隐伏溶洞位置组合效应对隧道施工影响的数值分析

赵珂

（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

隐伏溶洞是隧道开挖过程中未揭露出来的溶洞.隐伏溶洞分布在隧道开挖轮廓以外，由于隐伏具有一定的隐蔽性，当隧道开挖接近隐伏溶洞时，由于无法了解前方地质情况，会使得隧道施工进入该区段后，由于没有及时支护或支护强度不够，造成隧道突发性的破坏[1].溶洞与隧道的相对位置是影响隧道施工安全与支护结构稳定性的重要因素.近年来，各专家学者研究了单个溶洞对隧道施工的影响[1-12].赵明阶等[2-6]用模型试验和数值分析手段，系统地研究了隧道周边溶洞分布情况对围岩变形特性的影响进行了系统的研究，认为位于隧道顶部附近的溶洞对拱顶下沉位移影响大于侧壁位移的影响；位于隧道侧面的溶洞主要引起隧道的整体侧向位移，使隧道处于偏压状态；隧道底部溶洞对隧道的顶部和侧壁径向位移影响较小.宋战平等[7-10]根据西南地区岩溶隧道灾害的调查，针对中小尺度溶洞引起的隧道稳定性问题，运用数值试验方法，对不同规模与位置的隐伏溶洞引起隧道位移变化规律的内在机理进行了分析，不同位置、尺寸的隐伏溶洞对围岩位移、应力和支护结构内力的影响；赖永标[11]对隐伏溶洞与隧道之间的安全距离进行了探讨，通过建立有限元数值试验模型，提出了基于SVM的隐伏溶洞与隧道间安全距离的预测方法.饶俊英等[12]考虑多因子耦合效应，建立了岩溶隧道结构安全模糊评价模型.

现有研究仅针对单个溶洞进行分析，然而自然界中溶洞往往成群发育，溶洞之间会相互影响，存在组合效应.目前尚缺乏溶洞间组合效应对隧道施工的影响研究.基于目前研究现状，本文以数值模拟实验为手段，研究隐伏溶洞不同位置组合对隧道施工中围岩变形与支护结构受力的影响.

1 基于Midas/gts三维数值模型的建立

1.1 Midas/gts基本理论

本文采用有限元分析软件Midas/gts进行建模分析.Midas/gts是针对岩土工程领域研发的一款有限元分析软件.广泛适用于隧道、边坡等各种岩土工程的建模与分析，使用该软件能较为准确地进行溶洞位置组合效应对隧道施工影响的数值模拟分析.本次数值模拟岩土体采用摩尔库伦作为本构关系，其屈服准则为：

式中，c为岩土体的黏聚力；φ为岩土体的内摩擦角；σ为岩土体所受应力值.

喷射混凝土和锚杆采用线弹性模型：

式中，E为材料弹性模量；μ为材料泊松比.

1.2 模型参数选取

该数值模拟建立长宽高为80m×80m×30m 的岩土体模型，隧道断面尺寸及模型尺寸见图1～3.

图1 模型主视图

图2 模型侧视图

图3 隧道断面尺寸图

根据相关文献资料以及西南地区溶洞发育情况，将溶洞简化为球形，半径取4 m.模拟假设在隧道掘进方向10 m和20 m处各有一个溶洞，两处位置分别记作位置1与位置2.溶洞与隧道净距2 m，两溶洞在隧道开挖方向（Y轴正向）净距2 m.取隧道周围最具代表性的位置分析比较，即溶洞位置分别在隧道90°（拱顶）、45°（拱腰）、0°（洞壁）、-45°（拱脚）和-90°（拱底）五个位置，溶洞与隧道相对位置见图4.

根据隧道两截面处溶洞分布的相对位置，进行10种工况数值模拟，见表1：

图4 溶洞与隧道相对位置图

表1 数值模拟工况表

该模拟控制隧道及溶洞周围岩土体单元为长度1 m的三维实体单元，模型边界XZ平面单元尺寸控制为5 m，掘进方向单元尺寸控制为1 m.根据规范及数值模拟要求，锚杆布设在隧道边墙及拱顶位置，选用一维植入式桁架单元，长度为4 m，共23根，单元尺寸控制为1 m；喷射混凝土采用二维板单元，喷射厚度20 cm，尺寸控制为1 m.底部边界控制位移Ux=Uy=0，yz面处边界控制位移Ux=0，xz面处边界控制Uy=0，位移上表面边界为自由面.网格划分见图5.

模拟采用台阶法开挖，控制进尺3 m.为了提高模拟安全系数和计算效率，对施工模拟工作进行了一定简化，并将二衬作为安全储备不予考虑.模型各材料选取参数见表2.

图5 模型网格划分图

表2 模型材料参数

2 模型的求解分析

隧道拱顶沉降、拱底隆起与水平收敛值是隧道施工安全的基本判别指标，隧道拱脚位置支护结构会产生应力集中，隧道支护结构通常以拱脚位置受力情况进行设计.因此该模型选取以上十种工况的拱脚位置支护结构应力值，隧道围岩水平收敛、拱顶沉降以及拱底隆起值对隧道施工安全性进行分析.绘制拱脚支护结构应力折线图与隧道围岩拱底、拱顶与洞壁最大变形值的直方图.以工况1为例，数值模拟所得围岩变形、支护结构最大与最小主应力云图见图6-8.

