基于隐伏溶洞对大断面隧道围岩稳定性影响分析

许 垒

(铁正检测科技有限公司 山东济南 250014)

1 引言

随着我国西部大开发的不断深入，西南地区大断面隧道建设也越来越多。受到西南喀斯特地貌影响，隧道建设过程中遇到越来越多的岩溶发育病害，隧道建设风险愈来愈大，并由此引发的地质灾害也越来越多。

近年来在城市轨道建设中，特别是山区城市轨道建设中，会遇到较多的浅埋暗挖隧道，而对于浅埋隧道来说岩溶发育更具危险性，因此，研究岩溶发育对隧道开挖及围岩稳定性的影响显得尤为重要。目前国内外对于岩溶发育机理及探测方法有较多的研究，刘记[1]基于渗流场及应力场耦合原理，分析了岩溶地区隧道邻近高水压溶洞对围岩稳定性的影响，并提出了正交试验设计对隧道与溶洞最小防止突水距离的发展规律；许振浩、李术才等[2]通过鸡公岭隧道岩溶突水突泥的分析，建立了综合权重及专家分析进行风险评估的动态评估模型，并得到较好应用；张庆松等[3]针对目前岩溶较难探测的现状，通过综合研究目前最先进的探测手段，提出了宏观超前地质预报及长短期地质预报体系，并在很多项目得到应用；李奎等[4]通过对岩溶宏观和微观方面的研究，分析了岩溶洞穴的发育规律，并由此探索岩溶洞穴对隧道施工工序的影响，这对于隧道建设有一定的指导意义。

张倬元、蒋良文等[5]通过对圆梁山隧道特大型充填溶洞的研究，提出了倒虹吸循环对溶洞发育的影响规律，分析了长期的溶蚀对岩溶发育的促进作用；宋战平等[6－7]通过顶部既有溶洞对圆形隧道稳定性的影响分析，提出了顶部隐伏溶洞对于增加隧道围岩拉应力的变化规律，并提出了“先期位移”“开挖瞬时释放位移”的概念。

但是，目前对于大断面隧道周边受到隐伏溶洞的影响研究还比较少，特别是分别对顶部、隧底、左右拱腰位置溶洞发育对在建大断面隧道的影响的研究更为鲜见。

本文以攀大高速宝鼎隧道为研究对象，针对隧道顶部、隧底和左右拱腰隐伏溶洞对隧道开挖过程受力特征影响进行分析，通过数值模拟建立隧道隐伏溶洞发育模型，并计算其变形特征，通过现场监控量测分析预测溶洞对在建隧道围岩稳定性的影响。

2 工程地质概况

攀大高速是攀枝花至大理高速公路，全线桥隧占比80%以上，其中宝鼎1号隧道是攀大高速公路的控制性工程，具有埋深大、断面大、地质复杂的特点。

宝鼎1号隧道设计为双向分离式大断面隧道，左洞桩号为ZK9＋383～Zk14＋467，全长5 084 m，其中最大埋深处达600多米。隧址位于低中山－中山区构造地貌，并且具有喀斯特地貌特征，岩溶较为发育，从已发现的溶洞看，较多发育为非填充型溶洞。

隧址高程在1 340～2 264 m之间，相对高差约924 m。微地貌主要受地层岩性及地质构造控制，隧址区进口段及洞身段为晋宁期石英闪长岩，出口段300多米为三叠系上统大荞地组砂砾岩夹泥岩和煤层，斜坡上冲沟发育，多呈“V”字型，皆为季节性流水，雨季受大气降水补给，冲沟有水，旱季则无水。

3 数值模拟及分析

建立数值模型，通过数值分析来研究隐伏溶洞的存在对隧道开挖的影响，本文针对几种常见隐伏溶洞的赋存方式分析其对隧道开挖影响程度[8－10]。

3.1 模型建立

建立Ⅴ级围岩、250 m埋深条件下隧道数值模型，设定赋存于隧道拱顶、左右拱腰和隧底位置四种工况，对隧道开挖受力特征进行分析，模型见图1。

图1 隐伏溶洞赋存形式

对隧道模型进行以下假设[11－12]:

