近接溶洞对隧道开挖稳定性影响分析_张明.pdf

河南科技Henan Science and Technology交通与土木工程总第806期第12期2023年6月近接溶洞对隧道开挖稳定性影响分析张明（中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北武汉430200）摘要：【目的目的】为了研究拱顶近接溶洞对隧道开挖稳定性的影响规律。【方法方法】本研究以西南地区某隧道工程为依托，采用数值模拟方法，对不同工况下的隧道开挖稳定性进行模拟分析。【结果结果】隧道拱顶处揭露小型溶洞时（近接距离2 m），拱顶位移量及衬砌支护结构拉压应力值皆减小，变化幅值与近接距离成反比，且均在10%以内；当隧道与溶洞近接距离小于2 m时，支护结构所承担的拉压应力虽减小，但拱顶位移量随之增大，间距内的围岩极易出现塑性区贯通现象，支护体系的完整性遭到破坏，须提前做好超前支护及开挖后的支护措施。【结论结论】研究成果可为类似岩溶地区支护设计及施工措施的优化提供参考。关键词：岩溶隧道；近接；应力重分布；塑性区中图分类号：P642文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0077-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.014Analysis of the Stability Influence of the Nearby Karst Cave on theTunnel ExcavationZHANG 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 2 m),the displacement and tensile and compressive stress values of the lining support structure atthe 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 tensileand compressive stress borne by the tunnel support structure decreases,but the displacement of the archincreases.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 ofsupport design and construction measures in similar karst areas.Keywords:karst tunnel;nearby cave;stress redistribution;plastic region0引言随着我国交通网络的不断完善，隧道建设环境也变得更为复杂。尤其是在我国西南地区，特殊的地形地貌及复杂的岩溶地质环境，加大了隧道修建难度及运营风险1。在岩溶地质环境中，溶洞是隧道工程中不可忽略的风险因素。尤其是在隧道建设区域岩溶发育时，大量溶洞破坏了收稿日期：2023-02-10作者简介：张明（1973），本科，高级工程师，研究方向：隧道与地下工程。78第12期原有围岩的整体性，使得隧道部分围岩处于欠稳定状态，对工程安全造成了极大的威胁2。基于此，大量学者针对复杂岩溶地质条件下的地下工程建设展开研究。部分学者针对溶洞的形成及防治措施展开研究。蒋良文等2基于圆梁山隧道，研究溶洞的形成过程，发现该地区的大型溶洞是由于地下水在褶曲内部的流动、虹吸作用及长期冲刷共同作用下导致的。闫长虹等3通过大量的野外勘查，发现断层裂缝是形成岩溶的有利地质条件。隧道穿越溶洞发育区时，由于隧道的开挖及复杂的地质环境，支护结构受力情况变得较复杂，采用传统工法已不能满足工程需求。刘旭斌等4依托于太平隧道工程，通过多维度对比施工技术，最终得出一种安全、经济、高效的溶洞穿越方案。李鸿博等5基于大连某岩溶地段，通过实地勘察、设计及施工处理，构建了一套适用于盾构穿越岩溶地貌的施工措施。王少辉等6通过数值模拟软件，研究了爆破开挖对岩溶地区隧道稳定性影响的规律，并据此优化施工措施。赵明阶等7通过试验及数值模拟分析，针对侧面近接溶洞的隧道开挖进行稳定性分析，研究发现隧道在此工况下会受到严重的偏压作用。综上所述，学者多是针对岩溶隧道中溶洞的发展、处理措施的优化进行研究，而溶洞对隧道稳定性的影响规律研究尚不全面。因此，笔者基于西南某公路隧道工程，针对岩溶地区近接溶洞对隧道开挖围岩稳定性的影响规律展开研究，探究了不同近接距离下围岩应力分布规律，阐明了溶洞与隧道围岩稳定性的一些内在联系，可为类似岩溶隧道工程的设计与施工提供参考。1工程概况本项目依托于西南某公路隧道工程，全长1.87 km，最大埋深 155 m。岩溶地层为薄中层状灰岩、中层状白云质粉晶灰岩。隧道围岩多以类为主，局部岩溶空腔发育段落多为类围岩。隧道净宽 13.6 m，开挖高度约 10.3 m，洞内双向行车道宽度为24.70 m。