隧道顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析

第３６卷第３２期　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３２　Ｎｏｖ．２０１０　・３１３・　文章编号：１００９—６８２５《２０１０）３２一Ｏ３ｌ３一Ｏ３　隧道顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析　管洪良摘郝　杰　靳晓光　要：以在建的某高速公路岩溶隧道为工程背景，采用有限单元法，运用迈达斯ＧＴＳ分析软件，建立隧道结构及围岩的　三维分析模型，重点分析了不同位置、大小的顶部溶洞在开挖过程中对围岩变形位移、力学特性、塑性区以及支护结构受　力的影响，研究了顶部溶洞对隧道围岩稳定性的影响，所得结论可为岩溶地区隧道工程的设计、施工和研究提供指导。　关键词：岩溶，顶部溶洞，隧道围岩，数值分析　中图分类号：Ｕ４５２．２７　文献标识码：Ａ　０　引言　２计算参数和模型假定　　计算假设　岩溶地区占有世界陆地面积的１５％，约为２　２００　０００　ｋｍ　，我　２．１本文采用迈达斯ＧＴＳ分析软件进行分析，对模型划分有限个　国可溶性碳酸盐分布面积达３　４４０　０００　ｋｍ　，西南地区分布面积占　计算作以下假设－－　：　近５０％，其中碳酸岩出露面积约占６０％。我国碳酸盐分布的主要　网格，特点是分布广泛且集中，厚度大，时代老，类型繁多，是多样性岩　１）围岩及结构支护体系材料均为均匀各向同性的线弹性的　２）考虑隧道的受力和变形的空间效应；３）岩体的初始应力　溶发育的物质基础。随着我国西部大开发战略，在岩溶地区修建　材料；４）围岩本构模型采用弹性模型。　隧道工程也越来越多，如何解决在岩溶地区修建隧道遇到的问　场只考虑自重应力；题，成为了解决西部交通问题的关键　。　由于在隧道开挖前无法准确的确定溶洞位置、发育情况、规　２．２模型介绍　从工程地质勘测资料中可得到隧道围岩分级情况，选择比较　模和形态，因而容易发生涌水、涌砂和地表塌陷等具有极大危害　有代表性的Ⅳ级围岩段建模分析。选择桩号ＺＫ４０＋２００　ｍ处埋　性的地质灾害问题。因而通过超前探测预报减少施工过程中的　深为８５　ｍ，在计算过程中，为了尽量减少边界效应对计算精度的　盲目性，消除由于岩溶发育引发的工程安全隐患显得尤为重　影响，尽量使边界条件和实际情况相符，根据经典的弹性理论和　要　；根据岩溶发育的位置和形态，分析在隧道施工过程中对围　工程类比，水平方向选取洞径的５倍（约７０　ｍ）来分析，下边界垂　岩稳定性和变形的影响，选择合理的支护和加固措施，确保安全　直约束，上边界为自由边界，左右两个方向施加水平约束。为简　施工。由于岩溶地区地质情况的复杂性，对于溶洞对围岩稳定性　化模型，隧道埋深上方简化为一种岩体（较破碎灰岩），分别研究　的影响有待进一步的研究　；赵明阶等通过模型试验来分析不　溶洞距隧道顶的距离和溶洞大小对围岩稳定性的影响。　同尺寸、不同位置的溶洞对围岩稳定性的影响，但是没有系统的　考虑溶洞尺寸、位置对围岩及支护结构的影响　１）溶洞距隧道顶的距离：假定溶洞为直径５　ｍ的圆球形，溶洞　；李苍松等提　底部距隧道顶部的距离分别为１　ｍ，２　ｍ，３　ｍ，４　ｍ，６　ｍ，８　ｍ，１０　ｍ，　出了以岩溶发育程度修正系数为核心的岩溶围岩分级的建议标　１５　ｍ，２０　ｍ。２）溶洞大小的影响：假定溶洞距隧道拱顶的距离为　准　；王勇等使用多元回归和支持向量机方法建立综合考虑各影　１　ｍ，圆球形溶洞的直径分别为１　ｍ，２　ｍ，４　ｍ，５　ｍ，６　ｍ，８　ｍ。　