溶洞区大跨扁平隧道围岩稳定性数值分析研究

□文/刘文静

随着社会的发展及建造技术的不断进步，隧道逐步向大跨度、大断面发展，众多大跨地下结构，如地下水电工程、地下油库、地下LPG库、地下场馆等不断建成。大跨隧道一般选择在地质较好的地层建设，但当不可避免地在如灰岩、白云岩等岩层中建造时，会受到地下溶洞的影响。

国内已有众多学者[1～4]研究溶洞对隧道稳定性的影响，指出了溶洞的存在对洞室的稳定性存在不利影响。但以上研究成果均针对小断面、近圆形隧道，大跨、扁平隧道与小断面、近圆形隧道的受力及施工方法存在较大差异，本文采用有限元数值分析方法分析溶洞对大跨、扁平隧道稳定性的影响，研究隧道掘进中围岩变形和破坏的规律并就处理措施进行分析，为后续大跨隧道的设计与施工给予指导。

1 数值模型建立

基于有限差分数值计算软件FLAC3D，采用地层-结构模型进行建模与计算。地层采用实体单元进行模拟，选取基于Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性本构模型；锚索、锚杆采用cable结构单元模拟；C30喷层混凝土采用shell结构单元模拟。

计算模型范围取隧道左右各100 m、底板下方100 m、隧道顶上方100 m，纵向取1 m。结合袁伟泽、徐干成等[5～6]的研究成果，隧道横向分5 块，导洞横向宽度取10 m；锚索间距取5 m，长度取30 m，预加力取2 000 kN；锚杆间距取1 m，长度取6 m。见图1。

图1 计算模型

先开挖两侧导洞1、后开挖中导洞2、再开挖两中立柱3，最后开挖下台阶4。开挖后立即对本区域范围内溶洞进行处理，施作锚杆、锚索等支护结构并设置6个位移监测点，分别位于拱顶、拱顶角、拱腰、拱腰角、拱肩角、拱肩。见图2。

图2 计算模型及监测点布置

计算时将岩体简化为均质体，基于Ⅲ级围岩，参照GBT 50218—2014《工程岩体分级标准》、RMR 分类及Hoek-Brown 经验准则综合考虑，Ⅲ级均质岩体的黏聚力为1 000 kPa。考虑到一般坚硬岩层中构造应力的存在，本文取侧压力系数为2。见表1和表2。

表1 隧道结构的物理力学参数

表2 支护结构的物理力学参数

为研究不同位置溶洞对隧道稳定性的影响，选取拱顶加固区（直径10 m）、拱顶（直径10 m）、拱腰（直径10 m）、拱肩（直径10 m）、隧道内（直径10 m）、加固区外（直径40 m）6个不同位置进行分析。

2 计算结果及讨论

2.1 无溶洞无锚索

在无溶洞无锚索工况下，隧洞开挖后剪应变增量及塑性区见图3和图4。

图3 无锚索工况剪应变增量

图4 无锚索工况塑性区

隧洞开挖后在较大侧压力的工况下，拱顶、拱肩、洞室边墙角及仰拱处均形成了贯通的塑性区，拱顶存在逐步塌落的风险。

2.2 无溶洞施加锚索

采用锚索对洞顶进行支护后的塑性区见图5。

图5 施作锚索后塑性区

隧洞顶部塑性区域大幅减少，仅在洞室周围形成局部的塑性区且均未形成贯通区域，洞室可处于稳定状态。由此可见，洞顶锚索对洞室的稳定性起到至关重要的作用，需采取措施确保锚索加固效果。

2.3 不同位置存在溶洞

当溶洞位于隧道周围不同位置时，会对洞室的稳定性产生不同的影响。见图6。

图6 不同位置溶洞下不同位置位移

由图6 可知，溶洞所处位置对成洞后拱顶及拱腰处的位移影响不大，而对拱肩处的位移影响要稍大，影响最大的溶洞位置为拱腰。

隧道开挖完成后，溶洞位于不同位置时锚杆轴力差异不大，最大差值仅为9 kN；锚索轴力差值较小，最大差值为50 kN，故可知溶洞的存在对洞室的稳定性的影响不大。见图7。

图7 不同位置溶洞下锚杆和锚索轴力

另外，溶洞位于不同位置处时，隧道开挖完成后洞室周边的塑性区均位于洞室壁周围有限范围，仅在溶洞周边一定范围内存在区别，在其余位置处塑性区的分布差异不大。

2.4 拱顶溶洞回填与否

为研究溶洞回填与否对隧道稳定性的影响，模拟计算了拱顶溶洞在回填后施工锚杆、锚索及直接在溶洞壁施工锚杆、锚索工况下隧道开挖后的稳定性。见图8。

图8 拱顶溶洞回填与否不同位置位移

对溶洞进行回填后施作支护或直接在溶洞壁施工支护，除拱顶溶洞角部外，洞室周围其他位置的位移差异不大；两种工况下锚杆的轴力分别为29.1、29.0 kN，锚索的轴力为2 585、2 580 kN，故可知对于直径不大的溶洞来说，可以不对溶洞进行处理，而在溶洞侧壁直接施作支护结构。

3 结论

1）对于水平应力较大的隧道而言，隧道开挖后存在拱顶逐层塌落的风险，需采取锚索、锚杆等支护措施，锚索对隧道的稳定性起到至关重要的作用，设计与施工时需确保锚索的施工质量及耐久性。

2）溶洞位于隧道不同位置处时，对隧道的稳定性影响不大，隧道开挖后可对洞室轮廓范围内的溶洞采取一般性的处理措施，但考虑到锚索锚固效果，设计与施工中需对位于锚索锚固区的溶洞加强处理措施。

3）对于隧道轮廓范围的溶洞，隧道开挖后也可不对溶洞进行回填处理，而在溶洞侧壁上直接施作支护措施。