰?guī)r、中層狀白云質(zhì)粉晶灰?guī)r。隧道圍巖多以Ⅲ類為主，局部巖溶空腔發(fā)育段落多為Ⅴ類圍巖。隧道凈寬13.6 m，開挖高度約10.3 m，洞內(nèi)雙向行車道寬度為2×4.70 m。實際開挖過程中，拱頂上方揭露小型貧水類巖溶溶洞，近接距離遠近不一，平均洞寬約3 m。本研究根據(jù)實際工程背景，將近接距離作為主要影響因素，進行隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性分析，以此揭示特殊位置溶洞與隧道穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系。

2 巖溶隧道有限元模型的建立

2.1 數(shù)值分析模型

基于設(shè)計資料及工程地質(zhì)條件，充分考慮溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響程度，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)現(xiàn)場實際工況構(gòu)建模型，針對有無溶洞的不同工況進行隧道開挖穩(wěn)定性計算分析。同時，如圖1所示，選取近接距離為2 m、4 m和6 m作為對比工況，分別對計算結(jié)果的應(yīng)力場、位移場特征進行分析。

2.2 模型參數(shù)及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場地勘資料及室內(nèi)巖土體力學(xué)強度試驗結(jié)果，模型參數(shù)取值見表1。如圖2所示，模型以隧道軸線為Y軸，水平面上以垂直于洞軸線為X軸。為保證計算的可靠性，在水平面X軸方向上計算邊界取距離隧道邊界3倍洞徑（約45 m），水平Y(jié)軸隧道開挖方向上取1 m，豎直方向上選取實際覆蓋土層厚度，約32 m，模型尺寸為100 m×1 m×80 m（長×寬×高）。計算過程中，對模型底部及四周法向位移、速度進行約束，頂部設(shè)定為自由面。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 近接溶洞對隧道支護結(jié)構(gòu)受力分布影響

隧道拱頂位置處揭露溶洞時，不同工況（近接距離分別為2 m、4 m、6 m）下支護受力情況如圖3所示。襯砌支護結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳內(nèi)側(cè)位置，為9.0～9.2 MPa；拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，量值不到0.1 MPa。分析可知，在現(xiàn)有支護條件下，隧道襯砌均處于較穩(wěn)定狀態(tài)，對于以上模擬工況均能起到較好的支護作用。

對支護受力情況以及位移量值進行統(tǒng)計分析，如圖4至圖5所示。當(dāng)隧道附近無溶洞時，隧道支護結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.067 MPa，最大壓應(yīng)力為9.25 MPa，拱頂最大位移約12.03 mm。當(dāng)溶洞空腔位于隧道拱頂2 m處時，隧道支護結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力減小了8.26％，約0.061 MPa，最大壓應(yīng)力減小了0.76％，約9.18 MPa，拱頂最大位移量增加了0.25%，約12.06 mm。當(dāng)溶洞位于隧道拱頂4 m處時，隧道支護結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力減小了6.47％，約0.062 MPa，最大壓應(yīng)力減小了0.62％，約9.19 MPa，拱頂最大位移量減小了2.41%，約11.74 mm。當(dāng)溶洞位于隧道拱頂6 m處時，隧道支護結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力減小了4.92％，約0.063 MPa，最大壓應(yīng)力減小了0.55％，約9.20 MPa，拱頂最大位移量減小了2.00%，約11.79 mm。

3.2 近接溶洞對隧道影響規(guī)律分析

綜上統(tǒng)計，無溶洞工況隧道建設(shè)過程中，支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉壓應(yīng)力最值；當(dāng)溶洞與隧道近接距離小于2 m時，支護結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力減小幅度明顯，但拱頂沉降略有增大；當(dāng)溶洞與隧道近接距離大于2 m時，隨著近接距離的增大，支護結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力值及拱頂位移值逐步增大，但量值仍小于無溶洞工況。圍巖應(yīng)力場演變示意如圖6所示，由圖6分析可知：常規(guī)隧道開挖支護過程中，由于破壞了原有的圍巖體應(yīng)力場，圍巖應(yīng)力得到釋放，圍巖體發(fā)生應(yīng)力重分布，此時隧道支護結(jié)構(gòu)需承擔(dān)圍巖形變荷載及起輔助巖體承載的作用，維持圍巖穩(wěn)定。當(dāng)巖體內(nèi)揭露有小型溶洞空腔時，隧道開挖前圍巖應(yīng)力已得到一定程度釋放并整體趨于穩(wěn)定，溶洞上部圍巖荷載已分散到溶洞兩側(cè)。隨著隧道開挖及支護結(jié)構(gòu)的施作，圍巖應(yīng)力得到進一步釋放，但整體應(yīng)力值變化幅值有所減小，支護結(jié)構(gòu)最終承擔(dān)的圍巖荷載有所減弱。溶洞對上部圍巖自重荷載的分散程度隨著近接距離的增大而減弱。值得注意的是，當(dāng)溶洞與隧道的近接距離減小到一定程度時（小于2 m），雖然隧道支護結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力有所減弱，但溶洞與隧道間的圍巖體難以達到自穩(wěn)狀態(tài)，易出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，支護結(jié)構(gòu)難以達到支撐效果，破壞了支護體系的完整性。由此表明：溶洞與隧道距離過近時，隧道上部容易出現(xiàn)坍塌等工程事故，需格外關(guān)注，開挖后應(yīng)及時進行相關(guān)支護的施作。

4 結(jié)論與展望

基于近接巖溶隧道開挖的數(shù)值模擬分析，針對不同工況下圍巖穩(wěn)定性進行計算，并對其位移場、應(yīng)力場特征進行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論。

①隧道開挖建設(shè)過程中，拱頂上部揭露溶洞（近接距離大于2 m）時，由于溶洞對上部圍巖荷載的分散作用，相對于無溶洞隧道，支護結(jié)構(gòu)所承受的圍巖應(yīng)力與拱頂位移皆減小，且幅度均在10%以內(nèi)，減小幅度均隨著近接距離的增大而減小。

②當(dāng)隧道與近接溶洞距離小于2 m時，雖然支護結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力會有所減小，但極易造成開挖面與溶洞間圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，拱頂位移增大，發(fā)生塌方等工程事故。

③當(dāng)巖溶地區(qū)新建隧道工程時，應(yīng)及時進行地質(zhì)勘探，查明鄰近溶洞空腔的位置、大小及近接距離等。當(dāng)溶洞空腔位于拱頂位置處，且近接距離小于2 m時，應(yīng)在隧道開挖前施作超前支護，必要時進行特殊支護設(shè)計。

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