响因素的溶洞顶板安全厚度预测模型ｕ　；臧守杰以荷载传递线的　模型表示方法见图１。　概念提出了岩溶隧道底板最小安全厚度的半定量评价方法　；还　有学者通过现场监控量测和超前预报的方式对岩溶隧道进行分　析。本文以在建的某高速公路岩溶隧道（围岩为破碎的石灰岩）　为研究对象，通过数值模拟方式，较为系统的分析不同尺寸、距离　的顶部溶洞对隧道围岩稳定性和变形影响，探索岩溶隧道在施工　阶段的变形破坏规律，以利于指导岩溶隧道的设计与施工。　图１模型表示方法　１　工程概况　正在建设中的该岩溶发育隧道全长４　０６７　ｍ，最大埋深３８１．７　ｍ。　据此建立的典型分析模型如图２所示。　根据地质勘测资料，隧道处于落窝背斜南端，隧道围岩受背斜构　造的控制和影响，围岩由灰岩、钙质泥岩、碳质泥岩、煤层、煤线等　组成，隧道穿越范围内底层构造有第四系全新统的松散堆积体、　二叠系下统茅山组（Ｐ　）、栖霞组（Ｐ，　）、梁山组（ＰＩ１）与志留系中　统韩家店组（Ｓ　）　。隧道穿越的地质条件比较复杂，包含了　Ⅲ级一Ｖ级围岩，经现场调查发现，隧道垂直溶隙、溶缝与溶洞较　发育，是研究的重点所在。　收稿日期：２０１０—０７一ｌ８　图２隧道计算模型　１５１１即表示顶部溶洞（１）、溶洞直径为５　ｍ、溶洞底部距拱顶　作者简介：管洪良（１９８５一），男，重庆大学土木工程学院硕士研究生，重庆郝４０００４５　４０１１２０　４０００４５　杰（１９８２一），男，工程师，重庆市空港新城建设投资（集团）有限公司，重庆靳晓光（１９６７一），男，博士，硕士生导师，教授，重庆大学土木工程学院，重庆・第３６卷第３２期　３１４・　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　１　ｍ、溶洞的形状为圆球形（１）。剖面１指距离洞口５　ｍ的剖断面　（溶洞正下方）最小主应力（即压应力）越小，影响距离大约为　（上步开挖３），剖面２指距离洞口９　ｍ的剖断面（上步开挖５）。　１倍～２倍溶洞直径范围。２）如图９，图１０所示，溶洞的存在对剖　２．３模拟开挖方案　掘进，因此在模拟过程中，考虑到掌子面对开挖断面稳定性的影　响，隧道进深方向围岩取２０　ｎｌ，２　ｍ×５个施工步，掌子面前方１０　ＩＴＩ　不开挖，以考虑三维效应。喷射混凝土和布设锚杆较相应位置的　面１的影响远大于对剖面２的影响，剖面２的顶底板应力变化规律　即溶洞对正下方掌子面的开挖影响比较大。　施工过程采用上下台阶法，以２　ｍ为一个爆破循环进尺进行　基本与剖面１相同，溶洞位置　－开挖滞后一步，５个进尺完成后浇筑二次衬砌（厚度为４０　ｃｎｌ的　Ｃ２５的混凝土）。　理　・—Ｒ　－钽　——２．４参数选定　结合地质勘查报告和ＪＴＧ　Ｄ７０　２００４公路隧道设计规范　选　定相关参数，具体参数见表１。　表１材料参数表　材料类型　围岩　溶洞位置　—————－６７５　６８Ｏ　：＋溶洞下方底板　６８５　６９０　。最小主应力　６９５　：　７００　７０５　．＿．　７ｌ０　７ｌ５　７２０　７２５　．—图７剖面１拱顶　弹性模　泊松比　量Ｅ／ＧＰａ　３．５　Ｏ　２２　容重　ｋＮ／ｍ３　２６．５　粘聚　内摩擦　抗拉　力／ＭＰａ　角／（。）　强度／ＭＰａ　０．５　３５　２．５　最大应力变化图一（上步开挖３）　５０　４５　４０　图８剖面１底板　最小应力变化图一（下步开挖３】　溶洞位置　初喷混凝土　锚杆　２１　２１０　０．２　Ｏ．３１　２２　７６　囊＝链＝　寻ｇ罱一　寻ｇ罱邑　＾量莶　＂８３２　－：。