实际开挖过程中，拱顶上方揭露小型贫水类岩溶溶洞，近接距离远近不一，平均洞宽约3 m。本研究根据实际工程背景，将近接距离作为主要影响因素，进行隧道开挖后围岩稳定性分析，以此揭示特殊位置溶洞与隧道稳定性的内在联系。2岩溶隧道有限元模型的建立2.1数值分析模型基于设计资料及工程地质条件，充分考虑溶洞对隧道稳定性的影响程度，借助FLAC3D数值模拟软件，依据现场实际工况构建模型，针对有无溶洞的不同工况进行隧道开挖稳定性计算分析。同时，如图1所示，选取近接距离为2 m、4 m和6 m作为对比工况，分别对计算结果的应力场、位移场特征进行分析。2.2模型参数及边界条件根据现场地勘资料及室内岩土体力学强度试验结果，模型参数取值见表1。如图2所示，模型以隧道轴线为Y轴，水平面上以垂直于洞轴线为X轴。为保证计算的可靠性，在水平面X轴方向上计算边界取距离隧道边界3倍洞径（约45 m），水平Y轴隧道开挖方向上取1 m，竖直方向上选取实际覆盖土层厚度，约32 m，模型尺寸为100 m1 m80 m（长宽高）。计算过程中，对模型底部及四周法向位移、速度进行约束，顶部设定为自由面。3结果分析及讨论3.1近接溶洞对隧道支护结构受力分布影响隧道拱顶位置处揭露溶洞时，不同工况（近接距离分别为2 m、4 m、6 m）下支护受力情况如图3所示。衬砌支护结构整体处于受压状态，最大压应力出现在拱脚内侧位置，为9.09.2 MPa；拱顶出现拉应力，量值不到0.1 MPa。分析可知，在现有支护条件下，隧道衬砌均处于较稳定状态，对于以上模图1隧道与溶洞相对位置示意溶洞初期支护监测点表1材料主要的物理力学特征值材料围岩喷射混凝土重度/kN/m325.822泊松比0.30.16弹性模量/GPa2123黏聚力/MPa15内摩擦角/（）38张明.近接溶洞对隧道开挖稳定性影响分析第12期79拟工况均能起到较好的支护作用。对支护受力情况以及位移量值进行统计分析，如图4至图5所示。当隧道附近无溶洞时，隧道支护结构最大拉应力为 0.067 MPa，最大压应力为9.25 MPa，拱顶最大位移约12.03 mm。当溶洞空腔位于隧道拱顶2 m处时，隧道支护结构最大拉应力减小了 8.26，约 0.061 MPa，最大压应力减小了0.76，约 9.18 MPa，拱 顶 最 大 位 移 量 增 加 了0.25%，约 12.06 mm。当溶洞位于隧道拱顶 4 m处时，隧道支护结构最大拉应力减小了 6.47，约0.062 MPa，最大压应力减小了0.62，约9.19 MPa，拱顶最大位移量减小了2.41%，约11.74 mm。当溶洞位于隧道拱顶6 m处时，隧道支护结构最大拉应力减小了4.92，约0.063 MPa，最大压应力减小了0.55，约 9.20 MPa，拱 顶 最 大 位 移 量 减 小 了2.00%，约11.79 mm。3.2近接溶洞对隧道影响规律分析综上统计，无溶洞工况隧道建设过程中，支护结构出现拉压应力最值；当溶洞与隧道近接距离小于2 m时，支护结构拉压应力减小幅度明显，但拱顶沉降略有增大；当溶洞与隧道近接距离大于 2 m时，随着近接距离的增大，支护结构拉压应力值及拱顶位移值逐步增大，但量值仍小于无溶洞工况。围岩应力场演变示意如图6所示，由图6分析可知：常规隧道开挖支护过程中，由于破坏了原有的围岩体应力场，围岩应力得到释放，围岩体发生应力重分布，此时隧道支护结构需承担围岩形变荷载及起辅助岩体承载的作用，维持围岩稳定。当岩体内揭露有小型溶洞空腔时，隧道开挖前围岩应力已得到一定程度释放并整体趋于稳定，溶洞上部围岩荷载已分散到溶洞两侧。随着隧道开挖及支护结构的施作，围岩应力得到进一步释放，但整体应力值变化幅值有所减小，支护结构最终承担的围岩荷载有所减弱。溶洞对上部围岩自重荷载的分散程度随着近接距离的增大而减弱。值得注意的是，当溶洞与隧道的近接距离减小到一定程度时（小于2 m），虽然隧道支护结构承受的应力有所减弱，但溶洞与隧道间的围岩体难以达到自稳状态，易出现塑性区贯通现象，支护结构难以达到支撑效果，破坏了支护体系的完整性。由此表明：溶洞与隧道距离过近时，隧道上部容易出现坍塌等工程事故，需格外关注，开挖后应及时进行相关支护的施作。（a）隧道整体模型（b）支护结构模型图2隧道计算模型（a）初期支护最大主应力云图（无溶洞）（b）初期支护最小主应力云图（无溶洞）图3衬砌结构应力云图张明.近接溶洞对隧道开挖稳定性影响分析围岩溶洞隧道80第12期4结论与展望基于近接岩溶隧道开挖的数值模拟分析，针对不同工况下围岩稳定性进行计算，并对其位移场、应力场特征进行统计分析，得出以下结论。隧道开挖建设过程中，拱顶上部揭露溶洞（近接距离大于2 m）时，由于溶洞对上部围岩荷载的分散作用，相对于无溶洞隧道，支护结构所承受的围岩应力与拱顶位移皆减小，且幅度均在10%以内，减小幅度均随着近接距离的增大而减小。当隧道与近接溶洞距离小于2 m时，虽然支护结构所承受的围岩压力会有所减小，但极易造成开挖面与溶洞间围岩出现塑性区贯通，拱顶位移增大，发生塌方等工程事故。当岩溶地区新建隧道工程时，应及时进行地质勘探，查明邻近溶洞空腔的位置、大小