黄土暗穴对近距隧道施工的影响研究

史 思 强

(河南省尧栾西高速公路建设有限公司， 河南 洛阳 471500)

黄土暗穴对近距隧道施工的影响研究

史 思 强

(河南省尧栾西高速公路建设有限公司， 河南 洛阳 471500)

为研究黄土暗穴对隧道施工的影响，采用数值模拟方法分析了不同尺寸暗穴对隧道施工过程中的地层位移及围岩和支护受力情况。结果表明：暗穴位于左边墙对隧道围岩水平位移影响明显，暗穴尺寸越大，围岩水平位移值也越大，同一暗穴尺寸，中部断面位移值比端部断面大；暗穴导致隧道周边围岩水平应力变化明显，靠近暗穴一侧的左边墙水平应力尤为明显，右边墙次之，形成一定偏压效应，拱顶和仰拱转变为拉应力；暗穴存在使得隧道支护受力不均，暗穴处应着重加强左右拱脚处支护强度；无论大尺寸暗穴还是小尺寸暗穴断面，二衬整体受力相对较小，满足作为安全储备的要求。

黄土暗穴；隧道；位移；围岩压力；数值分析

我国西部地区黄土地貌分布广泛，据调查，黄土地层常常分布有大小规模不等的黄土暗穴[1]，黄土暗穴的存在常常对近距范围内的建筑物产生不利影响[2-3]，随着高速公路网不断完善，需要在黄土地区修建大量公路隧道，黄土暗穴的存在也不可避免的会对隧道隧道施工中围岩变形与受力造成不利影响。关于黄土地区公路隧道围岩变形与受力方面已多有研究[4-6]，张新善等[7]采用数值模拟方法，研究了中前期支护条件、后期加固措施等地铁开挖引起的结构周围土体变形规律；乔春生等[8]采用现场监测和数值模拟方法对浸水饱和状态条件的黄土隧道围岩变形规律进行了探讨；王明年等[9]研究了高速铁路大断面黄土隧道深、浅埋分界深度，给出了合理性建议值；陈建勋等[10]通过监测数据对双车道公路黄土隧道围岩和支护的变形规律进行了研究；路军富等[11]对高速铁路大断面黄土隧道二次衬砌施作时机进行了研究；赵勇[12]结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形实际情况，阐述了隧道施工影响下围岩变形动态规律，提出围岩变形控制的技术要点；赵东平等[13]对大断面黄土隧道变形规律及预留变形量进行了研究；扈世民等[14]对台阶法施工中大断面黄土隧道围岩深部变形特征进行了系统分析；赖金星等[15]采用精密水准仪和收敛计对隧道地表下沉、拱顶下沉和水平收敛进行了系统现场测试，分析软弱黄土隧道的变形规律。可以看出虽然黄土隧道围岩变形与受力研究较多，但关于黄土暗穴对隧道影响的研究比较少，黄土暗穴类似于岩溶地区的溶洞，关于溶洞对隧道的影响也多有研究 ，但黄土与岩溶围岩的工程性质不同，无法照搬岩溶隧道的研究成果，因此开展黄土暗穴对隧道变形与受力影响的研究具有重要意义。

鉴于以上认识，本文依托某黄土公路隧道，采用数值模拟手段，考虑隧道附近存在黄土暗穴建立分析模型，主要研究隧道开挖中暗穴尺寸及不同暗穴位置断面的地层位移及支护受力情况，综合评价黄土暗穴对隧道施工安全的影响。研究结果可为黄土地区公路隧道建设提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某黄土公路隧道全长2 698 m，位于黄龙县境内，隧道穿越大岭梁，里程桩号为K67+442—K70+140，为单洞双向行车隧道，隧址区属于黄土塬地貌，隧道埋深多处于地层的30 m～50 m之间，隧道区间段穿越黄土地层，进出口为黄土塬冲刷斜坡地貌，围岩主要为第四系黄土，根据测试结果发现具有一定湿陷性。踏勘资料表明隧道围岩级别多为V级，设计推荐施工方法为采用台阶法施工，分上下台阶分别实施，初支采用锚喷支护，衬砌为复合式衬砌，根据地勘资料，隧址区地质概况如图1所示，隧道所处老黄土地层可能发育有大小不等的黄土暗穴。

图1隧道地质概况

1.2 黄土暗穴分布

目前学者已对黄土地区暗穴分布情况进行深入研究，暗穴一般分为自然黄土暗穴和生物黄土暗穴，根据洞径可分为微型暗穴(洞径小于10 cm)、小型暗穴(洞径在10 cm～50 cm之间)、中型暗穴(洞径在50 cm～150 cm之间)、大型暗穴(洞径在150 cm～400 cm之间)和巨型暗穴(洞径超过400 cm)。小型暗穴在地表3 m内发育较多，多为生物原因形成，地面以下3 m～20 m多大于中型暗穴，一般由于侵蚀等自然原因形成，地面20 m以下偶尔发育有大型暗穴或巨型暗穴，多由地质构造原因形成，对于黄土隧道而言，一般中型暗穴和巨型暗穴影响较大，巨型暗穴一般会通过超前地质预报手段探测到，从而采取预处理等措施，而由于中型暗穴由于分布广，不易探测等原因，对隧道施工威胁较大，结合依托隧道处的地质情况，本文主要以中型暗穴对隧道影响为例开展研究。

