底部岩溶小净距隧道施工力学特性研究

2017-01-10达勇,李佶,姚磊

湖南交通科技 2016年4期

关键词：净距溶洞先行

达勇, 李佶, 姚磊

(1.湖南省湘筑工程有限公司, 湖南长沙 410000;2.浙江省交通工程建设集团有限公司市政分公司, 浙江杭州 310051)

底部岩溶小净距隧道施工力学特性研究

达勇1, 李佶2, 姚磊2

(1.湖南省湘筑工程有限公司, 湖南长沙 410000;2.浙江省交通工程建设集团有限公司市政分公司, 浙江杭州 310051)

以某底部含有溶洞的小净距隧道为例，运用有限元软件ABAQUS对隧道采用单侧壁导坑法施工过程中围岩的塑性区、洞周位移以及围岩应力的变化情况进行了数值分析研究并得出结论：对于底部岩溶小净距隧道，先行洞的施工对后行洞塑性区的发展影响不明显，溶洞对隧道拱顶下沉和仰拱隆起量影响较为明显，并且对先行洞洞周收敛值的影响较后行洞大。隧道施工过程中洞周围岩以及中夹岩柱一般处于压应力状态，受力状态较为理想。在施工过程中应重点关注隧道塑性区的发展以及洞周位移值的监控量测。

小净距隧道；底部岩溶；围岩位移；塑性区；围岩应力

0 引言

小净距隧道是一种介于分离式隧道和连拱隧道之间的隧道结构形式[1]。因其具有占地少、结构受力简单、展线难度小、工期短、施工质量易于控制等特点，在近些年的隧道建设中利用越来越广泛，而岩溶又是我国西南地区较为常见的一种地质现象，因而在我国西南地区修建小净距隧道，就不可避免地受到岩溶地质的影响。目前专家学者们对小净距隧道的研究，已经逐渐从一般地质条件下的小净距隧道转向软岩条件下浅埋偏压大跨度小净距隧道的研究[2]，从单纯的静力学结构安全性分析转向爆破震动等动力特性的研究[3]，取得了丰硕的研究成果。然而对于小净距岩溶隧道的研究目前尚不多见，皮小强[4]采用数值分析的方法研究了溶洞位于中夹岩柱上方时，不同洞径的溶洞对隧道掘进过程中围岩位移场、应力场、塑性区分布的变化特征的影响，以及先行洞的开挖对后行洞围岩稳定性的影响。本文以某底部岩溶小净距隧道为例，运用数值模拟的方法研究了当溶洞位于中夹岩柱下部时单侧壁导坑法施工过程中围岩的塑性区、位移以及应力场的变化，为相似工况下隧道的开挖提供

参考。

1 工程概况

该隧道洞身为分离式高速公路隧道，但出口段由于受地形限制设计为小净距隧道，中夹岩柱最小间距15 m，隧道单洞最大开挖跨度17.95 m，最大高度为12.2 m，围岩级别为Ⅳ级，岩性泥盆系上统天子岭组中风化灰岩，灰色属较硬岩，岩体较完整，岩体完整性系数0.6，岩质较坚硬，层间结合好。经勘测，在里程K167+475处隧道中夹岩柱底部距隧道仰拱约17 m处存在一横断面为近似椭圆形的干溶洞，该溶洞高11.2～12.1 m，宽8～9.1 m，纵向宽度18.2～19.5 m，其走向与溶洞轴线基本平行。

隧道采用新奥法设计与施工原理，采用光面爆破及复合式支护结构，断面形式为三心圆。设置双层φ 8钢筋网，并设置全环20 b工字钢拱架，纵向间距50 cm，隧道周边采用长4 m，D25中空注浆锚杆加固，梅花型布置，初期衬砌采用30 cm厚C25喷射混凝土，二衬采用60 cm厚C25钢筋混凝土。溶洞段左洞衬砌设计图如图1所示。

图1 溶洞段左洞衬砌设计所示(单位： m)

2 计算参数的确定

运用有限元软件ABAQUS进行隧道开挖与支护的模拟，在模拟中隧道围岩和衬砌材料均采用Drucker-Prager理想弹塑性模型，仅考虑围岩重力场的影响。根据新奥法施工原理将二次衬砌仅视为安全储备结构，而不考虑其施作过程与支护效果[5]。对于锚杆加固效果的模拟通常把锚杆的作用通过提高隧道周围加固圈的粘聚力c和内摩擦角ψ来考虑[6],文中对上述加固区围岩力学参数中c、ψ提高20%的方法加以模拟，而对于工字钢的模拟效果一般是将工字钢的弹性模量折算到喷射混凝土的弹性模量模拟上来实现[7]，数值模拟所采用的围岩与衬砌的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩及支护结构物理力学参数表项目容重内摩擦角/(°)粘聚力/MPa弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa围岩2236045033025加固区2440043503503 初衬2545223025

