岩溶地质环境下高速公路隧道溶洞的影响

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［摘要］

以四川某高速公路岩溶隧道为对象，在岩溶地质环境下，通过FLAC3D软件，模拟了隧道溶洞稳定性数值。结果表明，隧道开挖后，当隧道与溶洞之间的距离比较远时，隧道底部围岩变形方向竖直向上，与之相反，隧道顶部围岩变形方向竖直向下，而隧道边墙围岩变形方向水平向内。当隧道底部存在溶洞时，溶洞与隧道底部周围形成应力释放区，拱腰附近形成应力增高区。在隧道施工时，要对隧道底板变形方向及大小密切关注。随溶洞半径的增大，应变值则减小，随着溶洞增大，溶洞周围应变出现增大的趋势，通过对比有无溶洞的应变，表明无溶洞应变分布较广，应变绝对值要小于有溶洞的值。

［关键词］

隧道溶洞;稳定性;数值模拟;动态特征

1概述

目前，我国高速公路交通发展越来越快，有许多公路隧道修建在岩溶地区，在山区建设高速公路时，公路隧道穿越大岩溶区的状况会经常遇到［1－3］。岩溶实质是指可溶性岩石受到水的化学溶蚀作用及具有综合特征的地质作用的统称。岩溶表现形态通常包含溶洞、塌陷、洼地、暗河、落水洞、漏斗等。实践表明，岩溶地质会严重威胁公路隧道工程的运营安全及施工［4－6］。因此在进行岩溶隧道设计及施工时，要评价围岩稳定性，在施工过程中，提前进行围岩破坏危险区域的预报及预测，这样就可对快速安全施工、围岩喷锚支护加固类型、岩溶隧道开挖方案进行合理选择［7］。在公路隧道修建中，对岩溶隧道围岩稳定性的研究不多，在实际施工中，处理岩溶区的隧道工程较多，但对相关文献及理论分析则较少。因此，通过数值模拟，对溶洞处治结构及围岩稳定性的安全性及可靠性进行研究，意义重大［8］。本文以四川某高速公路岩溶隧道为对象，在岩溶地质环境下，对隧道溶洞稳定性的数值模拟进行了研究。

2工程概况

四川某高速公路岩溶隧道的里程为DK226+660～DK227+366，全长650m。根据有关地质勘察资料显示，在该隧道区内，从表面多内部主要地层依次为:褐黄色硬塑状砂质黏土为第一地层;深灰色薄层状白云岩、灰色泥质为第二地层;黄色泥质砂岩为第三地层。隧道涵盖围岩类型较多，地质复杂。通过地质勘探，在里程DK227+054～+076处存在一个横断面类似于椭圆形的溶洞;溶洞走向平行于隧道轴线，该溶洞处于隧道底部正下部，洞内为空。溶洞周围围岩主要为块状钙质泥岩，洞高约7.5－9.0m，宽度约11.0－12.5m，跨度约17.0－20.0m，溶洞顶部到隧道底部深度约5.0－6.0m。隧道周边通过φ41.5mm的小导管加强支护，系统锚杆使用φ25mm砂浆锚杆，仰拱开挖半径为15.0m，初期支护使用φ6.2mm钢筋网，C20喷射混凝土厚24.5cm，二次衬砌C25混凝土厚55cm。

3计算模型与计算参数

3.1溶洞的简化处理及隧道模型的建立

在进行隧道模拟时，范围为DK227+045－+060区间，该段围岩为第四级，属于浅埋隧道。根据对溶洞的勘察，在建模时，将溶洞进行简化，形成中间椭圆柱，左右分别为半椭球的形状，隧道模型数值取开挖断面的最大洞径4倍较为合适。因隧道正下方为溶洞所处位置，隧道结构对称，本文计算时只对半部分区域进行考察。建模时，隧道+Z方向取26.7m，－Z方向取27m，隧道+Y方向取29m，横向±X方向都取27m。计算区域约束条件分两种情况，①两侧边界水平方向约束，②边界竖直方向自由;底部边界水平方向自由，竖直方向约束，顶部也为自由，图1为溶洞单元网格模型。

