侧面溶洞对双连拱隧道中隔墙的影响研究

徐友强

（四川公路桥梁建设集团有限公司机械化施工分公司， 四川 成都 610000）

0 引言

岩溶在我国分布范围十分广，占到我国国土面积的1 3，在岩溶区修建隧道一直以来都是工程界的一大难题，复杂多变的地质情况难以预测。近年来我国的交通建设量与日俱增，在岩溶地区修建公路、铁路隧道工程将越来越多，特别是在西部、西南部山区，线路常常是穿越了岩溶地区，由于岩溶地区的特殊性、施工技术限制和目前我国对岩溶的研究的局限性，常常在岩溶隧道开挖过程中出现难以预测和抵抗的灾害——突水、涌泥、坍塌等，给施工人员的生命财产和工程造成巨大的损失。

目前，我国的专家、学者针对岩溶双连拱隧道的修建有一定的研究，王炎[1]以百靖高速公路 1号连拱隧道为依托，采用数值模拟的方法研究溶洞位置、规模以及方向对连拱隧道中隔墙的影响并提出了不同岩溶条件下中隔墙的限制长度。张建明[2]针对两河口隧道连拱隧道结构特征和岩溶地质特征，对岩溶地区的双连拱隧道进行了数值模拟分析。陈均甫[3]利用有限差分软件分析了岩溶区双连拱隧道在不同开挖错距下的围岩稳定性。冯军武[4]分析了岩溶地区双连拱隧道的特点，提出了三导洞紧跟开挖方法。林春娇[5]等对岩溶地区公路双连拱隧道超前地质预报进行了报道分析。张甘成等[6]报道了双连拱隧道底部采用拱梁结构跨越溶洞的工程实例，并探讨了计算模型的建立和计算荷载的确定方法。陈洪涛等[7]通过有限元的方法，研究了岩溶地区岩溶地区隐伏溶洞存在的连拱隧道区段开挖施工过程中，埋深对中隔墙和围岩的应力、位移的影响。

双连拱隧道与单洞的开挖存在较大的差异，主要体现在开挖跨度大，开挖需要按照规范错距开挖，因此会引起由于施工方法带来的偏压效应，在岩溶地区周围隐伏溶洞的存在同样可能造成隧道结构受到偏压的效果[8]，研究周围隐伏溶洞存在时双连拱隧道开挖的力学响应规律，对岩溶区双连拱隧道修建的安全、稳定有着重大的意义。

1 工程概况

在建中的宜宾至叙永高速公路，是四川省“十二五”期间规划建设的高速公路，项目全长约110公里。石人山隧道属宜叙高速公路第14分部，为连拱隧道，隧道起点里程K64+635，终点里程K64+990，隧道全长355米。在施工过程中通过超前地质预报和地质雷达探测以及揭露了多处周围隐伏溶洞，在右线 K64+700侧面探测到距离隧道5m的非充填型溶洞，溶洞直径约5m，呈梨形；在右线K64+812底部探测到距离隧道3m的非充填型溶洞，溶洞直径约3m，呈球形；在右线K64+883侧面探测到距离隧道10m的非充填型溶洞，溶洞直径约9m，尺寸较大；隧道在开挖过程中也时常揭露溶蚀性管道、溶蚀性裂缝等岩溶分支，给隧道的施工带来了一定的安全隐患。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

针对石人山双连拱隧道实际情况，对实际工程简化后建立模型，旨在探究双连拱一侧溶洞对隧道初期支护受力的影响规律。将岩溶空腔简化为球形，换算到二维有限元模型中，空腔简化成圆形。

图1 模型示意图

如图1所示，该模型中溶洞为圆形，直径为6m，距离隧道4米，隧道部分网格划分较细，模型中的元素包括双连拱中的围岩（实体单元）、中隔墙（实体单元）、初期支护（壳单元）、二次衬砌（实体单元）。

2.2 参数的选取

在模型中，围岩采用摩尔-库伦理想弹塑性材料模型，开挖区采用空模型（null），初期支护为壳单元，二次衬砌为实体单元，均为弹性模型。计算所用材料的参数均采用试验和现场实测的灰岩和白云岩层的岩体物理力学参数。

表1 模型材料相关参数

2.3 工况设置

为了研究双连拱一侧隐伏溶洞的大小、距离对双连拱隧道初期支护的影响，总共设置9种不同的工况，由三种不同的距离（4m、9m、14m）和三种不同的溶洞大小（4m、6m、8m）组合而成。如表2所示：

表2 工况设计

2.4 开挖步骤及检测点

由于石人山隧道的重要性，根据隧道岩溶段的工程地质条件和水文地质条件，结合施工单位的施工技术条件和机械设备状况，岩溶段隧道开挖方法选用中导正洞三步开挖法。开挖时按设计预留变形量，施工中应根据围岩监控量测结果及时调整。

