浅埋偏压岩溶隧道围岩应力特征分析

邱飞洋,覃 亮,李国栋,李昌龙

(1.中铁开发投资集团有限公司 昆明市 650118;2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市 550081)

0 引言

西南地区岩溶发育,地形起伏,修建隧道时其洞口段往往会同时遭遇浅埋偏压、节理发育、围岩破碎、溶洞等多种不良地质构造。复合作用下,若施工方法不当,将对隧道围岩应力分布造成一定影响,从而导致衬砌变形过大、开裂,对工程安全造成严重影响[1]。因此,研究浅埋偏压隧道开挖的围岩应力分布对于保障工程质量安全具有重要意义。目前,国内外学者已有大量相关研究。

卢光兆[2]利用有限元软件对浅埋偏压隧道不同工法的施工过程进行围岩稳定性分析,认为进洞施工宜采用中隔墙法和双侧壁导坑法可较好地保证隧道稳定性。袁海清[3]和徐前卫等[4]建立了浅埋偏压隧道洞口段的有限元分析模型,结合实际工程案例,得出在隧道左右两边墙处出现应力集中区,并随着支护结构的闭合逐渐减小的结论。张顶立等[5]以大跨隧道的复杂地质条件为研究背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方式对不同施工方法下围岩变形特征和结构稳定性进行了分析。代树林等[6]通过数值模拟方法,得到了不同地表倾角下隧道的受力情况。王茜等[7]研究不同施工方案对小净距隧道围岩破坏机理及荷载特性的影响。以上研究重点分析了常规情况下浅埋偏压隧道的围岩应力特征,但关于存在溶洞时围岩应力分布特征的研究较少。

鉴于此,文章依托金仁桐建新隧道,分析溶洞对于浅埋偏压隧道不同施工工序中围岩应力的分布特征的影响,以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

建新隧道位于遵义市桐梓县官仓镇建新村。左幅隧道里程桩号Z3K92+385～Z3K93+565,长1180m;右幅隧道里程桩号K92+395～K93+573,长1178m。地貌类型为中低山溶蚀构造型,山体整体横坡一般为30°～40°,地面标高612～975m,相对高差363m。开挖进口右幅至桩号K92+464里程时,在掌子面右拱腰处有一直径约8m的溶腔。该处掌子面前方上部以粘土及碎石为主;下部基岩为强风化灰黑色中层灰岩,岩层产状302°∠30°,岩质较坚硬,岩体破碎,溶蚀裂隙,溶槽发育,围岩稳定性较差。

2 数值模型

以建新隧道右幅K92+470断面为研究对象,分别考虑右侧溶洞与无溶洞的情况,依据该断面原始地形及地质条件建立数值模型。如图1所示,浅埋边高度取45m,深埋边高度取91m,地面坡角为21°,覆盖层厚度为11.7m,模型宽度为93m,溶洞为隧道右侧,直径为8m,溶洞与隧道边缘间距2m,模型侧面边界及底部采用法向约束,顶部为自由边界。

该断面围岩等级为Ⅴ级,计算参数见表1。采用环形开挖预留核心土法,将施工阶段划分为初始地应力→上导环形坑开挖并支护→左边墙开挖并支护→右边墙开挖并支护→上部核心土开挖→下台阶开挖并支护,开挖采用FLAC3D中的“null”单元实现。每次开挖后围岩先释放部分应力,根据经验,取围岩应力释放率为30%,各阶段衬砌施作采用壳单元实现,计算采用摩尔—库伦模型。

