串珠状溶洞对隧道稳定性影响分析

■苏享戊

（福建省交通规划设计院，福州 350000）

串珠状溶洞对隧道稳定性影响分析

■苏享戊

（福建省交通规划设计院，福州 350000）

本文以串珠状溶洞地质隧道为工程背景，通过MIDAS/GTS NX软件计算影响隧道稳定性的相关参数、围岩塑性区范围、主应力大小、竖向位移和施工采取的衬砌结构主应力大小及其竖向位移等，得出溶洞的半径和距隧道的距离对隧道围岩的稳定性和隧道衬砌结构应力有一定的影响，即距离隧道较远（大于6.5m），且半径较小（小于1.5m）的溶洞对隧道围岩稳定性影响很小；距离隧道较近或半径较大的溶洞会显著增加隧道衬砌结构主应力，应当采取必要的处理措施，保证隧道的稳定性。

溶洞 隧道 围岩稳定性 有限元计算

0 引言

岩溶工程地质问题对工程的安全稳定性影响较大，隧道开挖时由于溶洞引起的塌方、突水、突泥对工程建设极具危害，而且溶洞在运营过程也具有危害性，很可能受到振动荷载后出现塌陷，从而影响隧道的运营。对围岩稳定分析比较复杂和困难，目前主要分析方法有解析法、数值分析法、工程地质类比法、模型实验法等。解析法对于受地表边界和底面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。工程地质类比法一般只能给定性的评价，模型实验法由于仪器设备的限制，操作复杂。因此采用数值模拟分析溶洞对围岩稳定性的影响的程度较为方便、高效。

本文以某市珠状溶洞地质隧道为工程背景，探讨这类溶洞对隧道稳定性的影响。

1 工程概况

某隧道为分离式双向六车道隧道，净空14.0×5.0m。左线桩号ZK143+920～ZK145+755，全长1835m；右线桩号YK143+900～YK145+725，全长1825m。隧道最大埋深约157.5m。隧址区构造复杂，褶皱、断裂活动均较发育。场区上覆坡残积粘性土、碎石（Qel-dl），下伏基岩为二叠系下统童子岩组（P1t）、栖霞组（P1q）粉砂岩和灰岩、泥盆系上统安砂群桃子坑组（D3tz）石英砂岩、粉砂岩、千枚状砂岩及风化层。

钻孔揭露强风化—微风化灰岩层中有溶洞发育，溶洞顶板埋深14.7～101.5m，底板埋深18.8～102.0m，溶洞厚度0.3～9.7m，CNS32揭露的串珠状溶洞[1,2]埋深最浅约 14.7m，厚度约 4.1m，XS14揭露的溶洞埋深最深约101.5m，厚度约0.5m。已揭露的溶洞多为全填充—半填充，充填物质多为粘性土及碎石，碎石成分以灰岩、方解石为主。隧道位于当地侵蚀基准面之上，山坡坡体较陡，有利于地下水排泄。地表水总体较贫乏，洞顶多为中-强风化，未见其他规模较大、透水性较好的断裂发育。

2 模拟分析参数及内容

2.1 分析依据和内容

根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）、《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）和地质勘查报告，计算分析溶洞的存在对隧道稳定性的影响。

2.2 围岩及衬砌结构参数

根据上述资料，隧道围岩力学参数如表1所示。

表1 围岩计算物理力学参数表

根据设计文件，该隧道溶洞段落采用双侧壁导坑法施工，初期支护为30cm厚C25喷射混凝土配合工22b型钢支撑（钢支撑间距为0.5m），锚杆采用Φ25中空注浆锚杆，长4.0m，间距1m×1m，梅花型布置，二衬采用C30模筑钢筋混凝土结构，厚60cm。支护参数及力学参数见表2和表3。

表2 复合支护参数表

表3 支护力学参数表

3 三维有限元模型的建立及计算

采用岩土隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX（Geotechnical&Tunnel analysis System）进行计算[3]。采用地层-结构法，围岩采用德鲁克-普拉格模型，初支、临支支撑、二衬采用板单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟。有限元计算模型的水平宽度取为104m，纵向长度取为100m，高度取至实现地面高，几何模型的边界尺寸可消除边界效应对计算结果的影响。相应的边界位移约束为：前、后、左、右边界水平约束，下部边界垂直约束，上部边界自由；计算荷载考虑岩土体自重。在进行计算模拟时，围岩的荷载释放系数按照如下方式确定：围岩开挖释放50%，初期支护施做后释放50%；施工步划分严格按照设计图纸，共分为166个施工步，地层划分依据地质报告，并做相应的简化。

根据地质钻孔资料，选取三个对隧道最有影响的典型断面[4]，分别为 ZK144+942、ZK145+200、ZK145+596，如图1所示。限于篇幅，将重点介绍ZK145+596桩号横断面的计算过程，其余横断面计算过程类似。

