隧道开挖进入大型溶腔围岩的变形规律研究

2019-01-04中交路桥建设有限公司李海港武艳勤王军威陈尔良

中国公路 2018年22期

文/中交路桥建设有限公司李海港武艳勤王军威陈尔良

以陆家寨岩溶隧道为依托，利用有限差分软件FLAC3D建立三维模型，探究隧道开挖接近并进入前方大型溶洞的过程中，各个断面围岩的位移变化过程，结果表明：以大型溶腔周围围岩塑性区界面为界，在界面以外的断面其总变形量缓慢增大，有较快的先期变形，受溶腔影响程度逐渐增大；处于界面处的断面总变形量明显增加，且具有较快的先期变形速率；处于界面内部的断面后期变形减弱，总变形量较正常值小。

为更加深入探索隧道周围空腔对隧道开挖、支护稳定所造成的影响，赵明阶等运用了模型试验、数值模拟等方法研究了隧道顶、侧、底部不同尺寸大小的溶洞与隧道开挖的力学响应规律，但是这项研究是在考虑隧道周围的隐伏溶腔对隧道稳定性的影响，对隧道开挖进入大型岩溶缺乏一定的认识，研究隧道开挖接近前方大型溶腔过程中围岩的变形规律很有必要。

数值模拟设计

模型及相关参数

在FLAC3D中建立隧道穿越大型正方形洞室模型，如图1、图2所示。

图1 模型图

图2 溶腔示意图

隧道宽度为11.8m，高度为9.8m。溶腔为边长20m的正方形洞室，位于模型中央，整体模型尺寸为边长160m的正方体。在模型上表面施加垂直面力，使隧道埋深从80m增加到150m。

根据陆家寨岩溶隧道的地质勘查资料，确定该隧道开挖段围岩属IVb级围岩，根据《公路隧道设计细则》中围岩物理参数表，四级围岩相关参数如表1所示。

开挖及监测

采取全断面开挖的方式模拟开挖过程，对临近溶腔的8个断面洞周、掌子面的位移进行监测，各断面不同位置监测节点号与溶腔的距离关系如表2所示。

数据分析

拱顶下沉位移分析

选取临近溶腔14m范围内的断面拱顶沉降值进行分析，并绘制各个断面的位移时空变形曲线，如图3和图4所示。

由图3可知，与正常开挖瞬时释放位移值2mm相比，从距离溶腔14m的位置处断面拱顶开挖瞬时释放位移开始有明显增大的趋势，到距离溶腔8m位置处增大到最大值约2.3mm，而后开始回降直到隧道与溶腔连通，最后一次开挖，拱顶处隧道侧的点瞬时沉降值为1.35mm，而靠溶腔一侧的点沉降值为2mm。

由图4可知，隧道开挖至距离溶腔6m的过程中，断面拱顶下沉总值呈均匀增加趋势，从6.3mm增加到6.9mm。最后三个断面的拱顶位移总值不断减小，总值分别为6.2mm、5.2mm、4.2mm。距离溶腔6m内的断面拱顶下沉位移总量比正常值小，而6m以外的断面位移总量均比正常值稍大。

表1 模型参数的相关取值

表2 不同位置处断面的对应监测点号

图3 临近溶腔断面拱顶下沉单次位移值

图4 临近溶腔断面拱顶下沉累计值

拱脚处水平位移分析

根据图5至图6，将距离溶腔8m位置处看作变形空间曲线变化点，将侧墙水平位移单次位移记录图分为8m外水平位移增加段和8m内水平位移减小段。增加段内各个断面的同期位移的增加量与断面和溶腔的距离成正比，直到开挖至距离溶腔8m位置处，其开挖瞬时水平释放位移出现一个突增。8m范围内的断面水平瞬时释放位移不断减小。

水平总位移量受溶腔影响的断面主要位于距离溶腔6m范围以内，6m以外的断面其水平位移总值与正常值（2.14mm）会有所增加，从距离溶腔6m位置开始，水平位移总量逐渐减小。最后一个断面的侧墙水平位移总量只有0.89mm。

图5 临近溶腔断面拱脚水平单次位移值

图6 临近溶腔断面拱脚水平位移累计值

掌子面挤出位移分析

将隧道开挖接近并突破溶腔的过程中掌子面关键点位移图分为两个阶段。第一阶段如图7所示，掌子面的变形与正常曲线相比差别不大，主要区别为开挖瞬时挤出变形，第一阶段范围的断面开挖引起下个断面掌子面挤出变形量随着溶腔的不断接近呈现均匀增加的趋势，到分界线处出现一个突增。正常断面的开挖瞬时挤出位移为1.2mm，分界线处的挤出位移为2mm。第二阶段如图8所示，掌子面的变形开始向溶腔内部发展，进入分界线的第一个断面掌子面的前期位移开始明显指向溶腔，而开挖瞬时挤出变形也开始减小，到第二个断面这种趋势更加显著。距离溶腔4m范围内的断面变形几乎完全指向溶腔内部，最大瞬时变形位移值约为1mm。