3 模型的建立

根据工程现场实际情况，左右两洞均采用单侧壁导坑法施工，其施工工序如图2所示；忽略锚杆和临时支护结构的施作过程。通过施工过程中围岩塑性区、位移与应力的分析确定溶洞对隧道开挖过程安全性的影响。

图2 施工工序图

由于在隧道开挖后初期衬砌一般不能及时跟进，因而围岩应力总会有一定程度的释放。计算模拟过程中通过改变开挖土体的弹性模量来模拟应力的释放过程，在应力释放达到60%时施作初期支护。对于隧道工程,数值计算模型的范围一般取开挖断面3～5倍最大洞径[8]，左右边界距隧道开挖轮廓线各50 m，将溶洞简化为椭圆形，溶洞最高点距隧道仰拱底部17 m，最低点距模型下边界20 m，计算模型网格划分如图3所示，其中模型左右边界约束横向位移，底部边界约束横向和竖直位移，顶部为自由边界。

图3 有限元模型网格

4 计算结果分析

4.1 隧道开挖过程围岩塑性区分析

隧道的开挖过程不可避免的伴随着围岩的应力重分布现象，由于小净距隧道施工工序较多，围岩和支护结构受力变化较复杂，围岩局部区域可能会产生应力集中现象而产生塑性区[9]，而由于溶洞的存在会对隧道开挖过程中围岩的应力释放产生进一步的影响，可能会生成相互贯通的塑性区，形成危险滑动面，因而研究围岩塑性区的发展过程能对施工过程中的危险施工步进行有效的预防加固措施，保证施工安全。隧道施工重要过程的围岩塑性区变化图如图4所示。

在先行洞第一部分岩体开挖完毕后，开挖岩土体左侧和以及先行洞右侧拱肩处即产生塑性区，其宽度分别为2.5 m和1.2 m，溶洞仅左上部产生轻微的塑性区，可见第1步开挖后，溶洞对隧道围岩塑性区产生的影响较为微小。先行洞第2步开挖后，洞身岩土体塑性区与右侧拱腰处塑性区继续增大，溶洞左上部塑性区也有稍微的扩大趋势。先行洞第3步开挖后，隧道左侧拱腰出现较为明显的塑性区，其宽度约为3 m左右，同时右侧拱腰塑性区延伸至拱脚处，并向拱脚下部的溶洞方向延伸，溶洞左上部塑性区也有明显的扩大，且向先行洞右侧拱脚延伸。先行洞第4步开挖后，左侧拱腰处塑性区向拱脚和拱肩方向衍生，宽度也增大为约3.1 m左右。同时值得注意的是先行洞右侧拱脚处塑性区与溶洞左上部塑性区已延伸至围岩深处并成贯通趋势，此步施工进行过程中应注意隧道右侧拱脚的保护，防止形成滑动面威胁施工安全。与先行洞第1步开挖相似，后行洞第1步开挖后，塑性区仍出现在开挖岩土体两侧，宽度约为2.3 m，同时先行洞右侧拱腰处塑性区有稍微减小，但上一施工步中产生的塑性贯通面仍存在，同时溶洞左侧塑性区没有明显的发展。后行洞第2步开挖后开挖部分土体两侧塑性区继续扩展，其他区域塑性区没有明显的变化。后行洞第3步开挖后先行洞周围塑性区没有明显变化，而后行洞右侧拱腰处出现明显的塑性区，其宽度约为1 m左右，同时左侧拱脚处产生明显的塑性区，并向下延伸。溶洞左上部塑性区突然出现并向上延伸与后行洞左侧拱脚塑性区贯通，此步施工过程最为危险，隧道与溶洞之间岩土体容易向溶洞内滑塌，此时应采取注浆及锁脚锚杆等措施进行加固，确保围岩稳定。后行洞第4步开挖后，后行洞右侧拱腰塑性区继续扩展，跨度约为3 m左右。由以上分析可知，该隧道开挖过程中，后行洞对先行洞的塑性区的发展影响不显著，然而由于溶洞的存在，使先行洞第4步开挖过程和后行洞第3步开挖过程产生了相互贯通的塑性区，威胁到了施工的安全。因而应在这两步施工前对可能产生塑性区的区域进行及时加固，防止或者减小塑性区继续扩展，保证施工安全。

a) 第1步开挖

b) 第2步开挖

c) 第3步开挖

d) 第4步开挖

f) 第6步开挖

g) 第7步开挖

h) 第8步开挖

图4 隧道塑性区变化云图

4.2 围岩位移分析

为了确定溶洞的存在对隧道周边围岩竖向位移的影响，选取距隧道拱顶和仰拱同一高度的两排特征点，并将其竖向位移与不存在溶洞时的竖向位移相比较。特征点分布如图5所示，取中夹岩柱处特征点横坐标为0。最终的竖向位移分布曲线图如图6、图7所示。