：２一ｔ／，３ｔ：２　：２　二衬混凝土　２９．５　０．２　２３　魍　３５　３０　８３４　８３６　３计算结果与分析　３．１　位移分析　溶洞位置和大小对位移的影响：　１）随着隧道的开挖，拱顶发生沉降，由于溶洞的存在，在开挖　型　２５　２Ｏ　一蔷一８３８　收一８４０　一ｌ５　毳至垂茎星至重室一缝　兰　＾　．ｎ　８４２　—；４４　—溶洞位置　８４６　溶洞下方隧道时，拱顶沉降位移增大，增幅最大为０．０８　ｍｍ。２）　如图３，图４所示，溶洞距离隧道顶部距离越小，总体上拱顶沉降　越大，主要影响距离为溶洞的１倍直径范围内，距离大于６／Ｉ１拱　顶沉降基本没有变化。３）如图５，图６所示，溶洞直径越大，拱顶　图９剖面２拱顶　图１０剖面２底板　最小应力变化图一（上步开挖５）　最小应力变化图一《下步开挖５）　３．２．２　溶洞大小对应力的影响　１）如图ｌ１，图ｌ２所示，不同直径大小的溶洞对隧道拱顶和底　总体上沉降越大，在开挖溶洞下方隧道时，直径８　ｍ较直径１　ｌｌｆｌ　板的应力变化的影响，剖面１不同大小的溶洞拱顶最大主应力　（即拉应力）为５　ｎｌ＞４　ｍ＞６　ｍ＞２　ｍ＞８　ｍ＞１　ｍ，直径为５　ｍ大小　的沉降值增大约０．１５　ｍｍ。　溶洞位置　，哥　溶洞位置　的溶洞拱顶拉应力最大，而直径为５　ｍ的溶洞底板最小主应力　翥（即压应力）最小。２）如图ｌ３，图ｌ４所示，剖面２的不同大小的溶　洞拱顶最大主应力（即拉应力）为５　ｍ＞４　ｍ＞６　ｍ＞２　ｍ＞１　ｍ＞　兰．　．　．兰．　＝全．兰　一６．ｏ６．　．　－－４．７４　ｌ－－４　　１．７６　６．０７　６．０８　吕　一一８　ｍ，应力值的变化小于剖面１，变化规律与剖面１类似。溶洞对　剖面２主应力的影响小于剖面１。　察　一昌　世　蛙　－－－器ｈ　［Ｖ　４．８２　Ｖ　＋上步开挖３　匿　－裁６・．　１３［１｝－＼—＼　下—　…　溶洞直径　！：２　譬　建＝＝＝＝＝＝　６９５　７００　７０５　７ｌ０　７ｌ５　７２０　７２５　７３Ｏ　＝　６．‘１　６喜　—－图４剖面１　拱顶最大沉降变化图二　廷　溶洞直径　——－－—６　、Ｔ；　Ｔ二二Ｔ二　１Ｔ一＿　ｌ　，｝　一ｇ　暑　６．０５｝　曩　．｝｝ｌ　　、　，｜　＼　４　－８５　燃　蛙　＿６＿１５　瞽　＿６－２６．１　ｌ，　下步开挖　ｌ＼．，　圈ｌｌ剖面ｌ拱顶　图ｌ２剖面ｌ底板　最大应力变化图二（上步开挖３）　最小应力变化图二《下步开挖｜３）　溶洞直径　庭　８１５　８２０　－｝　６．２５｝　＼　－—缝＝＝＝＝＝＝　＝　：２　Ｌ　６　３　图５剖面１　拱顶最大沉降变化图三　图６剖面１　拱顶最大沉降变化图四　—８２５　８３Ｏ　—一８３５　８４０　８４５　３．２应力分析　——３．２．１　溶洞位置对应力的影响　８５０　１）如图７，图８所示，由于溶洞的存在，隧道拱顶最大主应力　增大，溶洞距离拱顶越近，拱顶最大主应力（即拉应力）越大。底板　图１３剖面２拱顶　图ｌ４剖面２底板　最小应力变化图二（上步开挖５）　最小应力变化图二（下步开挖５）　爹　３．３１３　管洪良等：隧道顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析　Ｂｄ　避　・３１５・　塑性区分析　溶洞对围岩稳定性影响很小。溶洞距离固定为１　ｍ时，直径为５　ｍ　隧道开挖过程中产生的塑性区位置主要集中在隧道侧部和　的溶洞对围岩稳定性影响最大。３）溶洞位置和大小对支护结构　溶洞距离隧道拱顶越近，溶洞直径越大，喷射混凝　上部，溶洞的存在使塑性区增大，总体上溶洞距离隧道拱顶越近，　的受力有影响，塑性区越大，溶洞直径越大，塑性区越大，但变化的幅度不大，塑　土与围岩接触一侧最大主拉应力和剪应力越大；二衬顶部最大主　锚杆受力增大；支护结构受力越不利。　