2 数值模拟工况

2.1 数值模型建立

为系统研究黄土暗穴对隧道施工过程变形与受力的影响，采用FLAC3D建立模型开展研究，实际上黄土暗穴分布不规律，可能位移隧道洞身的任何部位，且中型洞穴对隧道影响较大，因此选择位于隧道洞身左侧的中型洞穴为例建立模型，根据设计资料，隧道最大开挖跨度取为13 m，最大开挖高度为11 m，隧道的埋深取为35 m，考虑圣维南原理及边界效应影响，隧道数值分析模型范围为隧道底板以下取2倍隧道高度约为22 m，隧道左右两侧分别取为4倍隧道跨径约为52 m，隧道上方取至自由地表面，隧道轴线方向的长度取为30 m。本文主要考虑暗穴尺寸对结果的影响，暂不考虑暗穴与隧道的相对距离的影响，因此暗穴与隧道距离取为5 m，最终建立模型见图2所示，模型约束条件为两侧施加水平约束竖向自由移动，模型底面施加竖向约束，模型上表面为自由边界。

图2数值计算模型

2.2 模型参数选取

隧道围岩主要以老黄土为主，因此为考虑其弹塑性特点，计算本构模型选用摩尔库仑(Mohr-Coulomb)模型，计算过程中隧道开挖模拟通过设置Null单元来实现，隧道复合式衬砌中的初支(喷射混凝土)和二衬(模筑混凝土)均采用实体单元模拟，为计算结果收敛两者本构模型则选用较为简化的弹性模型，隧址区初始地应力场仅考虑自重应力，模型建立过程考虑预加固措施(如超前小导管注浆等)对围岩力学参数的增强，还考虑施做锚杆的影响，模型计算所用材料参数均采用试验和现场实测围岩参数，见表1，另外需要注意的是，在FLAC3D中岩体变形参数一般采用体积模量K和剪切模量G，计算前首先将弹性模量E和泊松比μ换算为可用的体积模量K和剪切模量G。

2.3 模拟工况

本次试验主要开展不同尺寸的黄土中型暗穴对隧道围岩及支护结构受力及变形的影响研究，不考虑暗穴与隧道的相对距离，因此假定暗穴位于隧道的左侧，暗穴尺寸分别取为长×宽×高等于10 m×4 m×4 m和10 m×8 m×8 m，分别监测暗穴端部断面和中部断面处隧道围岩的水平位移与受力情况，以及支护结构受力情况来评价黄土暗穴对隧道的影响，以此分析暗穴尺寸不同及对隧道受力和变形的影响。

表1 模型计算参数

3 计算结果分析

3.1 围岩变形分析

为研究暗穴影响处隧道围岩变形情况，开展了不同尺寸暗穴对隧道影响模拟，选择暗穴端部断面和暗穴中部断面进行分析，且暗穴位于隧道左侧，对隧道的影响主要以水平位移为主，故选择水平位移展开分析。

图3给出了小尺寸暗穴时隧道围岩水平位移云图，分析图3(a)可知，由于暗穴临空面存在，隧道左侧拱腰部分会向暗穴方向移动，最大位移越为2.2 mm，同时右侧边墙部分也发生向左的位移，最大为2.24 mm，隧道可能会发生整体向暗穴方向移动。

图3(b)给出了小尺寸暗穴中部断面的围岩水平位移情况，相比与暗穴端部断面，其水平位移更大，左边墙部分最大水平位移达到2.72 mm，右边墙部分也达到2.55 mm。

图4给出了大尺寸暗穴时隧道围岩水平位移云图，由图4(a)可知，隧道左侧拱腰也会向暗穴方向移动，最大位移越为2.84 mm，同时右侧边墙部分也发生向左的位移，最大为2.51 mm，隧道整体向暗穴方向位移更加明显，图4(b)给出了大尺寸暗穴中部断面的围岩水平位移情况，相比与暗穴端部断面，其水平位移更大，左边墙部分最大水平位移达到4.04 mm，右边墙部分也达到3.0 mm，说明暗穴中间断面对隧道围岩位移影响更大。暗穴尺寸越大、距离暗穴中间断面越近隧道水平位移越明显，由于暗穴存在，隧道施工中可能发生边墙位移过大而失稳，应特别注意围岩边墙的变形值监测。

图3 小尺寸暗穴对隧道围岩变形影响

图4大尺寸暗穴对隧道围岩变形影响

3.2 围岩应力分析

暗穴与隧道在水平向相互影响明显，因此主要分析水平应力变化。

图5为小尺寸暗穴对隧道围岩应力分布规律的影响，图5(a)可以看出，两侧边墙压应力比较明显，尤其是暗穴与隧道中间的围岩，最大压应力达到1 593 kPa，说明由于暗穴存在，导致隧道整体偏压现象，左边墙处应力集中明显，施工时应注意加强，另外还可以看出，仰拱和拱顶处由压应力转变为拉应力，施工中还应注意拱顶围岩的稳定性；图5(b)为暗穴中部断面围岩应力分布规律，相比与暗穴端部断面，左右边墙应力变化更加明显，左边墙处最大达到1 619 kPa，暗穴中部断面对隧道围岩影响更大。

