近接岩溶空腔对台阶法施工公路隧道围岩稳定性影响研究

黄 鹏，王丽君

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

近年来，随着我国中西部交通网络的不断完善，隧道建设向着更加复杂的地质条件区域发展，特别是在西南岩溶地貌区，近接溶腔对工程建设(尤其是隧道、地下洞室的施工)带来十分严重的影响[1-2]。溶洞多发生于石灰岩、白云岩等地层中，在地下水长期侵蚀作用下形成一定的地下空间[3-4]。当隧道毗邻溶洞发育区时，围岩整体性、完整性变差，使得隧道整体或部分悬空，极大改变了开挖洞口附近的应力分布。此外，隧道区地下水的流动不仅会持续侵蚀周边岩体，影响隧道寿命，严重时可引起洞穴内松散堆积物坍塌下沉，形成顶部地面岩溶塌陷，严重威胁着隧道支护结构体系的安全性[5-6]。

当隧道穿越岩溶发育区时，结构受力相对复杂，洞室变形难以控制。溶洞大小与位置、距离隧道的远近等因素与隧道施工开挖及支护安全性有着重要关系。赵明阶等[7-8]通过数值模拟及试验研究得出侧面溶洞会使隧道受到严重偏压影响，并且针对全断面开挖条件下的围岩稳定性进行了分析。达勇等[9]在有溶洞的情况下对单侧壁导坑法施工的隧道围岩应力、位移等进行了模拟分析，研究得出溶洞对隧道拱顶下沉影响显著。吴梦军等[10]通过室内试验研究了溶洞发育位置对围岩施工力学的影响，并辅以数值模拟总结了围岩塑性区和位移变化特征。综上所述，目前国内外专家学者对于岩溶隧道的溶洞处理、施工方法等积累了一定的经验，但是针对近接岩溶空腔对台阶法隧道开挖影响因素的研究却相对较少。因此，本文以某公路岩溶隧道为工程依托，深入研究了岩溶空腔位置对临近隧道开挖围岩稳定性的影响，揭示了洞周围岩应力分布及变形特性，研究成果可为岩溶区隧道的工程建设提供理论支撑和参考。

1 工程概况

在建公路隧道位于贵州省境内，隧道全长628 m，最大埋深70 m。岩溶地层主要为强风化白云岩、灰岩，岩层呈中～厚层状，灰白色。节理裂隙十分发育，多张性节理，岩体多为完整～较破碎。隧道总体富水程度较低，裂隙连通性大，少见集中径流，常有裂隙水流，沿裂隙、层面溶蚀扩大为岩溶化裂隙或小型洞穴。周边未发现较大断裂且未临近地质构造活动频繁区域。隧道围岩多以Ⅳ和Ⅴ级为主，隧道开挖宽度11.872 m，高度约8.7 m，隧道设计为双向四车道公路，其断面示意见图1。隧道洞身结构按新奥法施工原理进行设计，即以系统锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌型式，其中隧道Ⅳ级围岩段采用两台阶法施工，基岩段采用超前小导管进行超前支护，预留变形量为8 cm，开挖后及时完成喷锚支护和钢支撑组成的初期支护系统，并在施工监测围岩变形基本稳定后，及时进行二次模筑钢筋混凝土衬砌，围岩及支护参数如表1所示。在实际施工过程中，遇到多个小型溶洞，平均洞宽约2.5 m，多位于隧道左拱腰上部，均为贫水类岩溶溶洞，洞内有少量松散充填物，距离隧道洞身段远近不一。因此，本文以此隧道工程为例，选择近接距离作为主要影响因素，针对近接岩溶空腔对隧道开挖稳定性影响展开研究。

图1 公路隧道内轮廓尺寸(单位：cm)

表1 材料物理力学特征值

2 岩溶隧道有限元模型建立

2.1 数值分析模型

为了充分考虑近接岩溶空腔对隧道开挖的稳定性影响，本文选取了大埋深且溶洞发育区段作为研究对象。基于设计资料及工程地质条件，通过有限差分软件FLAC 3D建立计算模型，以喷射混凝土形成的初期支护作为主要的支护结构，分别开展了有溶洞和无溶洞时隧道开挖围岩稳定性的对比分析。在近接溶洞的影响方面，由于溶洞位于隧道拱肩部斜交位置，在溶洞与隧道间距分别为2 m、4 m和8 m的工况下，笔者分析了隧道开挖后的围岩稳定性及应力分布特征。计算单元采用solid45，围岩及支护结构均采用三维实体单元，模型共计10 044个单元和13 744个节点，材料破坏特性符合摩尔-库伦准则。由于结构可看作是对称的，并且为了方便比较和分析结果，故取拱顶、拱腰和边墙3个监测点(A、B、C)进行对比分析。

