1、B RIDGE ANDTUNNEL ENGINEERING 橋隧工程Western ChinaCommunicationsScienceTechnology西部交通科技文章編號:16734874(2011020053006頂部溶洞對隧道圍巖穩定性影響的數值分析靳曉光,管洪良(重慶大學土木工程學院,重慶400045作者簡介靳曉光(1967,男,碩士研究生導師,主要從事隧道與地下空間工程、道路工程、地質工程等方面的科研和教學工作。摘要:文章以納黔高速公路敘嶺關隧道工程為依托,運用邁達斯GTS分析軟件,建立了隧道結構及圍巖的計算模型,分析了不同位置、大小的頂部溶洞在隧道開挖過程中對圍巖位移、應力、塑

2、性區以及支護結構受力的影響。關鍵詞:頂部溶洞;隧道圍巖;穩定性;數值分析中圖分類號:U452.1+2文獻標識碼:AQuantitative Analysis on Effects of Top Carst Cave on the Stability of Tunnel Surrounding RockJIN Xiao-guang,GUAN Hong-liang(Department of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing,400045Abstract:Using Naqian Highway Xulingguan tunnel c

3、onstruction as an example,the article con-structs the calculating model for tunnel structure and surrounding rock wall through GTS analysis software and analyzes behavior of surrounding rock wall displacement,stress force,plastic zone and stress force related with supporting castsKey Words:Above car

4、st cave;Tunnel rock wall;Stability;Quantity analysis0引言巖溶地區占世界陸地面積的15%,約為2200000km2,我國可溶性碳酸巖分布面積達3440000km2,西南地區分布面積約占50%,其中碳酸巖出露面積約占60%。我國碳酸巖分布的主要特點是分布廣泛且集中、厚度大、時代老、種類繁多,是多樣性巖溶發育的物質基礎。隨著我國西部大開發戰略的實施,在巖溶地區修建的隧道工程也越來越多,如何解決在巖溶地區修建隧道遇到的問題,成為了解決西部交通問題的關鍵13。由于在隧道開挖前無法準確的確定溶洞位置、發育情況、規模和形態,從而容易發生涌水、涌砂和地表塌

5、陷等具有極大危害性的地質災害問題,因此通過超前探測預報來減少或避免盲目施工,消除因巖溶發育而引發的工程安全隱患顯得尤為重要47。根據巖溶發育的位置和形態,分析隧道施工對圍巖穩定性和變形的影響,以便選擇合理的支護和加固措施,確保安全施工。由于巖溶地區地質情況的復雜性,溶洞對圍巖穩定性的影響有待進一步研究89。趙明階等通過模型試驗來分析不同尺寸、不同位置的溶洞對圍巖穩定性的影響,但是沒有系統的考慮溶洞尺寸、位置對圍巖及支護結構的影響1014;李蒼松等提出了以巖溶發育程度修正系數為核心的巖溶圍巖分級的建議標準15;王勇等使用多元回歸和支持向量機方法建立綜合考慮各影響因素的溶洞頂板安全厚度預測模型16

6、;臧守杰等以荷載傳遞線概念為基礎提出了巖溶隧道底板最小安全厚度的半定量評價方法17;還有部分學者通過現場監控量測和超前預報的方式對巖溶隧道進行分析。本文以納黔高速公路敘嶺關隧道(圍巖為破碎的石灰巖為研究對象,通過數值模擬的方式,較為系統的分析了不同尺寸、距離的頂部溶洞對隧道圍巖穩定性和變形的影響,探索了巖溶隧道在施工階段的變形破壞規律,以利于指導巖溶隧道的設計與施工。1工程概況敘嶺關隧道是正在建設的納黔高速公路中一條分離式特長隧道,位于四川省敘永縣,隧道全長4067m,最大埋深381.7m。根據地質勘測資料可知,隧道處于落窩背斜南端,隧道圍巖受背斜構造的控制和影響;圍巖由灰巖、鈣質泥巖、碳質泥

7、巖、煤層、煤線等組成;隧道穿越范圍內底層構造有第四系全新統的松散堆積體、二疊系下統茅山組(Pim、棲霞組(Piq、梁山組(Pi1與志留系中統韓家店組(S2h18。隧道的地質條件比較復雜,包含了 類圍巖,經現場調查發現,隧道垂直溶隙、溶縫與溶洞較發育,是研究的重點所在。2計算參數和模型假定2.1計算假設本文采用邁達斯GTS分析軟件進行分析,將模型劃分為有限個網格,計算作以下假設19:(1圍巖及結構支護體系材料均為均勻的各向同性的線彈性材料;(2考慮隧道的受力和變形的空間效應;(3巖體的初始應力場只考慮自重應力;(4圍巖本構模型采用彈性模型。2.2模型介紹從工程地質勘測資料中可得到隧道圍巖分級情況