图5小尺寸暗穴对隧道围岩受力影响

图6为大尺寸暗穴对隧道围岩应力分布规律的影响，图6(a)可以看出，右侧边墙受力明显，最大压应力达到1 638 kPa，左边墙应力相对右边墙较小；图6(b)为大尺寸暗穴中部断面围岩应力分布规律，相比与暗穴端部断面，左右边墙应力更大，左边墙处最大达到1 734 kPa，暗穴中部断面对隧道围岩影响更大，施工越接近暗穴越应该加强支护，确保围岩稳定性，且仰拱和拱顶的拉应力效应更加明显，此时不利于围岩自承能力的发挥，暗穴的存在增加了作用于支护结构的围岩压力，且暗穴尺寸越大，越靠近暗穴中心对隧道围岩受力影响越明显。

3.3 支护压力分析

表2分别给出大尺寸暗穴和小尺寸暗穴中部断面处的初支和二衬受力情况。分析表2可看出，小尺寸暗穴断面初支整体受力小于大尺寸暗穴，左拱肩、左边墙和左拱脚受力较大，最大压力出现在左边墙处为1 834.27 kPa，左拱脚和右拱脚分别次之，拱顶和仰拱受力较小，分别为357.25 kPa和255.46 kPa，说明由于左侧暗穴的存在使得隧道整体受力分布不均，左右边墙受压明显，而仰拱和拱顶受力相对较小；大尺寸暗穴断面初支整体受力比端部断面要大，整体规律与端部断面一致，左边墙处压应力最大达到2 137.24 kPa，左右拱脚受力次之，在暗穴处应着重加强邻近暗穴处和左右拱脚处支护强度，暗穴存在使得隧道支护受力不均，一般接近暗穴一侧受力明显偏大，暗穴尺寸越大对支护受力影响越明显。无论大尺寸暗穴还是小尺寸暗穴断面，与初支相比二衬整体受力相对较小，且整体受力相对均匀，满足二衬主要作为安全储备的要求。

图6 大尺寸暗穴对隧道围岩受力影响

4 结 论

(1) 黄土暗穴存在对隧道围岩水平位移影响明显，暗穴尺寸越大，围岩水平位移值也越大，同一暗穴尺寸时，中部断面位移值比端部断面位移值大，施工接近暗穴时，应加强两侧边墙收敛量测，确保施工安全。

(2) 黄土暗穴导致隧道周边围岩水平应力变化明显，靠近暗穴一侧的左边墙水平应力尤为明显，右边墙次之，形成一定偏压效应，拱顶和仰拱转变为拉应力，导致围岩自承能力减弱，围岩压力增加。

(3) 支护压力结果表明，暗穴存在使得隧道支护受力不均，黄土暗穴存在增加了靠近暗穴一侧初期支护的压力，左右拱脚受力明显，在暗穴处应着重加强左右拱脚处支护强度，暗穴尺寸越大、越靠近暗穴中心，初支受力影响越明显。无论大尺寸暗穴还是小尺寸暗穴断面，二衬整体受力相对较小，且整体受力相对均匀，满足二衬主要作为安全储备的要求。

(4) 本文仅仅假定暗穴与隧道相对距离一定，开展了不同尺寸暗穴对隧道的影响，下一步可开展暗穴与隧道距离变化时对隧道的影响，确定某一暗穴尺寸时对隧道不产生影响的安全距离。

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InfluenceofHiddenHolestoAdjacentTunnelinLoess

SHI Siqiang

(He'nanProvinceYaoluanxiExpresswayConstructionCo.,Ltd.,Luoyang,He'nan471500,China)

In order to analyze the influence of hidden holes to tunnel construction, numerical method was adopted to investigate different size of hidden holes induced surrounding rock displacement and stress. The results show that the hidden holes in lift-side have obviously influence to horizontal displacement of surrounding rock, the bigger the hidden holes, the more obvious the horizontal displacement, the horizontal displacement in the middle section is bigger than the side section at the same size; the horizontal stress induced by the hidden holes changed obviously, the left-side adjacent hidden hole is more obvious, the right side is taking the second place, which lead to bias effect, the stress in vault and invert change to tensile stress, hidden holes makes the tunnel provide uneven support force, where hidden holes should focus on strengthening around the foot of arch support strength; whether large size or small size cavity, the secondary supporting force is relatively small, which can meet requirements as safety reserve.

loesshiddenholes;tunnel;displacement;surroundingrockstress;numericalanalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.030

2017-05-10

2017-06-13

西部交通建设科技项目(2011318797600)

史思强(1965—)，男，河南民权人，高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。E-mail: 1273764629@qq.com

U455

A

1672—1144(2017)05—0167—04