图6 围岩变形云图

图7 支护结构最小主应力云图

图8 支护结构最大主应力云图

2.1 隧道拱脚位置应力分析

根据所建立模型，提取10种工况下隧道支护结构拱脚位置最大与最小应力值（图9～10）：

由图9可知，工况3、工况6、工况8在位置2处，隧道支护结构所受最大主应力产生突变，隧道支护结构出现应力集中现象，应力值增幅达20%左右；工况10在位置1处支护结构出现应力集中，应力涨幅达20%左右；工况1、工况2、工况5支护结构所受最大主应力与无溶洞地层支护结构所受最大主应力差别不大；工况4、工况7、工况9与工况10在位置2处应力值减小，减小约15%，推测该情况是由于溶洞位于隧道拱底位置，溶洞与隧道的屏蔽效应造成的隧道支护结构应力减小.

图9 最大主应力变化图

图10 最小主应力变化图

由图10可知，工况7、工况10在位置1最小主应力发生突变，产生应力集中，应力增幅达40%左右，推测是由侧部溶洞与底部溶洞组合效应造成；工况3、工况4、工况6、工况8与工况10在位置2产生应力集中，最大增幅超过50%；工况1、工况2、工况9与工况5支护结构所受最小主应力大小与无溶洞地层所受支护结构最小主应力差别不大.

综上，溶洞群位于隧道上部（拱顶、拱腰）时，由于溶洞与隧道间存在屏蔽效应，导致隧道支护结构应力与无溶洞地层差别不大，甚至应力值有所减小.溶洞群位于隧道下部（拱底、拱脚）时，溶洞与隧道间同样存在屏蔽效应，会导致支护结构部分位置应力减小，但若拱脚位置存在溶洞，隧道支护结构拱脚位置同样会出现应力集中，容易造成隧道支护结构破坏.溶洞群位于隧道侧部（拱腰、洞壁、拱脚）时，对隧道支护结构的稳定性最不利，拱脚位置出现应力集中；尤其是当溶洞群位于隧道侧部偏下位置，隧道支护结构应力集中现象最明显，对施工安全与隧道支护结构稳定性影响最大，隧道支护时应着重考虑该种工况，对隧道支护结构进行加固处理.

2.2 拱顶沉降分析

根据所建模型，提取10种工况下隧道拱顶竖向沉降最大值与无溶洞隧道拱顶沉降平均值作对比，如图11所示.

图11 拱顶沉降图

由图11可知，工况5、工况6与工况8拱顶沉降比无溶洞地层隧道拱顶沉降值大，其中工况5拱顶沉降值最大；工况1～3拱顶沉降值与无溶洞地层隧道拱顶沉降值相差不大；工况4、工况7、工况9与工况10拱顶沉降小于无溶洞地层拱顶沉降值，推测是由于溶洞分布在拱底，溶洞与隧道间屏蔽效应造成.

2.3 拱底隆起值分析

根据所建模型，提取10种工况下隧道拱底竖向隆起最大值与无溶洞隧道拱底隆起平均值作对比，如图12所示.

由图12可知，工况1、工况2与工况4拱底隆起值与无溶洞地层隧道拱底隆起值差别不大；其余工况较无溶洞地层隧道拱底隆起值有较大增量，其中工况10拱底隆起值最大.

2.4 隧道单侧水平收敛值分析

根据所建模型，提取10种工况下隧道掘进方向最右侧位置隧道水平位移最大值与无溶洞隧道相同位置水平位移平均值作对比，如图13所示.

图12 隧道拱底隆起值

图13 隧道单侧水平收敛值

由图13可知，工况2～4、工况8～10隧道单侧水平收敛值大于无溶洞地层隧道单侧水平收敛值，其中工况4隧道单侧水平收敛值最大；工况1、工况5～7隧道单侧水平收敛值小于无溶洞地层隧道单侧水平收敛值.

3 结论

本文通过数值模拟，对溶洞分布部位的组合效应进行了分析.当溶洞群位于隧道上部（拱顶、拱腰）时，由于溶洞屏蔽效应，对隧道施工时围岩变形与支护结构受力影响较小，对于分布于隧道上部的溶洞群，施工时应加强监测，对于隧道支护结构可不进行加强设计.当溶洞群位于隧道下部（拱脚、拱底）时，隧道施工时应注意拱脚位置溶洞，拱脚位置的溶洞存在会造成隧道支护结构应力增加，对该种情况应加强监测，对分布在隧道拱脚位置的溶洞进行注浆加固，并对支护结构进行加强.与无溶洞地层隧道施工相比，溶洞群分布在隧道侧部（拱腰、洞壁、拱脚）时支护结构所受应力与隧道围岩变形有较大增长.因此，该工况对隧道稳定性最为不利，隧道施工时应加强监测，采取合理施工工法，及时支护，并加强隧道支护结构强度.

本文探讨了隐伏溶洞群位置组合效应对隧道施工的影响，与以往对单个溶洞进行分析相比，更符合实际工程.但本文仅针对干洞进行分析，对于含水溶洞，在流固耦合作用下，溶洞失稳对隧道施工的影响仍需要进一步研究.