香树坳岩溶隧道数值模拟和扰动效应分析*

张 力，傅鹤林，于 归，易 达，金玉良

1.中交四公局，北京 100000

2.中南大学，湖南 长沙 410075

不良地质岩溶现象在我国分布广泛，而岩溶发育会对隧道建设带来不利的影响，影响隧道施工安全。为了有效处理岩溶问题，分析岩溶对隧道施工带来的影响是十分有必要的。文章依托双向江玉高速公路香树坳隧道工程项目，对溶洞影响下的双线隧道变形和受力进行数值模拟，获得隧道围岩的变形和受力情况，旨在为类似工程提供参考。

1 工程概况

贵州省江口至玉屏（大龙）高速公路全长15.624km，是一条双向四车道高速公路。沿途设有多个隧道，其中香树坳隧道进口位于江口县闵孝镇中练村附近，出口位于江口县闵孝镇中练村附近，左线隧道长1665m，右线长1687m，两隧道的间距为5.4m。该隧道属低山地貌单元。山坡较陡，植被较发育。隧址区高程556.60～764.80m，相对高差208.2m。隧址区的地层分布如下：上覆为第四系松散残坡积成因的黏土及崩坡积成因的块石土，底部基岩为寒武系下统变马冲组页岩、寒武系下统变清虚洞组灰岩、寒武系下统杷榔组钙质页岩。项目区地质构造复杂，褶皱和断裂都较发育，隧道洞身处还有岩溶发育。穿越岩溶的隧道段围岩主要是强～中风化灰岩。岩溶高约4m、宽约10m，岩溶距离隧道顶部约5m。

2 数值模拟

2.1 计算模型

香树坳隧道穿越岩溶模型宽60m（X轴方向），高80m（Y轴方向）。数值模拟模型图如图1所示。采用二维模型模拟岩溶的存在对香树坳隧道带来的影响，其中周围土体采用2D单元模拟，土体的本构模型遵循摩尔库伦强度准则。隧道主洞的直径为10.8m，高度达到8.6m。

图1 数值模拟模型图

2.2 模型参数

根据现场勘测和室内试验得到了研究区段的围岩参数，具体如表1所示。

表1 模型参数

2.3 计算工况

为了更加全面地分析岩溶给香树坳隧道带来的影响，设双线香树坳隧道与溶洞之间的距离为h，文章分别分析了当h为1m、2m、3m、4m、5m和6m的不同工况，两者之间的相对位置关系如图2所示。

图2 不同工况下的隧道横截面图

3 结果与分析

3.1 变形分析

当溶洞位置处于两隧道中间时，左右线隧道的位移变形情况大致会沿隧道中心线呈对称分布。但是对于左线或者右线隧道，隧道周边围岩的变形情况并不是对称分布的，对此，取右线隧道的变形情况进行分析。使用软件计算后，选择具有代表性的隧道变形位置进行分析。隧道取样点的具体位置分布如图3所示。

图3 测点位置分布

根据数值模拟的结果绘制出了在不同工况下的隧道各个测点位置处的竖直方向上的变形情况，各测点处位移随距离h的变化曲线如图4所示。

图4 各测点处位移随距离h的变化曲线

从图4中可以看出，隧道开挖后拱顶处产生沉降，仰拱处产生隆起。拱顶处产生的沉降大于仰拱处产生的隆起，施工过程中需要注意拱顶产生的沉降位移。左右拱脚处产生隆起变形，但是随着隧道周边位置逐渐接近溶洞处，隧道周边的位移慢慢转变为沉降。在左右拱腰处产生的变形以沉降为主。

溶洞的存在会影响隧道开挖后的变形，随着隧道拱顶与溶洞竖向距离h的增加，仰拱处和左右拱脚处产生的隆起变形逐渐减小，拱顶处和右拱脚处产生的沉降变形逐渐减小。左拱腰处产生的位移随着距离h的增加先隆起变形减小，后沉降变形增加，并且随着距离h的增加，位移量逐渐减小。

由于溶洞大致处于左右线隧道的中间位置，水平方向上距离溶洞较远位置的隧道周边围岩产生的位移情况和距离溶洞距离较近位置的隧道周边围岩产生的位移情况不同。具体的差异情形可以根据上述测点位置处的变化情况来解释，隧道产生的位移变化并不是沿着中心线呈对称情况的。左边部分的隧道周边围岩（水平方向上离溶洞较近的位置）产生的变形较大，右边部分的隧道周边围岩（水平方向上离溶洞较远的位置）产生的变形较小。于是，仰拱和拱顶产生最大位移的地方偏向于溶洞位置处，但是这种左右不对称的位移差随着距离h的增加而逐渐减小。

3.2 受力分析

根据数值模拟结果，得到在Y轴方向上，隧道周边围岩的内力云图如图5所示。

图5 香树坳岩溶隧道围岩竖向内力云图

从图5中可以看出，溶洞的存在使隧道围岩的内力分布不对称，即靠近溶洞侧的隧道围岩内力大于远离溶洞侧的隧道围岩内力。这种不对称的内力分布情况类似于隧道围岩的变形情况。随着溶洞与隧道距离增加，溶洞对隧道围岩的应力分布逐渐减小，隧道围岩的内力分布逐渐对称。

隧道拱脚处的围岩受到的内力最大，施工时需要注意加固拱脚范围内的围岩，以防隧道结构不稳。并且随着h的增加，隧道围岩应力大致呈逐渐减小趋势。

溶洞与隧道距离的增加使溶洞对隧道围岩的变形和应力影响逐渐减小。这是因为溶洞与隧道的距离越近，越容易受到隧道施工的影响，从而导致溶洞结构不稳定带动周围岩土体一同发生变形作用。但随着溶洞远离隧道，这种变形作用影响越来越难以影响隧道，从而当溶洞与隧道距离增加时，溶洞对隧道围岩的变形和应力影响逐渐减小。

4 结论

综上所述，溶洞对双线隧道的影响规律如下：

（1）隧道顶部溶洞的存在会对隧道围岩的变形和应力产生较大的影响。双线隧道顶部由于溶洞的存在会使得单一隧道围岩的变形和内力不对称分布，这种不对称分布造成隧道周边位移较难确定，洞体结构变形不符合设计要求。隧道不同部位受力不均、不对称，会给隧道支护带来较大的施工难度。随着距离h的增加，溶洞对隧道的影响逐渐减小，隧道围岩的变形和受力情况也逐渐趋于对称形式。

（2）溶洞与隧道的距离越近，其带来的影响越巨大。随着溶洞和隧道距离的增加，隧道围岩变形逐渐减小，且随着h的增加，隧道围岩位移量也逐渐减小，隧道围岩内力大致呈减小趋势。