8、,選擇比較有代表性的IV級圍巖段建模分析。選擇樁號ZK40+200處,埋深為85m。在計算過程中,為了減少邊界效應對計算精度的影響,盡量使邊界條件和實際情況相符,根據經典的彈性理論和工程類比,水平方向選取5倍洞徑來分析,下邊界垂直約束,上邊界為自由邊界,不施加約束,左右兩個方向施加水平約束。為簡化模型,隧道埋深上方簡化為一種巖體(較破碎灰巖。建立如下模型: (1頂部溶洞分布距離影響。固定溶洞為直徑為5m的圓球型溶洞,溶洞底部與隧道頂部的距離分別為1m、2m、3m、4m、6m、8m、10m、15m、20m;(2溶洞大小的影響。固定溶洞與隧道拱頂的距離為1m,圓球型溶洞的直徑分別為1m、2m、4m

9、、5m、6m、8m。模型表示方法如圖1所示。圖1模型表示方法示意圖 如圖2所示1511即表示直徑為5m 的圓球形狀頂部溶洞距離隧道拱頂1m 。剖面1指距離洞口5m 的剖斷面(上步開挖3,剖面2指距離洞口9m 的剖斷面(上步開挖5。圖2隧道計算模型示意圖2.3模擬開挖方案采用上下臺階法施工,以2m 為一個爆破循環進尺進行掘進,因此在模擬過程中,考慮到掌子面對開挖斷面穩定性的影響,隧道進深方向圍巖取20m ,5個施工步驟,掌子面前方10m 不開挖。開挖后立即對前一個進尺噴射混凝土和布設錨桿,5個進尺完成后澆筑二次襯砌(厚度為40cm 的C25混凝土。2.4參數選定結合地質勘查報告和公路隧道設計規范

10、(JTG D70200420選定相關參數。具體參數見表1。表1材料參數表材料類型彈性模量E (GPa 泊松比容重(kN /m 3粘聚力(MPa 內摩擦角(抗拉強度(MPa 圍巖 3.50.2226.50.535 2.5初噴混凝土210.222錨桿2100.3176二襯混凝土29.50.2233計算結果與分析3.1位移分析3.1.1溶洞位置和大小對位移的影響(1隨著隧道的開挖,拱頂發生沉降。由于溶洞的存在,在開挖溶洞下方隧道時,拱頂沉降位移增大,增幅最大為0.08mm 。(2如圖3、4所示,溶洞距離隧道頂部越近,總體上拱頂沉降就越大,主要影響距離為溶洞的1倍直徑范圍,當距離6m 時,拱頂沉降基本

11、沒有變化。(3如圖5、6所示,溶洞直徑越大,總體上拱頂沉降就越大,在開挖溶洞下方隧道時,直徑為8m 的溶洞較直徑為1m 的溶洞的沉降值增大約0.15mm 。圖3剖面1拱頂最大沉降變化圖圖4剖面1拱頂最大沉降變化圖 圖5剖面1拱頂最大沉降變化圖圖6剖面1拱頂最大沉降變化圖3.2應力分析3.2.1溶洞位置對應力的影響(1如圖7、8所示,由于溶洞的存在,隧道拱頂最大主應力增大,溶洞距離拱頂越近,拱頂最大主應力(即拉應力越大,底板(溶洞正下方最小主應力(即壓應力越小,影響距離大約為1 2倍溶洞直徑范圍。圖7剖面1拱頂最大應力變化圖(上步開挖3圖8剖面1底板最小應力變化圖(下步開挖3(2如圖9、10所示

12、,溶洞的存在對剖面1的影響遠大于對剖面2的影響。剖面2的頂底板應力變化規律基本與剖面1相同,即溶洞對正下方掌子面的開挖影響比較大。圖9剖面2拱頂最小應力變化圖(上步開挖5圖10剖面2底板最小應力變化圖(下步開挖53.2.2溶洞大小對應力的影響(1圖11、12為不同直徑的溶洞對隧道拱頂和 底板的應力變化的影響示意圖。剖面1的不同大小的溶洞拱頂最大主應力(即拉應力為5m 4m 6m 2m 8m 1m ,直徑為5m 的溶洞拱頂拉應力最大,而底板最小主應力(即壓應力最小。(2如圖13、14所示,剖面2的不同大小的溶洞拱頂最大主應力(即拉應力為5m 4m 6m 2m 1m 8m ,應力值的變化小于剖面1

13、,變化規律與剖面1類似。溶洞對剖面2主應力的影響小于剖面1。 圖11剖面1拱頂最大應力變化圖(上步開挖3 圖12剖面1底板最小應力變化圖(下步開挖3圖13剖面2拱頂最小應力變化圖(上步開挖5圖14剖面2底板最小應力變化圖(上步開挖53.3塑性區分析隧道開挖過程中產生的塑性區位置主要集中在隧道側部和上部,溶洞的存在會使塑性區增大,總體上溶洞距離隧道拱頂越近,塑性區越大;且溶洞直徑越大,塑性區越大,但變化的幅度不大,塑性應變0.0001和0.001所占的比例增大約0.1%,而掌子面上的最大主塑性應變變化規律與塑性區相反。3.4支護結構受力分析3.4.1噴射混凝土受力分析(1如圖15所示,由于溶洞的