性应变大于０．０００　１和大于０．００１所占的比例增大约０．１％，但掌　拉应力越大；子面上的最大主塑性应变变化规律与塑性区相反。　参考文献：　３．４支护结构受力分析　３．４．１　喷射混凝土受力分析　［１］　蒋树屏．我国公路隧道工程技术的现状及展望［Ｊ］．交通世　界，２００３（Ｓ１）：２１－２６．　　李大通，罗［２］雁．中国碳酸盐分布面积测量［Ｊ］．中国岩溶，　１）如图１５所示，由于溶洞的存在，喷射混凝土与围岩接触一　侧最大拉应力增大，剪应力减小，溶洞距离拱顶越近，最大主拉应　１９８３，２（２）：１４７—１５０．　力和剪应力（ＳＸＺ）越大，主拉应力增大约４０　ｋＰａ，剪应力（ＳＸＺ）增　［３］　袁道先．中国岩溶学［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９３．　大９　ｋＰａ。２）如图１６所示，溶洞直径越大，喷射混凝土与围岩接　［４］　宋先海．我国隧道地质超前预报技术述评［Ｊ］．地球物理学　触一侧最大主拉应力和剪应力越大。溶洞对喷混最大主拉应力　进展，２００６，２１（２）：６０５－６１３．　影响大于对剪应力的影响。　［５］　靳晓光，王兰生，卫宏．公路隧道围岩变形监测及其应用　［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报，２０００，１１（１）：４６４９．　．４８　．４６　［６］　薛翊国，李术才，张庆松，等．隧道信息化施工地质灾害预警　．４４　预报技术研究［Ｊ］．山东大学学报，２００８，３８（５）：２８—３３．　．ｊ型　４２　３．４　［７］　张俊峰，卿三惠．岩溶隧道涌水涌砂及地表塌陷灾害防治　－３８　［Ｊ］．路基工程，２００４（５）：７５－７８．　．３６　．３４　廷＝＝＝＝＝＝　［８］　尚寒春．华蓥山隧道东口岩溶分析及溶洞处理［Ｊ］．铁道工　建＝　程学报，２ｏｏ７（８）：５８－６０．　溶洞直径　［９］　刘之葵，梁金城．岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响　图１６喷混（ｔｏｐ）最大　［Ｍ］．北京：地质出版社，２００６．　拉应力和剪应力变化图（直径）　［１０］　赵明阶．隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析［Ｊ］．重　３．４．２　二衬衬砌混凝土受力分析　庆交通学院学报，２００３，２２（２）：３３－３７．　１）由于溶洞的存在，二衬底部最大拉应力和剪应力减小，二　［１１］　赵明阶．隧道侧围岩分布对围岩稳定性影响的数值模拟研　衬顶部最大拉应力和剪应力增大，增大约１　ｋＰａ，如图１７所示。　究［Ｊ］．重庆建筑大学学报，２００３，２５（１）：６一ｌ７．　２）如图ｌ８所示，溶洞的直径越大，二衬底部最大主拉应力增大。　［１２］　赵明阶．隧道顶部溶洞影响围岩稳定性的模型试验研究　剪应力减小，但变化幅度不大。　［Ｊ］．地下空间，２００３，２３（２）：４５４９．　２３　［１３］　赵明阶．顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析［Ｊ］．岩石　２ｌ　ｌ９　力学，２ｏ０３，２４（３）：１３３－１３７．　ｌ７　耋　［１４］　吴梦军．岩溶对公路隧道围岩稳定性研究［Ｊ］．