岩溶隧道施工阶段围岩稳定性影响分析

吕涛，董增春，高文立

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310000；2.杭州市交通规划设计研究院，杭州 310006）

1 工程概况

某岩溶隧道为双洞双向隧道，全长2 870 m，左右洞测设线有2.98～29.8 m的间距。所处地质条件为岩溶地貌，有着较大的地形起伏，最大埋深180 m。基于现场勘探结果可知，该隧道所经区域与其垂直相交有两条断层，并有显著的地表水系，地下水对隧道仅有较小的影响[1]。

为确定岩溶地质对隧道开挖的影响，本文将采用有限元分析软件对其进行建模分析。

2 数值模拟分析

2.1 三维数值建模

该隧道使用的是复合式衬砌结构，由系统锚杆、钢支撑以及钢拱架等组成。其中，以3.5 m长的锚杆，按照1 m的环向间距和0.75 m的纵向间距设置系统锚杆；布置φ8 mm@200 mm×200 mm的钢筋网，并在其上喷射C20混凝土，厚度为26 cm。在对开挖进行模拟时，使用摩尔-库伦弹塑性模型作为围岩模型；以实体单元作为初期支护，以板单元作为二次衬砌，均以弹性模拟本构模型；以植入式桁架单元作为锚杆，模型中不对地下水进行考虑。为使围岩参数得以提高，采用简化的方式模拟钢支护，以各施工工法的施工工序为准进行添加。在建模时，将溶洞简化成半圆球加圆柱加半圆球的形状，约有1～5 m的半径[2]。

2.2 围岩初始应力场的模拟

在模拟时先对溶洞形成阶段进行模拟，再对隧道开挖阶段进行模拟。首先，基于围岩参数进行地层的生成，以产生初始应力场；再基于此形成溶洞，以产生二次应力场；最后，模拟隧道开挖随后支护以产生最终应力场，并且在模拟隧道施工时，不考虑溶洞导致的应力集中现象。为对隧道施工时的围岩稳定性进行分析，选取如图1所示几个典型断面进行监控[3]。

图1 岩溶隧道监控剖面示意图

3 施工工法对岩溶隧道稳定性的影响

3.1 留核心土法

隧道从起点开始开挖至各典型断面时的竖向位移如表1所示。

表1 典型断面隧道周围特征位置竖向位移计算值mm

从表1结果可知，隧道施工时，仰拱底和拱顶有相对较大的竖向位移。当隧道施工和岩溶区不断接近并穿越时，仰拱底竖向位移不断增加。在30 m断面时，仰拱底有16.2 mm的竖向位移，在施工到40 m断面时，仰拱底有20.0 mm的竖向位移。当隧道开挖面开始进入岩溶区时，在45 m断面时隧道拱顶有最大的竖向位移。隧道拱肩竖向位移在施工到岩溶区后不断增大，并在50 m断面位置出现最大值，拱腰位置则有相对较小的竖向位移，拱脚变化较小[4]。

进一步分析可知，在仰拱处有着最为显著的位移增量，其原因在于隧道底部岩体因溶洞而变得软弱，对于仰拱而言，在完成隧道的开挖之后岩体刚度有所降低，故使得仰拱出现较大的向上位移。此外，对其进行进一步分析可知，在隧道的拱腰处存在较大的水平位移，并且随着隧道施工的推进，其影响范围不断增大。当岩溶区有隧道进入时，在隧道开挖后拱腰处的围岩开始向中心收缩，相比于右侧拱腰围岩而言，左侧拱腰处的围岩有着更大的水平位移。

3.2 C R D法开挖

从表2可以看出，隧道施工时，拱顶和仰拱有相对较大的竖向位移。当岩溶区和施工面接近时，隧道拱顶竖向位移不断增加，且在40 m断面位置出现最大值。施工面在岩溶区时则有所降低，此时，拱脚和拱腰竖向位移不断增加。