表1 力学参数

3 受力特征分析

3.1 应力特征分析

从图2可以看出,施工段一,隧道开挖前,深埋侧整体法向应力大于浅埋侧,且当深埋侧存在溶洞时,s2、s4、s6及s8处法向应力至少提升18%,此时s4为法向应力最大处。施工段二,开挖上部环形导坑后,s1、s2及s3处法向应力得到释放,同时深埋侧s4、s6处及浅埋侧s5处法向应力迅速提高。存在溶洞时,s4与s6处法向应力相比无溶洞情况提升约24%,s5处则提升约13%,这是由于上部导坑开挖后,承压土柱面积减小,竖向载荷由两侧分担,而溶洞的存在会进一步削减承压土柱面积,导致法向应力提升,此时s4仍是法向应力最大处。施工段三,开挖浅埋侧的左边墙后,由于荷载较小,除s5处应力得到释放外,其他位置应力变化不大。施工段四,开挖右边墙后,深埋侧应力得到释放,无溶洞时,法向应力最大点位于s12处,深埋侧存在溶洞时,法向应力最大值位于s13处。施工段四及施工段五,开挖核心土与下台阶对围岩法向应力影响不大。

图2 各施工段监测点围岩法向应力

综上分析可知,开挖上导坑、左边墙及右边墙后,围岩法向应力会发生较大变化,特别是在s4、s5及s6处,而溶洞会使得变化的幅度更大。除此之外,深埋侧存在溶洞时,与无溶洞情况相比,开挖该侧边墙后围岩法向应力最大值位置可能变化至浅埋侧。

3.2 偏压系数分析

隧道偏压对围岩稳定和支护结构受力有较大影响。为了分析隧道不同位置的偏压程度,引用工程中的不对称程度表达式[8],以隧道左右两侧围岩应力差与两侧围岩应力均值之比定义偏压系数,计算公式如式(1):

(1)

式(1)中,σ深为隧道深埋侧测点围岩应力,σ浅为隧道浅埋侧测点围岩应力。偏压系数范围在0～2,偏压程度和偏压系数成正比。

根据法向应力分析,选择施工段二、施工段三及施工段四进行偏压程度分析。从图3可以看出,施工段二中,s2/s3处偏压系数最大,且存在溶洞时,s4/s5、s6/s7、s8/s9及s12/s13处偏压程度均高于无溶洞时,在s8/s9及s12/s13处较为明显;施工段三中,s4/s5及s6/s7处偏压系数最大,存在溶洞时,各点的偏压系数均略高于无溶洞情况,在s2/s3处及s12/s13处最为明显。施工段四中,无溶洞时,s4/s5、s6/s7及s8/s9处偏压系数均较高,而当存在溶洞时,s2/s3及s12/s13处偏压系数均有大幅提升,特别是s12/s13处,相较于无溶洞情况偏压系数提升近10倍。

图3 施工段二、施工段三及施工段四监测点偏压系数

综上所述,施工段三和施工段四中,围岩整体的偏压程度会有大幅提升,而围岩的最大偏压位置通常在s4/s5处、s6/s7处以及拱肩附近。此外,当深埋侧存在溶洞时,往往会导致围岩整体的偏压程度提高,特别是在s12/s13处及拱腰附近偏拱脚处,溶洞对围岩偏压程度的影响最为明显。

4 结论

(1)在浅埋偏压隧道开挖中,围岩应力分布会不断发生改变。采用环形开挖预留核心土法时,在开挖深埋侧边墙时变化最大,最大法向应力会从深埋侧拱肩位置向深埋侧墙脚位置变化,但同时法向应力值也有所衰减,而围岩的最大偏压位置也从拱顶附近转移到拱肩,且围岩整体的偏压程度也在不断提高。

(2)当深埋侧存在溶洞时,会导致围岩应力变化更为剧烈,在拱肩及拱腰附近较为显著。同时,在开挖深埋侧边墙时,还会导致最大法向应力位置从深埋侧跳转到浅埋侧,以及拱腰位置偏压程度大幅上升。因此,隧道开挖过程中应注意拱腰处应力变化,如发现浅埋侧应力大幅超过深埋侧时,应当考虑深埋侧存在一定规模溶洞的可能性,勘探后再决定下一步施工。

(3)文章仅考虑了深埋侧单个溶洞情况。事实上,在建新隧道开挖过程中,还揭露了各种溶隙、溶沟等岩溶构造,与溶洞共同形成复杂的岩溶网络。这种构造对浅埋偏压隧道围岩的应力、变形乃至破坏有待进一步研究。