由图6可知，溶洞的存在使拱顶位移明显增大，在左侧距溶洞横向距离最远处，存在溶洞时下沉量为1.13 mm，无溶洞时其下沉量为1.02 mm，下沉量增大了10.7%；左洞拱顶正上方特征点在溶洞存在时下沉量为3.07 mm,无溶洞时其下沉量为2.45 mm，下沉量增大了25%；中夹岩柱处特征点在存在溶洞时下沉量为2.71 mm,无溶洞时其下沉量为1.39 mm，下沉量增大了94.9%。由以上分析可知，溶洞的存在明显增大了隧道拱顶围岩下沉量，并且横向距溶洞越近这种增大效果越明显。

图5 特征点分布图

图6 拱顶特征点位移图

图7 仰拱底部特征点位移图

由图7可知，在距溶洞横向一定距离以外，溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大，在左侧距溶洞横向距离最远处，存在溶洞时隆起量0.07 mm，无溶洞时其隆起量0.03 mm，隆起量增大了133.3%；左洞拱顶正上方特征点在溶洞存在时隆起量为1.6 mm,无溶洞时其隆起量为1.54 mm，隆起量增大了3.89%；中夹岩柱处特征点在存在溶洞时隆起量为-1.39 mm,无溶洞时其隆起量为0.15 mm，这说明溶洞的存在对中夹岩柱底部附近围岩隆起量的影响远远超出隧道洞身岩土体开挖对其产生的影响。由以上分析可知溶洞的存在在一定范围内增大了隧道底部围岩隆起量，并且这种增大效果随距离溶洞的减小而减小，达到溶洞正上方时反而使隧道底部岩土体下沉。

选取两隧道拱腰处共4个特征点分析溶洞对隧道洞周收敛的影响,洞周收敛随荷载步的变化曲线图如图8、图9所示。由图8、图9可知溶洞的存在能有效减小洞周最终收敛值，但对两洞施工过程中洞周收敛值的影响有所不同。在建模分析过程中荷载步2 — 13为左洞(先行洞)开挖分析步，14 — 25为右洞(后行洞)开挖分析步。由图8可知左洞的开挖过程对右洞的收敛值影响较小，收敛值均在0附近，而溶洞存在时右洞的开挖使左洞洞周收敛值有稍微的降低。溶洞的存在对左洞开挖过程中洞周围岩的收敛影响较为明显，使左洞洞周收敛为负值。在右洞开挖过程中，溶洞对左洞洞周收敛的影响较右洞显著。由以上分析可知，溶洞对先行洞洞周收敛值的影响远大于对后行洞洞周收敛值的影响。

图8 右洞洞周收敛位移

图9 左洞洞周收敛位移

4.3 围岩应力

隧道开挖过程中围岩最大主应力云图如图10所示，两洞拱顶和仰拱处以及靠近中夹岩柱位置的拱肩与拱脚4个位置的最大主应力变化曲线图如图11所示。由图可知隧道开挖过程中最大主应力的最值一般出现在开挖面周围一定范围内，先行洞第1步开挖后隧道右拱肩出现最大主应力为压应力，其值0.42 MPa，第2步开挖右侧拱脚出现最大主压应力0.03 MPa，第3步开挖后右拱肩主应力区域扩展至拱顶以及左侧拱肩，同时左侧拱脚处也产生最大主压应力，第4步开挖后先行洞拱顶、拱肩、仰拱以及拱脚处最大主应力均为压应力，后行洞开挖过程中洞周拉应力区域的发展趋势与先行洞相似，并且由于溶洞的影响，先行洞右侧拱脚及其左侧拱肩最大主应力区域向岩土体内延伸较远，拱腰处围岩最大主应力也为压应力，中夹岩柱和溶洞周围没有出现明显的拉应力区。注意到在右洞开挖过程中，左洞右拱脚出现了最大主拉应力，其值为0.05 MPa。由以上分析可知隧道的开挖对溶洞周围应力影响不大，但溶洞的存在使隧道临近溶洞的拱脚以及远离溶洞的拱肩位置出现延伸较深的最大主应力区。