3 模拟结果分析

中隔墙在双连拱隧道中的核心支撑结构，很好的起到了减跨的效果，中墙的稳定性直接关系到双连拱隧道的稳定性以及围岩的承载体系调整过程，判识中隔墙稳定性的因素较多，在此主要选取中隔墙垂直方向的应力（szz）和水平方向的位移（xdisp）两个因素，重点分析双连拱在侧面溶洞影响下表现出的偏压效果。

3.1 对中隔墙受力的影响

对十种不同工况的计算结果进行提取、处理后，绘制成等值线云图（szz），分析双连拱侧面溶洞对中隔墙垂直应力的影响。

图2 工况0与工况1下的szz

如图2所示，工况0是无溶洞存在的情况下中隔墙的垂直应力云图，中隔墙顶部等值线分布左右对称，垂直应力从4MPa增加至7MPa，未出现偏压效应；到中隔墙中部，垂直应力出现明显的左右不对称，垂直应力从8MPa增加至10MPa，右侧的受力大于左侧。工况1中，中隔墙顶部从4 MPa等值线开始就出现左右不对称分布，垂直应力从3MPa增加至11MPa，到中隔墙中部，垂直应力出现明显的左右不对称，右侧的受力大于左侧，同一水平面的垂直应力最大相差4MPa。

图3 工况2与工况3下的szz

工况2（图3）中，中隔墙顶部从4MPa等值线开始就出现左右不对称分布，垂直应力从4MPa增加至11MPa，到中隔墙中部，垂直应力出现明显的左右不对称，右侧的受力大于左侧，同一水平面的垂直应力最大相差4MPa，在中隔墙底部从8 MPa的等值线开始出现不对称分布。工况3中的垂直应力分布类似，只是在中隔墙底部从7 MPa的等值线开始出现不对称分布。

采用同样的分析方法对其余的6种工况进行分析，综合得出：

（1）侧面溶洞存在的情况下，中隔墙顶部和底部一定范围内的垂直应力是左右对称分布，在中隔墙中部则出现左右不对称分布，中隔墙中部靠近溶洞侧垂直应力最大，往左应力减小。

（2）同样的条件下，增大溶洞的直径或减小溶洞与隧道的距离会使得中隔墙中部近溶洞侧的垂直应力增大。

3.2 对中隔墙变形的影响

对十种不同工况的计算结果进行提取、处理后，绘制成等值线云图（xdisp），分析双连拱侧面溶洞对中隔墙变形的影响，考虑到对中隔墙安全影响评判指标较多，主要针对偏压效应带来的水平位移进行分析，因此分析中隔墙十种工况下的水平位移。

图4 工况0与工况1下的xdisp

工况0（图4）下，此时无溶洞影响，中隔墙水平位移量很小，最大的水平位移出现在顶、底部左右两侧，中隔墙右侧向左侧产生位移，左侧反之。工况 1中溶洞的出现，使得中隔墙中部向远离溶洞方向产生变形，最大约0.8mm。

图5 工况2与工况3下的xdisp

随着溶洞的远离，这种影响逐渐减弱，综合对比分析工况 1、2、3中中隔墙的变形可以发现（图5），在侧面溶洞的影响下，中隔墙中部会往远离溶洞方向发生变形，直径4m的溶洞距离隧道9m时，中隔墙中部水平位移为0.7mm，距离14m时为0.6mm。

采用同样的分析方法对其余的6种工况进行分析，综合后得出：

（1）侧面溶洞对中隔墙变形的影响主要体现中隔墙中部的水平位移，从结构上讲是中隔墙在中部承受了弯矩，导致中隔墙中部向远离溶洞的方向产生了变形。

（2）同样的条件下，增大溶洞的直径会使得中隔墙中部变形量增大；而同样条件下，溶洞从邻近隧道到远离的过程中，中隔墙中部的变形量会先增大在减小。

4 结语

隧道的偏压主要由地质和施工引起，双连拱隧道由于错距开挖会造成偏压，而侧面溶洞的存在同样会引起偏压，影响到隧道结构的受力分布，应力的不均匀、不对称分布可能造成结构在薄弱点因应力集中而发生破坏从而降低隧道的安全性。本文依托宜叙高速双连拱隧道的建设，通过设计数值试验，针对中隔墙在侧面溶洞影响下的变形、受力进行了研究，得到以下结论和建议：

（1）侧面溶洞存在的情况下，中隔墙中部靠近溶洞侧垂直应力最大，往左应力减小。同样的条件下，增大溶洞的直径或减小溶洞与隧道的距离会使得中隔墙中部近溶洞侧的垂直应力增大。

（2）侧面溶洞会使得中隔墙中部一致向远离溶洞的方向产生变形。同样的条件下，增大溶洞的直径会使得中隔墙中部变形量增大；而同样条件下，溶洞从邻近隧道到远离的过程中，中隔墙中部的变形量会先增大在减小。

（3）建议在此类工程中，对中隔墙的配筋进行改进，偏压使得中隔墙在中部承受一定的弯矩，应当提高中隔墙靠近溶洞侧的配筋率，以增强该侧结构的抗压强度。