高铁隧道与大型溶洞近接施工影响分区研究

甄映州

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

隧道作为地下工程的一种主要形式，在其修建过程中不可避免的会遇到可溶岩地层，而岩溶不良地质发育的无规律性和近接问题的复杂性使得岩溶隧道的设计施工和运营安全面临严峻挑战。仇文革[1]最先对近接工程系统性进行研究。周斌[2]基于近接施工基本原理，利用结构强度准则对上下近接的隧道影响分区进行研究。赵明阶等[3]以朝东岩隧道为背景，运用二维弹塑性分析研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞对隧道围岩稳定性的影响。目前对岩溶隧道的研究停留在如何治理和施工方法的研究和围岩应力分析上，范围比较大，针对性不强[4-5]。

本文研究了溶洞尺寸、位置、埋深、围岩条件、地应力场等因素对高铁隧道近接溶洞施工的影响，以岩土体极限剪应变作为围岩的破坏标准[6]，结合强度折减法计算高铁隧道与溶洞破坏演化过程和稳定安全系数，形成相应的影响分区，探究其中规律。

1 隧道溶洞近接影响分区研究

1.1 数值计算模型

高铁隧道按照铁路隧道双线断面选定，拟定溶洞为φ14.7m的圆洞(与隧道最大高度相同)。计算选用有限差分软件FLAC3D，模型见图1。

在边界条件施加完成后进行地应力平衡，之后对溶洞部分进行开挖计算至收敛，模拟天然溶洞的应力场条件；之后开挖隧道并强度折减，通过观察中夹岩剪应变的变化判断安全系数为1.0时是否满足判据，不断改变相对位置和间距以逼近临界位置。隧道无支护措施，模型物理参数见表1。

图1 数值计算模型

1.2 影响分区标准

本文在强度折减法[7-10]中引入极限剪应变作为岩土体由塑性进入破坏的指标，将极限塑性剪应变与塑性区贯通相结合作为隧道失稳判据。计算过程中通过判断单元剪应变是否大于极限塑性剪应变，若大于则记录失效指针和单元坐标，否则便以二分迭代的方式不断折减安全系数，依次循环直至逼近拟定的安全系数边界。

表1 围岩参数

改变溶洞与隧道结构的相对位置关系，每种位置方向上通过改变隧道结构与溶洞中心的间距进行强度折减，直至求得在安全系数为1.0时，中夹岩达到极限剪应变且塑性区恰好贯通的临界状态，记录该位置坐标。计算示意见图2。

图2 影响分区计算示意

本文认为综合安全系数小于1.0的范围内为有影响区，大于1.0的则为无影响区。将各个位置求得的安全系数为1.0时达到临界状态的点相连作为安全系数等值线，并以此作为影响分区的分界线。

2 数值计算结果分析

从溶洞尺寸、围岩级别、埋深和应力场4个角度研究不同因素作用下高铁隧道近接溶洞影响分区的变化规律，其中基准工况为溶洞半径R7.4m、埋深200m、Ⅳ级围岩和无额外水平应力场施加。

2.1 溶洞尺寸影响

改变溶洞半径为R11.0m、R7.4m和R6.0m，下进行强度折减。计算后绘制的影响分区结果见图3。其中有色部分为有影响区，无色部分为无影响区。由结果可以看出，在相对位置为-60°工况下有影响范围最大，在溶洞半径为R7.4m时达到了距离溶洞中心39.6m，0°范围最小，为14m。溶洞半径为R11m时，-60°处的影响分区范围最大，达到了45.6m；隧道在溶洞下侧时的有影响区范围大于上侧，随着溶洞尺寸的增大，溶洞上部影响分区范围明显增大，尤其体现在90°位置处，溶洞影响分区形状也逐渐趋近于圆；在溶洞尺寸较小时，高铁隧道相对于溶洞的位置在0°～90°和0°～-90°内有影响区范围先增大后减小。

图3 溶洞尺寸对近接影响分区的影响规律

2.2 埋深影响

改变埋深100m、150m、200m3种工况，溶洞尺寸选择半径为7.4m，计算后绘制的影响分区见图4。由结果可以看出，在埋深为100m时，影响分区在10m～30m范围内，最大值为-90°处最小值在90°处。埋深为200m时-60°情况下影响分区最大点距溶洞中心39.6m；随着溶洞埋深的增加，±60°范围内有影响区范围明显增大，剩余位置处增加幅度较小；不同埋深下影响分区形状相似，其中高铁隧道与溶洞相对位置在0°～90°范围内影响分区范围先增大后减小，在溶洞下侧影响分区明显大于上侧。

图4 埋深条件对近接影响分区的影响规律

2.3 水平应力影响

改变水平应力为自重应力比的0.5倍、1.0倍和2.0倍，其中溶洞半径为R7.4m，埋深200m。计算后绘制的影响分区结果见图5。从结果可以看出隧道在溶洞上部(0°～60°)修建水平应力与竖向应力比为0.5时，0°～60°范围内最小值出现在0°附近，应力比为1.0时出现在30°附近，应力比为2.0时出现在60°附近，可见随着应力比的增大上部影响分区下限逐渐向溶洞斜上方发展；应力比对影响分区的影响主要集中在溶洞上侧，下部影响分区的范围和形状基本不变。

图5 水平应力对近接影响分区的影响规律

2.4 围岩条件影响

由围岩参数表1和影响分区图6可以看出，隧道与溶洞相对位置为-60°时，影响分区范围最大，Ⅲ～Ⅴ级围岩情况下距离溶洞中心距离依次为39.3m、39.7m、54,7m；围岩条件越好，近接影响分区范围越小，形状越趋近于“X”形，围岩条件越差，影响分区越大，尤其体现在相对位置为90°附近，-90°位置随着围岩变差影响分区变化趋势不明显。

3 结论

本文在高铁隧道近接溶洞模型上运用极限剪应变判据的强度折减法，求得了不同溶洞尺寸、埋深、水平应力场、围岩级别条件下的溶洞影响分区，结论：

(1)溶洞半径R7.4m，埋深200m，四级围岩条件下，高铁隧道近接影响分区最大值出现在相对位置-60°附近，距离溶洞中心39.3m，最小值出现在90°附近。从不同因素的影响分区图可以看出，影响分区范围较小(在20m以内)时形状趋近于“X”形，范围较大时趋近于圆形。

图6 围岩级别对近接影响分区的影响规律

(2)高铁隧道近接溶洞的影响分区最大值普遍出现在溶洞下方，两者相对位置-60°附近，且溶洞下侧影响分区范围大于上侧，该部分基本不随溶洞尺寸、埋深、应力比和围岩条件的变化而改变。故隧道应尽量保持与溶洞平行施工，避免在溶洞下方修建。

(3)水平应力增大时，溶洞上部影响分区距离最小位置与溶洞相对位置关系从0°向60°方向转移，水平应力较大时，影响分区形状变化相较于其他条件表现出更强的无规律性，可见构造应力场溶洞影响分区影响较大。