14、存在,噴射混凝土與圍巖接觸一側最大拉應力增大,剪應力減小,溶洞距離拱頂越近,最大主拉應力和剪應力(SXZ 越大,主拉應力增大約40kPa ,剪應力(SXZ 增大9kPa 。（ 2） 如圖 16 所示， 溶洞直徑越大， 噴射混凝土 與圍巖接觸一側最大主拉應力和剪應力越大。溶 洞對噴射混凝土最大主拉應力的影響大于對剪應 力的影響。 圖 17 二襯（ top） 最大拉應力和剪應力變化圖（ 位置） 圖 15 噴混（ 混凝土 top） 最大拉應力和剪應力變化圖（ 位置） 圖 18 二襯（ top） 最大拉應力和剪應力變化圖（ 直徑） 4 結語 （ 1） 開挖溶洞下方隧道時， 在 1 2 倍溶洞直徑 范圍

15、內， 溶洞距離隧道拱頂越近， 拱頂沉降越大； 溶 洞直徑越大， 拱頂沉降越大， 圍巖穩定性越差。 （ 2） 溶洞距離隧道拱頂越近， 拱頂最大主應力 （ 即拉應力） 越大， 底板最小主應力 （ 即壓應力） 越 小， 圍巖穩定性越差。影響距離為 1 2 倍溶洞直 圖 16 噴混（ 混凝土 top） 最大拉應力和剪應力變化圖（ 直徑） 3. 4. 2 二次襯砌混凝土受力分析 （ 1） 由于溶洞的存在， 二襯底部最大拉應力和 超過 2 倍直徑時， 溶洞對圍巖穩定性影響 徑范圍， 很小。溶洞與隧道拱頂的距離固定為1 m 時， 直徑 為5 m的溶洞對圍巖穩定性影響最大。 （ 3） 溶洞位置和大小對支護結構

16、的受力有影 響， 溶洞距離隧道拱頂越近， 溶洞直徑越大， 噴射混 凝土與圍巖接觸一側最大主拉應力和剪應力越大； 二襯頂部最大主拉應力越大； 錨桿受力越大； 支護 結構受力越不利。 （ 下轉第 80 頁） 剪應力減小， 而頂部最大拉應力和剪應力增大， 增 大約1 kPa， 如圖 17 所示。 （ 2） 如圖 18 所示， 隨著溶洞直徑的增大， 二襯 剪應力減小， 但變化幅度 底部最大主拉應力增大， 不大。 58 Western China 西部交通科技 Communications Science Technology 格， 比合同工期提前3 d 完成施工任務。這次爆破 工期時間緊、 施工所用的

17、鉆爆設備均為現場組裝， 任務重， 首次爆破后達到要求標高的面積占總面積 約 30% ， 二次爆破清碴后全部達到了設計要求， 且 根據附近建筑物的最小距離調整了一次爆破作業 藥量， 確保了作業區周圍的安全， 保證了該工程的 為南廣鐵路建設作出了貢獻。 后續施工需要， 鐵路橋梁、 油氣管道等諸多領域。本工程爆破施工 控制措施得當， 達到了理想的施工 參數選擇合理、 效果， 為類似工程的施工提供了寶貴的經驗。 參考文獻 1 M 北京： 冶金工業出版 于亞倫 工程爆破理論與技術 2004 社， 2 M 北京： 冶金工業出版 顧毅成 爆破工程施工與安全 2004 社， 7 結語 我國國民經濟建設和國防建

18、設的高速發展， 為 水下爆破技術提供了廣闊的發展前景。目前水下 爆破已廣泛應用于水利水電、 航道交通、 港口碼頭、 收稿日期： 2011 02 01 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （ 上接第 58 頁） J 重慶交通學院學報， 2003 ， 22 （ 2 ） ： 33 37 11 趙明階 隧道側圍巖分布對圍巖穩定性影響的數值模 J 重慶建筑大學學報， 2003 ， 25 （ 1 ） ： 6 17 擬研究 12 趙明階 隧道頂部溶洞影響圍巖穩定性得模型試驗研 J 地下空間， 2003 ， 23 （ 2 ） ： 45 49 究 13 J

19、 趙明階 頂部溶洞對圍巖穩定性影響的數值分析 2003 ， 24 （ 3 ） ： 133 137 巖石力學， 14 J 地下空 吳夢軍 巖溶對公路隧道圍巖穩定性研究 2003 ， 23 （ 1 ） ： 62 69 間， 15 李蒼龍， 高 16 王 J 波， 王石春 巖溶圍巖分級初步探討 2006 ， 14 （ 6 ） ： 90 96 工程地質學報， 勇， 孫彩虹 巖溶隧道溶洞頂板安全厚度預測模型 J 隧道建設， 2005 ， 增刊（ 25 ） ： 7 10 17 臧守杰 強巖溶區隧道施工中隧底最小安全厚度分析 J 隧道建設， 2007 ， 27 （ 5 ） ： 24 26 研究 18 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院 黔川界至納 R 2008 溪段高速公路 C7 合同段施工圖設計 19 M 科學出版 朱漢華 公路隧道圍巖穩定與