(1)隧道围岩为均质围岩，开挖过程未受明显重大地应力影响。

(2)采用三台阶开挖方式。

(3)四种工况采用相同的建模参数(见表1)。

表1 __宝鼎隧道围岩参数

(4)隐伏溶洞为均质规则形式。

数值模型构建完成后，针对四种工况计算分析隧道受力及变形特征。

3.2 拱顶隐伏溶洞力学特征

当隐伏溶洞位于隧道拱顶位置时，对隧道进行开挖，模拟隧道开挖过程中的受力特征。从隧道开挖过程病害发生情况来看，纵向发生病害的概率最大，因此本文针对四种工况重点分析隧道纵向受力特征。拱顶位置纵向位移和应力见图2。

图2 拱顶位置纵向位移和应力云图

由图2可以看出，当隐伏溶洞赋存于拱顶位置时，隧道纵向位移累计变化最大为8.18 cm，而纵向应力最大为17.12 MPa，拱顶位置赋存溶洞对隧道拱顶影响较大，应加强支护，以保证能够承受较大的竖向荷载。

3.3 拱腰隐伏溶洞力学特征

由于构建模型时，左右拱腰与隧道中心线左右对称，因此本文仅分析左拱腰位置赋存溶洞的情况。左拱腰位置纵向位移和应力见图3。

图3 拱腰位置纵向位移和应力云图

由图3可知，左拱腰赋存溶洞情况下，隧道纵向位移累计最大为5.2 cm，纵向应力最大为17.18 MPa，左拱腰位置和拱顶应力变化差别不大，而位移影响较大。

3.4 隧底隐伏溶洞力学特征

隧底对隧道开挖的影响主要来自隧底的应力，仰拱支护力不足可能会造成仰拱上移，隧道运营后出现轨道板上拱病害，因此要重视隧底部位的位移应力特征。隧底位置纵向位移和应力见图4。

图4 隧底位置纵向位移和应力云图

由图4可知，当隧底赋存溶洞时，隧道纵向位移累计最大为4.55 cm，纵向应力最大为16.55 MPa。可以看出，应力变化不大，位移减小。

4 监控量测分析

根据超前预报及前期地质勘探资料，宝鼎1号隧道有6个开挖断面，选定含有四种工况的断面进行现场监测，测点布设见图5。

图5 拱顶监测布置

根据宝鼎隧道围岩级别及现场监测数据，综合考虑，采用“锚杆＋混凝土＋钢拱架”的支护方式，具体结构参数见表2。隐伏溶洞位置隧道位移及应力见图6、图 7。

图6 隐伏溶洞位置隧道位移曲线

图7 隐伏溶洞位置隧道应力曲线

由图6、图7可知，隐伏溶洞位于拱顶、拱腰和隧底累计最大位移分别为7.89 cm、4.88 cm和4.30 cm，累计最大应力分别为16.35 MPa、16.25 MPa和16.11 MPa。与数值模拟结果相比，位移相差范围均在7%以内，应力相差范围在5%以内，相差较小，可以作为开挖支护的依据。

5 结论

文章基于攀大高速复杂地质条件下的宝鼎大断面隧道施工开挖情况，研究分析了隐伏溶洞不同位置对隧道开挖的影响，通过建立数值模型，分析了隧道拱顶、左右拱腰和隧底存在隐伏溶洞情况下的受力特征，结合现场实际监测数据，与数值模拟结果相差较小，一方面可以证明选择支护的正确性，另一方面可以根据现场监测数据曲线分析隧道是否存在隐伏溶洞的可能性，这为隧道开挖支护形式提供了数据支撑，对于大断面隧道施工具有重要的指导意义。