3.1 ZK145+596断面计算模型的建立

根据地质报告，该断面计算模型共分为六个岩层，从上到下依次为坡积粉质粘土层、碎块状强风化粉砂岩层、中风化粉砂岩层、碎块状强风化粉砂岩层、中风化灰岩层及微风化灰岩层。溶洞中心位于隧道底板1.6m处，溶洞用半径为R=2.7m的球型空洞来模拟，网格划分如图2所示。

图1 隧道典型断面图

分别计算横断面的围岩塑性区，围岩第一、第三主应力大小，围岩竖向位移等参数，同时计算支护后，衬砌结构第一、第三主应力大小及其竖向位移。为了更好地体现溶洞对隧道的影响[5]，选取ZK145+596桩号的附近ZK145+581桩号（此处无溶洞）断面做对比计算。

3.2 ZK145+596断面计算结果

（1）围岩塑性区计算

从图3两处断面塑性区范围比较可知，溶洞的存在对围岩稳定性影响很小。

（2）围岩主应力计算

从图4两桩号横断面第一主应力（受拉）和第三主应力（受压）等色图对比可知，溶洞的存在一定程度上扩大了隧道受拉区的范围，但对拱脚主压应力影响不大。

由图5两桩号断面底板沿纵向轴线处围岩第一主应力、第三主应力变化图可知，由于溶洞的存在，溶洞所在位置底板附近第一主应力（受压）减少约53.3%，第三主应力（受压）增加约65%，溶洞对围岩应力的影响范围约为2倍溶洞直径。

（3）围岩竖向位移计算

根据图6和图7可知，两桩号断面围岩竖向位移差别较小，溶洞所在位置附近拱底上隆减少约5%。

（4）衬砌结构应力计算

由图8可以看出，溶洞的存在使得第一主应力 （受拉）增加0.29MPa，约为非溶洞区域的22.3%；第三主应力（受压）增加0.204MPa，与非溶洞区相比，增加约16.4%。

（5）衬砌结构底板上隆量计算

由图9可知，溶洞的存在使拱底的上隆量减小，相较桩号ZK145+681断面处，减少约3.0%。

3.3 ZK145+596断面计算结果分析

根据上述计算结果，桩号145+596断面处溶洞的存在对围岩与衬砌结构的主要影响如下：

（1）围岩塑性区几无变化，因此溶洞的存在对围岩的稳定性影响不大；

（2）溶洞的存在，扩大了围岩受拉区的范围，但对拱脚附近主压应力影响不大；在溶洞所在位置，底板附近第一主应力（受压）减少约53.3%，第三主应力（受压）增加约65%；可认为溶洞对围岩应力的影响范围约为2倍溶洞直径；

（3）对围岩的竖向位移影响不大；溶洞所在桩号断面处，拱底上隆减少约5%；

图2 ZK145+596断面计算模型

图3 围岩塑性区结果

图4 围岩主应力计算结果

图5 底板纵向主应力计算结果对比

图6 围岩竖向位移计算结果

图7 底板纵向竖向位移计算结果

（4）溶洞的存在使拱底的上隆量减小，溶洞所在桩号断面的衬砌结构下沉量为5.0mm，相较桩号ZK145+681断面处，减少3.0%左右；

（5） 溶洞使衬砌结构第一主应力 （受拉） 增加0.29MPa，约为非溶洞区的22.3%；第三主应力（受压）增加0.204MPa，增加约16.4%。

3.4 不同桩号断面计算结果分析

按照 ZK145+596断面的计算过程，分别计算ZK144+942和ZK145+200断面，三类典型断面的计算结果如表4和表5所示[6-7]。

表4 溶洞对围岩应力、位移影响计算结果

图8 衬砌结构底板主应力计算结果

表5 溶洞对隧道衬砌结构应力、位移影响计算结果

图9 衬砌结构底板上隆对比结果

4 结论

根据上述分析计算，可得到如下结论：

（1）桩号ZK144+942处的溶洞，半径较小，距离隧道底板距离较远，对隧道周边围岩的影响较小；但溶洞的存在使得衬砌结构底板第一主应力（受拉）减少，第三主应力（受压）增加，但变化值较小，因此对溶洞可不做处理或采取适当措施。

（2）桩号ZK145+200和ZK145+596断面处的溶洞，半径较大，距离隧道结构较近，对隧道周边围岩及衬砌结构的影响均较大；对于靠近溶洞一侧的围岩，使其主拉应力减少，主压应力增加，且变化幅度较大；同时溶洞使衬砌结构的应力产生较大的增幅，对衬砌结构造成隐患，进而影响隧道的稳定性。因此必须对该桩号处及附近断面采取相应措施处理，如溶洞回填和注浆加固等，防止隧道失稳变形，保证隧道使用安全。

（3）根据计算结果，对于隧道围岩中的串珠状溶洞，参考典型断面的处理措施，根据其断面特征采取类似措施处理。

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[2]邵勇,阎长虹,许宝田，等.小型溶洞对隧道稳定性的影响分析[J].地质评论,2012,58（3）:519-525.

[3]史世庸,梅世龙,杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析[J].地下空间与工程学报,2005,1（5）:698-702.

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