隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的数值模拟研究

2021-03-04赵旭杰

资源信息与工程 2021年1期

赵旭杰

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000)

0 引言

隧道工程则在道路交通领域中占有举足轻重的位置。岩溶隧道所处的地质条件极为复杂，其中不乏断层、破碎带、溶洞和地下暗河等。这些地质因素不仅影响着隧道工程的施工进度，有时还会造成塌方、泥石流、涌水等地质灾害，危及人民群众的生命和财产安全。因此，岩溶区隧道的修建技术已然成为国内外专家学者研究的重点课题之一。

近年来，国内外学者对于岩溶隧道方面研究已经取得丰硕的成果。武金博等[1]关于隧道超前的地质预报技术，提出了多种物性参数对比的综合超前地质预报技术，实践也验证了该方法的准确性。钟剑等[2]基于有限元数值模拟方法对岩溶隧道洞口段加固措施进行了数值模拟研究，揭示了不同支护方式对岩溶隧道围岩稳定的作用机理。周雪铭等[3]采用大型三维有限元数值模拟软件ANSYS对白须公岩溶隧道进行了研究，分析了岩溶处治结构在隧道开挖过程中的受力情况。莫阳春等[4]结合宝成铁路的工程实际，采用有限差分软件FLAC3D对侧部含溶洞隧道进行了数值模拟研究，分析了不同溶洞大小，不同距离条件下隧道围岩的稳定性。朱浩博等[5]采用数值模拟和正交试验相结合的方法对下部溶洞隧道进行了研究，并基于多元回归分析方法建立隧道与溶洞厚度之间的最小安全距离预测模型。

本文在总结前人研究内容的基础上，采用MIDAS/GTS NX有限元数值模拟方法对辽宁某在建隧道进行数值模拟研究，分析了不同溶洞跨度、溶洞与隧道之间洞间距情况下隧道围岩的稳定性，研究结论可为工程实际提供可靠的理论指导。

1 工程概况

隧道位于辽宁省阜新市境内，区域为辽宁西北部，属于中山侵蚀切割地貌，区域高度为230～330 m。该隧道为左右分离式布设，其中左幅隧道长度为480.7 m，右幅隧道长度为468.4 m，隧道建设标准为单向双车道，跨度为12.9 m，高度为9.98 m，设计时速为60 km/h。隧道穿越山体的岩石类别主要为灰岩和砂岩，部分区段还有少量的大理岩和花岗岩。辽西地区属于亚热带季风气候，四季分明，夏季雨量充沛，在长期雨水冲刷及近年来酸雨的侵蚀作用，在隧道穿越区形成了典型的岩溶地貌。通常情况下，岩溶发育必须具备两个主导因素，即可溶性碳酸盐和水，其水化学反应机理可表示为：

(1)

(2)

本文隧道穿越区满足上述条件，因此在该区域形成了典型的岩溶地貌。

2 数值模型建立

为节省数值模拟计算时间，同时考虑边界效应的影响，单幅隧道左右边界距隧道中心取值为不小于2.5倍洞跨，隧道设计跨度为12.6 m，则模型水平方向计算宽度取70 m，模型底部边界距隧道仰拱不少于3倍洞高，隧道设计洞高为10 m，底部边界与仰拱之间距离取40 m。本文隧道围岩等级为Ⅳ级，计算模型采用M-C强度准则，隧道及围岩采用各向同性的三维实体单元结构；隧道衬砌采用二维板单元结构，锚杆采用一维植入式桁架结构；隧道网格采用混合四面体网格，隧道边界条件则根据MIDAS/GTS NX中内置的自动识别边界条件设置。根据现场实际情况，隧道采用预留核心土开挖方法，以每循环2 m/d的施工进度进行开挖作业。为分析不同溶洞情况下的隧道围岩稳定性，本文结合工程实际，考虑溶洞大小和溶洞与隧道之间距离两个影响因素，即溶洞的跨度D和洞间距S。其中，洞跨D分别取4，8，12.6和16 m，洞间距S分别取6，8，10和12 m，数值模型见图1。

图1 岩溶隧道数值模型

参考工勘报告，并结合《公路隧道设计规范》中各物理参数的取值范围，给出了本文数值模拟参数的取值见表1。

表1 材料物理力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 溶洞跨度影响分析

根据数值模拟结果，分别提取隧道各特征点的位移见表2，为了便于分析，本文取x轴和y轴正方向为正值，则拱顶沉降和右边墙收敛位移均为负值。由表2可知，随着溶洞跨度的逐渐增大，拱顶沉降和拱底隆起均呈逐渐递减趋势。其中，当溶洞跨度为D=4 m时，隧道的拱顶沉降位移变化量为62.755 mm，当溶洞跨度分别为D=8，12.6和16 m时，拱顶沉降变化量分别减小了4.774，13.288和13.651 mm，减幅分别为7.62%、21.17%和21.75%，表明隧道上部溶洞对隧道拱顶沉降具有一定的保护作用，且在溶洞跨度在一倍隧道洞跨前，对隧道拱顶位移影响较大，当溶洞跨度超过一倍隧道洞跨时，拱顶沉降逐渐趋于平稳。当溶洞跨度为D=4 m时，拱底隆起位移变化量65.087 mm，当溶洞跨度分别为D=8，12.6和16 m时，拱底隆起变化量分别减小了4.851，11.473和15.983 mm，减幅分别为8.99%、17.63%和24.56%。可见，溶洞跨度对隧道拱底隆起与对隧道拱顶沉降具有相同的作用，且从位移变化量上来看，上部隐伏溶洞对隧道拱底的影响略高于拱顶。产生上部溶洞导致拱顶、拱底位移减小的原因为溶洞在隧道上方时，对隧道上方围岩起到了应力屏蔽作用，且当溶洞跨度大于一倍隧道跨度时，应力屏蔽现象更加明显。