2.2 模型参数及边界条件

根据现场地勘资料及室内岩土体力学强度试验结果，模型参数取值如表2所示。通过有限元计算软件建立溶洞不同间距条件下的隧道开挖模型与支护模型。在图2中，计算模型中隧道围岩为Ⅳ级，隧道埋深为42 m，实体单元网格划分长度为0.2 m。为了尽量避免边界效应对计算结果的影响，数值模型两侧宽度取3～5倍洞径以上，总长约77 m，模型竖向范围约85.2 m。隧道开挖选择两台阶施工方法，先进行上台阶施工开挖后，立即施作上半段初期支护，待变形稳定后，进行下部开挖和支护，有限元整体模型如图2所示。模拟计算前，首先对底部边界和四周边界施加约束，限制三向位移，垂直边限制水平方向的位移，仅赋予上部单元多向自由度。

表2 材料主要的物理力学参数

图2 隧道有限元模型

3 结果分析及讨论

3.1 近接溶洞对隧道开挖受力分布影响

隧道上台阶开挖后的最大主应力分布如图3所示。当没有溶洞时，上台阶开挖后拱顶出现较大拉应力，底部围岩出现一定隆起，主应力向两拱脚逐步扩散。当溶洞距离隧道仅2 m时，溶洞底部出现轻微拉裂现象，溶洞顶部及拱顶出现较大拉应力，溶洞与隧道之间围岩拉应力较小，表明围岩位移较大。并且越靠近隧道拱腰处应力越小，表明围岩集中向隧道侧产生变形破坏，拱顶处受到拉应力较大，边墙处受到压应力较大。通过统计，对比有溶洞和无溶洞条件下的拉应力变化(见图4)，溶洞的出现使得受到的最大拉应力出现上升；整体表现为溶洞距离隧道越近，拉应力增幅越大，这与隧道开挖后的位移变化规律一致。当溶洞近接距离为2～4 m时，拉应力比值的增幅较大，最大可达22%，隧道开挖支护后出现失稳的概率也越大。随着近接距离不断增加，曲线负向斜率增大，最大拉应力比值降速逐渐增加，表明近接溶洞对隧道开挖的影响逐步变小。当溶洞距离隧道在8 m以外时，拉应力增幅已减小至10%以下。

图3 上台阶开挖后主应力分布特征

图4 上台阶开挖后最大拉应力比分布特征

另一方面，当溶洞逐渐远离隧道时，支护结构的内力也会有所降低。通过截面面积和提取的节点受力数据，得到溶洞不同近接距离条件下结构内力(见表3)。随着溶洞近接距离不断增大，初期支护拱顶和拱肩处的轴力大幅降低，尤其是拱顶处轴力从间距为2 m时的-2 647.36 kN减小到8 m时的-1 803.64 kN，减小约32%，而拱肩处轴力降低幅度约为8.2%～11.5%。试验数据也表明了随着溶洞距离隧道越远，弯矩降低速度越快。当近接距离由2 m增加至8 m时，拱顶弯矩降幅将达到90%以上。

表3 溶洞不同间距下的结构内力比较

3.2 近接溶洞对隧道开挖塑性区的影响

上台阶开挖引起的塑性区分布如图5所示。在无溶洞进行隧道开挖时，拱顶和开挖面底部以及墙角处会产生塑性破坏，其中拱顶沉降引起的塑性破坏较为严重，其余位置围岩多处于稳定状态。当开挖隧道附近有溶洞出现时，这对围岩塑性区分布具有较大的影响。当溶洞近接距离为2 m时，除了溶洞自身附近以及隧道开挖净空面附近围岩会产生塑性变形外，隧道拱腰附近以及溶洞与隧道间的围岩多处于塑性流动状态，且具有连通态势。这表明当溶洞距离开挖隧道过近时，在隧道靠近溶洞发育区附近极易发生上部坍塌。当溶洞近接距离为4 m时，在溶洞与隧道顶部之间出现有大量弹性区，而隧道拱腰附近塑性区减少，表明溶洞对隧道结构影响开始减小，但溶洞附近塑性区仍分布较广，开挖时依然存在较大安全隐患。当溶洞近接距离为8 m时，塑性区多分布在隧道周围，溶洞周围的塑性区也较小，相互没有延展，开挖后及时进行支护是安全可行的。