地下空间，　ｌ５　ｌ７　ｌ３　１５　２００３，２３（１）：６２－６９．　ｌ１　１３　ｌｌ　［１５］　李苍松，高波，王石春．岩溶围岩分级初步探讨［Ｊ］．工程　地质学报，２００６，１４（６）：９０－９６．　［１６］　王　勇，孙彩虹．岩溶隧道溶洞顶板安全厚度预测模型　［Ｊ］．隧道建设，２００５（￥２５）：７．１０．　拉应力和剪应力变化图（位置）　拉应力和剪应力变化图（直径）　［１７］　臧守杰．强岩溶区隧道施工中隧底最小安全厚度分析研究　４结语　［Ｊ］．隧道建设，２００７，２７（５）：２４－２６．　１）开挖溶洞下方隧道时，在１倍～２倍溶洞直径范围内，溶洞　［１８］　四川省交通厅公路规划勘察设计研究院．黔川界至纳溪段　距离隧道拱顶越近，拱顶沉降越大；溶洞直径越大，拱顶沉降越　高速公路Ｃ７合同段施工图设计［ｚ］．２００８．　大，围岩稳定性越差。２）溶洞距离隧道拱顶越近，拱顶最大主应　［１９］　朱汉华．公路隧道围岩稳定与支护技术［Ｍ］．北京：科学出　力（即拉应力）越大；底板最小主应力（即压应力）越小，围岩稳定　版社．２００４．　性越差。影响距离为１倍一２倍直径范围，超过２倍直径范围时，　［２０］ＪＧＪ　Ｄ７０－２００４，公路隧道设计规范［ｓ］．　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｏｐ　ｋａｒｓｔ　ｃａｖｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ＧＵＡＮ　Ｈｏｎｇ－ｌｉａｎｇ　ＨＡＯ　Ｊｉｅ　ＪＩＮ　Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｋａｒｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｗａｙ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＭＩＤＡＳ　ａｎａｌ—　ｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ＧＴＳ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ，ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｚｅ　ｔｏ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｐｌａｓｔｉｃ　ｚｏｎｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｔ’Ｓ　ａ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａ－　ｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｋａｒｓｔ　ｃａｖｅ　ｈａｖｅ　ａｎ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｓｉｎｇ，　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｋａｒｓｔ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｋａｒｓｔ，ｔｏｐ　ｋａｒｓｔ　ｃａｖｅ，ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