3.2FLAC3D软件

溶洞位置及大小均会影响隧道围岩，本文通过FLAC3D软件模拟溶洞对隧道围岩稳定性造成的影响。FLAC3D是一种数值分析方法，该方法以三维显示有限差分法为基础，可模拟岩土及材料的三维力学特性。通过FLAC3D，划分单元网格，随着材料变形，单元网格也相应的变形。FLAC3D分析通过显示有限差分格式，对微分方程进行求解，可准确对材料塑性流动、软化变形、屈服进行模拟，在对施工过程模拟方面优点显著。FLAC3D的建模计算包括前处理、求解和后处理。前处理内容包括需要形状形成、网格生产、命令流编制、材料特性定义、初始条件定义、边界条件定义、本构关系定义。求解计算的内容主要包括合适求解类型选择、求解选项设定。后处理的内容主要包括数据读取、图形化显示等。

3.3计算分析

计算分析要进行两方面的考虑，①影响计算分析与溶洞分布远近有关，隧道距离溶洞分别为2、5、8、11m时，对隧道围岩应力分布与位移及进行分析。②溶洞的大小会对计算分析造成影响，在隧道底部，将溶洞位置固定，将溶洞简化圆柱，其直径为1、2、3、4m，需要对隧道围岩位移及应力分布进行分析。

3.4确定计算参数

在进行模拟时，围岩材料通过Mohr—Coulomb模型进行模拟，开挖通过Null模型进行模拟。实体单元为二次衬砌、初期支护，通过FLAC3D的Cable单元进行模拟确定锚杆参数。在模拟时，将加固区围岩参数值适当提高，简化处理全环与超前预加固区格栅钢架支护。表1为围岩物理力学参数，表2为锚杆的物理力学指标，表3为混凝土的物理力学指标。

4模拟结果分析

4.1围岩变形动态特征分析

在隧道贯通以后，在R=2m，L=2m、5m、8m、11m断面处，隧道围岩竖直位移云图见图2，表示断面隧道底部溶洞从小逐渐变大的过程。由图2可知:隧道开挖后，当隧道与溶洞之间的距离比较远时，隧道底部围岩变形方向竖直向上，与之相反，隧道顶部围岩变形方向竖直向下，而隧道边墙围岩变形方向水平向内。在隧道及溶洞的距离慢慢缩小时，围岩变形特征为图2中无溶洞的A特征。当有溶洞时，在隧道底部拱顶围岩变形方向向下，边墙的变形方向则为向内收敛，同时其值在不断的增大，如图2中的B、C。随着L的进一步增大，隧道底部处围岩变形最明显，隧道底部处围岩已向溶洞方向完全变形，如图2中的D、E。溶洞顶部围岩变形量最大，变形方向向下;溶洞侧部围岩变形方向为溶洞中心，变形量紧随溶洞顶部;溶洞底部围岩变形量最小，变形方向向上。为对隧道开挖后的围岩变形特征进行评价，在隧道周边上，选取关键点，对关键点处围岩变形特征进行分析，图3为隧道周边各关键点X方向位移计算值。从图3可以看出:随着隧道断面不断的与溶洞接近，隧道拱腰与拱脚逐渐接近，水平位移呈现出逐渐增大趋势;在隧道拱顶处、仰拱底处水平位移为零;在围岩X方向，水平位移为零，因此隧道拱顶处、仰拱底处水平位移不受溶洞影响。X方向的位移对拱脚处的影响最大，其次是拱腰处，对拱肩处的影响则最小。图4为隧道周边各关键点Z方向位移计算值，由图4可知:随着隧道断面不断地与溶洞接近，仰拱底与拱脚处的竖向位移均呈现先减小后增加的趋势，拱顶、拱肩、拱腰处均呈现逐渐增大的趋势。受位移增加影响最大是拱腰处，拱肩处次之，受影响则最小的是拱顶处;对于仰拱底与拱脚处而言，这两者所处位置较为特殊。Z方向上，围岩变形总体特征是当隧道离溶洞比较远时，拱脚处、仰拱底向上变形;在隧道及溶洞相距越来越近时，向上位移减小，在某处位移为零;随后变形向溶洞内发展，随着溶洞内变形增大，沉位移量逐渐增大。在隧道施工时，要对隧道底板变形方向及大小密切关注。