图5 上台阶开挖后围岩塑性区分布特征

3.3 近接溶洞对隧道开挖位移的影响

不同近接距离条件下隧道拱顶沉降值如图6所示。拱顶沉降规律整体表现为前期开挖增速较快，待初期支护施作闭环后沉降逐渐平缓至稳定值。在无溶洞时，拱顶最大沉降量为2.22 cm。但是随着溶洞的出现以及距离隧道间距越来越小，拱顶沉降量将越来越大。特别是在上台阶开挖初期，沉降位移增速不断提升，当溶洞距离隧道越近，前期的沉降效应越明显，且拱部容易出现较大变形；在溶洞近接距离为2 m时，最大沉降量达到2.6 cm。从不同近接距离条件下的边墙水平位移变化规律可以看出(见图7)，隧道开挖后洞周前期收敛变形较快，在施作初期支护后，位移变化速率明显降低，出现短暂的稳定期，此时变形量已达总变形量的80%；待下台阶开挖并施作支护后，水平位移逐渐稳定。当隧道周边存在既有溶洞时，边墙水平变形速率同样有所提升，溶洞与间距越小，水平变形量就越大，当溶洞近接距离为2 m时，最大变形量达到0.69 cm。有溶洞与无溶洞的情况对比分析见图8。当出现近接溶洞时，隧道开挖引起的拱顶沉降及水平收敛均出现不同程度增加，但是随着溶洞距离越来越远，近接岩溶空腔对隧道开挖的影响也越来越小。同时，相对于边墙水平变形来说，近接溶洞对于拱顶沉降影响更为显著。当溶洞近接距离由2 m增加至8 m时，水平位移增幅由6.15%逐步线性降低至1.54%，拱顶沉降量与溶洞近接距离表现为二次函数关系。随着溶洞距离的增加，拱顶相对沉降量由17.12%逐步减小至7.21%。

图6 近接溶洞对拱顶沉降的影响

图7 近接溶洞对边墙位移的影响

图8 既有溶洞引起的隧道开挖位移变化量

综合隧道开挖后支护结构受力、围岩塑性区发展趋势及洞周变形特征，当隧道只有一侧遇到溶洞时，宜首先开挖该测，并及时支护；当隧道施工临近溶洞边缘时，应减少对围岩的扰动，控制爆破药量。施工时，各工序应该紧密衔接，支护结构可超前布置，并且视溶洞岩石破碎情况，可采用锚杆或钢筋网喷锚加固，必要时应考虑注浆，并及时开展监控量测工作。

4 结论与建议

通过开展大断面岩溶隧道中溶洞对隧道开挖稳定性的影响研究，得到了溶洞不同近接距离条件下隧道施工引起的支护结构应力变化规律、围岩塑性区分布以及位移变化特征，且笔者得出台阶法施工条件下的中小跨度岩溶公路隧道施工有以下特征并做出建议：

(1)有近接溶洞(小于4 m)时，隧道开挖可引起拱顶拉应力最大增长22%；当溶洞与隧道间距超过8 m时，拉应力增幅小于10%；支护结构弯矩和轴力也随溶洞近接距离的增大而大幅减小。

(2)当溶洞近接距离小于2 m时，隧道开挖会引起溶洞与开挖面之间塑性区的延展连通，极易发生塌方。但随着岩溶空腔与隧道间距的增大，施工引起的塑性区范围逐渐减小，弹性变形区开始缓慢增加。

(3)近接溶洞显著增加了隧道开挖后的整体变形量。当溶洞近接距离为2～8 m时，拱顶沉降增幅为7.2%～17.1%，边墙位移增幅为1.54%～6.15%，近接溶洞对拱顶沉降的影响更为显著。

(4)当岩溶隧道施工时遇到溶洞近接的情况时，应及时查明溶洞位置、大小以及近接距离。当溶洞与围岩的间距小于4 m时，隧道施工开挖极容易引起坍塌，应在开挖前及时处理溶洞并施作支护，特别是拱顶处应考虑加强。