表2 不同溶洞跨度下的数值模拟结果

根据表2可知，随着溶洞跨度的逐渐增大，左边墙收敛位移和右边墙收敛位移均呈逐渐递减趋势。其中，当溶洞跨度为D=4 m时，隧道的左边墙收敛位移变化量为66.396 mm，当溶洞跨度分别为D=8，12.6和16 m时，左边墙收敛位移变化量分别减小了11.006，21.868和25.995 mm，减幅分别为16.58%、32.94%和39.15%，右边墙收敛位移变化量分别减小了10.846，21.923和25.918 mm，减幅分别为16.34%、33.03%和39.05%。可见，上部溶洞对隧道左右边墙同样具有应力屏蔽作用，且对比左右边墙和拱顶拱底位移变化量可知，屏蔽作用对左右边墙更明显。同时对比左右边墙收敛位移发现，二者在数值上几乎相等，进一步表明数值模拟结果的准确性。

根据数值模拟结果，提取隧道周围岩体的最大拉应力和最大压应力，绘制二者随溶洞跨度的分布曲线如图2所示。从图2中可以看出，最大拉应力随溶洞跨度呈波动变化，最大拉应力值在溶洞跨度为D=8 m，但最大拉应力值整体上随溶洞跨度的增大而减小，而最大压应力随溶洞跨度呈单调递减趋势。当溶洞跨度为D=4 m时，隧道围压最大拉应力为-0.539 MPa，最大压应力为2.486 MPa，当溶洞跨度为D=16 m时，隧道围岩最大拉应力减小至-0.385 MPa，最大压应力减小至2.211 MPa，二者减幅分别为28.57%和11.06%。可见，溶洞跨度对隧道周围岩体的应力同样具有显著影响，随着溶洞跨度的逐渐增大，隧道承受上部及周围岩体的应力逐渐减小，且溶洞跨度大于一倍洞跨时，隧道周围岩体应力基本朝着稳定趋势发展。

图2 最大拉、压应力随溶洞跨度分布曲线

3.2 洞间距影响分析

根据数值模拟结果，分别提取隧道各特征点的位移值于表3所示。由表3可知，随着洞间距的逐渐增大，拱顶沉降和拱底隆起均呈逐渐递增趋势。其中，当洞间距为S=6 m时，隧道的拱顶沉降位移变化量为56.98 mm，当洞间距分别为S=8，10和12 m时，拱顶沉降变化量分别增大了1.638，2.320和3.002 mm，增幅分别为2.87%、4.07%和5.27%。可见，随着洞间距的逐渐增大，二者之间相互影响逐渐减小。当洞间距为S=6 m时，拱底隆起位移变化量58.963 mm，当洞间距分别为S=8，10和12 m时，拱底隆起变化量分别增大了2.406，3.253和4.089 mm，增幅分别为4.08%、5.52%和6.49%。分析表明，洞间距的逐渐增大使两空腔相互作用逐渐减弱，隧道上部有效土层厚度逐渐增加，致使隧道承受周围岩体的应力逐渐增大，进而使拱顶、拱底位移变化量逐渐增大，但当洞间距大于一倍洞高时，隧道拱顶沉降和拱底隆起位移均朝着逐渐稳定趋势发展。

表3 不同洞间距下的数值模拟结果

根据表3可知，随着洞间距的逐渐增大，左边墙收敛位移和右边墙收敛位移均呈逐渐递增趋势。其中，当洞间距为S=4 m时，隧道的左边墙收敛位移变化量为40.876 mm，当洞间距分别为D=8，10和12 m时，左边墙收敛位移变化量分别增大了2.958，4.907和5.365 mm，增幅分别为7.24%、12.00%和13.13%，右边墙收敛位移变化量分别增大了2.815，4.775和5.388 mm，增幅分别为6.87%、11.65%和13.15%。可见，左右边墙收敛位移验证了上述结论，即洞间距越大，隧道和溶洞之间相互影响越小，且当洞间距超过一倍洞高时，左右边墙水平收敛位移逐渐趋于稳定。

根据数值模拟结果，提取隧道周围岩体的最大拉应力和最大压应力，绘制二者随洞间距的分布曲线如图3所示。从图3中可以看出，最大拉应力、最大压应力均随洞间距逐渐增大。当洞间距为S=6 m时，隧道围压最大拉应力为-0.603 MPa，最大压应力为2.343 MPa，当洞间距为S=12 m时，隧道围岩最大拉应力增大至-0.683 MPa，最大压应力增大至2.524 MPa，二者增幅分别为13.27%和7.73%。可见，洞间距对隧道周围岩体的应力同样具有显著影响，随着洞间距的逐渐增大，隧道上部土层有效厚度逐渐增大，致使隧道承受上部围岩压力逐渐增大，但洞间距大于一倍洞高时，隧道周围岩体应力基本朝着稳定趋势发展。