4.2隧道周边释放的位移变化特征

当溶洞直径大小存在差异时，随着逐渐增加拱顶距离，竖向开挖的各特征点位移变化见图5。由图5可知:在隧道底部，溶洞对围岩稳定性影响包括6方面:①在隧道的底部，水平位移变化特别小，小到可忽略，竖向位移变化则最大;拱腰部位的水平位移变化远远小于竖向位移;隧道拱顶水平位移变化小到可忽略，竖向位移变化则非常大。②当隧道溶洞直径为4m，溶洞距隧道底部为1m，开挖后位移为12.2mm;溶洞直径为10m，溶洞与隧道底部距离为1m时，开挖后的位移为13.4mm，因而增大了位移的隆起。③与无溶洞时隧道开挖位移相比，有溶洞时的隧道底面、隧道拱脚竖向位移均要大;拱腰点和拱顶点的竖向位移均要比无溶洞隧道时的开挖位移要小。④随着溶洞距离增大，隧道底面与隧道拱脚位移呈现减小趋势，这说明溶洞距离与围岩开挖位移呈现出反比关系;溶洞越小，竖向开挖位移越小，溶洞大小与围岩开挖位移成正比关系［10］。⑤溶洞距离与溶洞大小成正比关系，与隧道围岩开挖竖向位移成反比关系;溶洞距离越大尺寸越小，抑制围岩开挖释放位移作用越小。⑥影响溶洞的距离分界线为5.1m，超过5.1m，隧道受溶洞影响则变的很小。

4.3隧道围岩竖向应力分析

为分析围岩应力分布受隧道底板及溶洞距离、溶洞半径的影响，选定溶洞顶部距隧道底板为L，溶洞半径为R，对隧道开挖的情况进行模拟，模拟L=2m，R=1m、2m、3m、4m情况下开挖隧道的应变，图6为隧道围岩竖向应力等值线图。由图6可知:在拱腰至拱脚部位，均发生工况最大压应变，当增大溶洞半径，应变值减小。当保持隧道底板和溶洞顶部距离恒定时，在有隧道最大拉应变发生时，随着溶洞半径增大，应变值增大。当保持隧道和溶洞距离恒定时，最大压应变保持稳定，随着距离的增大，最大拉应变则减小。隧道及溶洞间距随着溶洞的增大而减小，在溶洞周围，应变逐渐增大。当溶洞增大某一程度，溶洞自身处理需要加强，确保整个隧道结构稳定。在隧道底有溶洞时，在溶洞经处理后，应变分布范围较处理前要分散，应变值减小显著;与无溶洞隧道开挖位移相比，隧道及拱脚底面的竖向位移有所增加。通过对比有无溶洞的应变，表明无溶洞应变分布较广，应变绝对值要小于有溶洞，这是由于隧道围岩力学性质，片石混凝土力学性质存在差异，因变形协调不一致引起应变不分散。

5结论

本文以四川某高速公路岩溶隧道为对象，在岩溶地质环境下，对隧道溶洞稳定性的数值模拟进行了研究，得出的结论如下:①隧道开挖后，当隧道与溶洞之间的距离比较远时，隧道底部围岩变形方向竖直向上，与之相反，隧道顶部围岩变形方向竖直向下，而隧道边墙围岩变形方向水平向内。②在隧道及溶洞相距越来越近时，向上位移减小，在某处位移为零;随后变形向溶洞内发展，随着溶洞内变形增大，沉位移量逐渐增大。在隧道施工时，要对隧道底板变形方向及大小密切关注。③当增大溶洞半径，应变值减小。随着溶洞增大，隧道及溶洞间距减小，在溶洞周围，应变逐渐增大。当溶洞增大某一程度，溶洞自身处理需要加强，确保整个隧道结构稳定。在隧道底有溶洞时，在溶洞经处理后，应变分布范围较处理前要分散，应变值减小显著;与无溶洞隧道开挖位移相比，隧道及拱脚底面的竖向位移有所增加。通过对比有无溶洞的应变，表明无溶洞应变分布较广，应变绝对值要小于有溶洞。

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作者:吴雷雷 单位:中铁建(海南国际旅游岛先行试验区)投资管理有限公司