表2 典型断面隧道周围特征位置竖向位移计算值mm

当隧道施工至岩溶区时，仰拱处并无较大的竖向位移产生，但当岩溶区中有隧道进入时，围岩的竖向位移出现了较大的增量，隧道仰拱在50 m断面处有着最大的竖向位移。因此，对于仰拱的竖向位移而言，当岩溶区未有隧道进入时，溶洞并未对其产生影响。50 m断面处隧道位移变化如图2所示。

图2 50 m断面处隧道位移变化图

在50 m断面处，两个特征点在第15步开挖前均具有较小的竖向位移，此后其竖向位移则不断增大，仰拱的位移量到开挖第21步时比拱顶的要大，仰拱的变形量在23步开挖时保持在20 mm周围，拱顶则有着15 mm左右的沉降。此外，在隧道拱腰处有着显著的水平位移，并且该位移在隧道进入岩溶区之后逐渐向溶洞扩大。当岩溶区中有隧道进入的时候，隧道拱腰表现出向中心收拢的变形，水平位移表现出不断增加的趋势。

4 施工工法对比分析

从上述分析可知，两种施工方法均会对围岩变形产生影响。基于所得结论，相比于其他位置的位移而言，隧道的拱顶以及拱顶处有着较大的位移。对比拱顶以及仰拱处在不同工法下的位移变化规律。

对于围岩的位移而言，不管是何种施工方法，在围岩位移场中，拱顶处均表现为沉降，仰拱处均表现为突起，拱腰处均表现为收敛。当岩溶区与开挖面不断接近时，隧道开挖对围岩位移产生的影响越来越大。对于围岩的变形量而言，当岩溶区所产生的影响较小时，拱顶位置比起仰拱位置有着更大的变形量。当岩溶区中有隧道进入时，对于隧道的底部岩体而言，溶洞的存在弱化了其整体性，并且其仰拱和周围土体的变形刚度在开挖完隧道后均有所降低，使得仰拱处比起拱顶有着更大的变形量。

基于上述分析可知，在隧道施工时应对其拱顶和拱肩有着较大位移的位置进行局部加强。位移变化主要表现为拱顶的沉降以及仰拱的隆起，拱腰处位移较小。隧道围岩，支护参数及其设置时间是影响围岩位移的重要因素。因CRD法施工的不对称性，隧道的位移存在不对称性。在实际施工时，当岩溶区中有隧道开挖时，采用CRD法比起留核心土法有着更小的拱顶沉降，但两种施工工法所导致的仰拱位移基本一致。采用留核心土法施工时，对于仰拱处的竖向位移而言，其大约有一个半径的影响范围，而使用CRD法进行施工时其影响范围有所减小。

基于溶洞所处的具体位置，针对其最具代表性的监测断面开展分析。对比30 m断面处和50 m断面处的拱顶沉降的实测结果以及模拟结果后可得到如图3所示结果。

图3 数据对比结果

相比于数值模拟结果，现场实测结果有着更大的数值，原因主要在于现场地下水等的存在，使得实际地质情况更复杂。但无论是实测结果还是模拟结果都在允许范围内，即数值模拟与实测结果基本保持一致，能够在一定程度上准确反映施工情况。

5 结论

基于上述分析可知：

1）当隧道施工至岩溶区时，仰拱位移急剧增长，并且因为溶洞的存在，弱化了底部岩体的整体性，仰拱和周围土体的变形刚度均有所降低，导致仰拱处出现了更大的位移。

2）以留核心土法进行施工时，岩溶区在30 m断面处即对隧道的竖向位移产生影响，而采用CRD法进行施工时，岩溶区在40 m断面处才对其产生影响。

3）对于上述两种施工方法可知，对于隧道围岩的竖向位移而言，相比于CRD法，以留核心土法进行施工时该值较大，在最大位移处应适当对围岩进行加固。

4）对比实测数据以及模拟数据可知，两者具有较为一致的变化规律，表明以模拟结果具有一定的参考价值，所得规律可应用于实际工程中。基于安全以及经济性的角度进行考虑，该项目以预留核心土的方法进行施工更加合适。