含岩溶隧道围岩稳定性分析

刘云付

摘 要 隧道若存在岩溶，围岩应力分布将发生变化，因而隧道稳定性需引起重视。弄坤隧道穿越喀斯特地貌，存在大量溶洞，且溶洞存在于拱顶、边墙和仰拱等不同位置;采用数值模拟软件对其应力和应变变化特征进行归纳，并对不同工况下隧道塑性区变化规律进行了对比。根据现场测试的监控量测数据，并与工程实测数据进行了对比验证，为今后岩溶隧道的施工提供有益参考。

关键词 岩溶;隧道;数值模拟;施工优化

引言

随着一带一路等国家战略提出，我国兴建的隧道越来越多。由于工程地质的复杂性，隧道修建过程中将难免碰到已有采空区或溶洞等，它们的存在将产生不利影响，因而其围岩稳定性需备受重视[1-2]。隧道开挖时，由于岩溶的存在，可能引发围岩冒落、仰拱或地表下沉等不良现象[3]。都汶高速公路董家山隧道、贵昆铁路岩脚寨隧道施工过程中等都因为穿越岩溶发生过安全事故，造成程度不一的损失[4]。

苏峰等[5]依托实际工程隧道，采用理论分析与数值模拟等方法对含岩溶隧道稳定性进行了研究，基于MIDAS数值软件对比分析了有无岩溶时隧道的围岩稳定性，为隧道施工提供了有利指导。许培等[6]在采用高密度电法对岩溶进行测试后，通过ABAQUS数值模拟软件分析了玉渡山隧道稳定性，并对采用注浆加固后稳定性也进行了评价。黄磊[7]针对巴岳山隧道穿越采空区现象，同样采用了ANSYS软件以及理论分析进行了隧道围岩稳定性分析，发现了不同工况下隧道岩溶段围岩都会出现应力集中。苟德明等[8]依托鱼洞Ⅰ号隧道，采用MIDAS数值软件对隧道加固注浆后处治效果进行了分析，为穿越岩溶隧道加固提供了很好参考。可以发现，学者多采用数值模拟软件对岩溶进行分析[9-11]，主要原因是数值模拟软件不需要耗费物力和财力，非常经济。然而，MIDAS、ABAQUS和ANSYS等软件都是基于有限元的，自然界岩土体多存在裂隙、破碎且变异性大，可见采用有限元软件不太合理。

FLAC3D软件是基于离散元原理，可深入研究岩土材料的离散特性。为研究依托工程弄坤隧道的围岩稳定性，本文采用FLAC3D软件進行模拟，分析了溶洞在隧道顶部、拱腰和底部不同分布位置时隧道围岩应力、位移及塑性区变化规律。为验证模拟结果的准确性，对其拱顶沉降值与实际量测结果进行验证。

1含溶洞隧道模型

弄坤隧道埋深60～120m，本模型取平均埋深为90m。隧道跨度为14m，按上下台阶开挖，隧道高度为11m。边界条件分别取4倍横纵向长度，岩溶假设为圆形，溶洞探测结果大致为3m，因而岩溶圆形直径为3m。如图1所示，模型网格划分如图1所示。

在FLAC.3D软件建模过程中，选取Mohr-Coulomb准则，而刚拱架等看作刚体，采用线弹性本构模型。围岩分为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级为主，本模型主要为Ⅳ级，围岩参数泊松比取0.3，内摩擦角为28°，黏聚力为0.6MPa，重度为22kN/m3， 弹性反力系数为300 MPa/m，变形模量为4GPa。隧道若施作二次衬砌后，.钢拱架加喷射混凝土采用壳体单元，密度2400kg/m3，弹性模量15GPa，泊松比0.3。

2工程案例分析

2.1 工程概况

弄坤隧道地处广西河池市巴马瑶族自治县，隧道地处低纬度地区，属亚热带季风气候，夏长冬短，热量丰富。隧区地处岩溶峰丛洼地地貌单元，峰丛山体高耸陡峻，最高峰海拔466m，洼地海拔301m，相对高差约165m，山体斜坡坡度较大，一般25°～40°。进出口处于斜坡坡脚附近。隧道埋深相对高差约90m。

弄坤隧道长708m，。弄坤隧道为左右分离双隧道，如图2，双向通行。隧道区地层岩性主要为第四系全新统（Q4del）残积黏土，下伏三叠系下统罗楼组（T11）全～强风化页岩、二叠系上统合山组（P2h）中风化灰岩及二叠系下统茅口组（P1m）中风化灰岩组成。隧道区位于法福向斜南翼，向斜长约25km。隧区岩层节理裂隙发育，岩溶及地下水发育。

2.2 稳定性分析

按现场开挖反馈情况，溶洞存在的位置分别存在于左右拱腰、拱顶，考虑未来情况，可能也存在拱底，所以分别对拱顶、拱底额拱腰进行了模拟，溶洞离隧道临空面距离为7m。隧道开挖模拟均为上下台阶法开挖，示意图见图3。

2.3 围岩稳定性模拟结果及分析

隧道不同工况下开挖后最大主应力云图，如图4所示。

对比分析图4三个子图可以发现，隧道周边围岩与溶洞中间夹岩主要以拉应力为主，且靠近溶洞附近均出现不同程度的应力集中。可见不论溶洞存在于哪个位置，都对隧道存在潜在不利影响。当拱腰存在溶洞时，由于其不对称性，隧道相当于偏压隧道，对于应力集中区需要着重加固。对于拱底溶洞，可采用物探手段找准位置，进行注浆加固，若溶洞较大，则建议开挖回填。

隧道不同工况下开挖后围岩塑性区分布情况，如图5所示。

根据图5可以发现，当拱底和拱顶存在溶洞时，隧道围岩塑性区均为出现贯通，也就是说在该夹岩距离情况下，起到了保护作用，溶洞和隧道围岩变形没有相互影响;但溶洞在拱腰时，溶洞和隧道围岩的塑性区出现了贯通，可见该种情况隧道受到不利影响。对于实际工程，应当对该夹岩厚度进行探测，具体情况具体分析，就是该种工况，即围岩强度，岩体力学参数类似时，隧道应该进行加固。

2.4 围岩变形数值模拟结果

根据监控量测相关规范，如图6所示布置了不同工况下隧道拱顶、拱腰和地表监测点。监测结果绘制如图7所示。

图7为不同工况下隧道地表沉降不同值绘制的曲线。根据图7可以发现：（i）溶洞位于拱腰时地表沉降比溶洞位于拱底和拱顶时较大，这和围岩塑性区变形结果是相似的，变形大导致沉降相应增大;（ii）监测点B处下沉值最大，这是因为隧道开挖应力重分布导致，而拱底存在溶洞时，对应的下沉也比较多，这是两者应力应变叠加结果。