隧道与隐伏溶洞之间的安全岩层厚度研究

邓杰夫,唐国军,唐宇辰

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

随着对岩溶隧道的不断探索和实践,大量数据表明,隧道与隐伏岩溶构造之间岩层的失稳、垮塌及由此引起的突水涌泥灾害会造成重大安全隐患和经济损失,如何避免隐伏溶洞与隧道之间的岩层破坏,成为施工中亟待解决的重要问题。一般认为,在施工扰动和岩溶高水压作用下,隧道与岩溶之间岩层厚度的不足是致使其垮塌或被高水压击穿是引起上述工程问题的主要因素[1-3]。而国内各类规范并没有对这一参数进行明确的规定,导致设计和施工单位在隧道施工时很难判断其是否安全,因此,研究、确定隧道与隐伏岩溶之间岩层的安全厚度对确保围岩稳定、规避岩溶灾害具有重要的现实意义。

郭佳奇等[2]基于临界水压力破坏理论建立了岩墙安全厚度的计算公式,并依托宜万线云雾山隧道进行了检算。刘超群等[3]通过正交试验研究了隧道掌子面与溶洞安全距离的影响因素,得到了隧道掌子面前方岩盘安全厚度的计算方法,并通过几个隧道工程实例进行验证。黄坤岭[4]基于三维有限差分数值平台和能量法原理,以齐岳山隧道为工程依托,研究了充水椭球形溶洞位于隧道不同方位时,在隧道动态开挖过程中隧道与溶洞间防突层的稳定性,分析了隧道开挖面从远离到接近溶洞过程中隧道防突层破坏区变化规律。陈禹成等[5]模拟分析了溶洞位于不同位置时对隧道的影响并总结规律,并以鄂西山区隧道实例提出了溶洞处治原则。

从目前国内、国外的多种计算及取值方法来看,目前对于安全岩层厚度的认识并没有一个统一的标准,且各研究之间计算结果差值较大[6-7],相关规范对此也没有明确的规定。本文以谢家峒隧道为依托,对周边隐伏溶洞在不同位置和不同距离下的隧道位移场及应力场进行模拟计算,通过比选得到各工况下隐伏溶洞与隧道之间的安全岩层厚度,为实际隧道施工提供理论基础。

1 工程概况

谢家峒隧道为双向分离式+小净距隧道,左线长1 267 m,右线长1 322 m,左、右线起讫桩号分别为ZK27+735～ZK29+002和YK27+735～YK29+057。隧道断面为单心圆曲墙式断面,半径R=5.85 m。隧道建筑限界净宽为10.75 m,净高为5 m。

该隧道岩溶发育,左、右线隧道在掘进的过程中遇到诸多溶洞,施工开挖过程中发生过塌方、初支大变形、地表塌陷等灾害,隧道建设过程增加投资估算值累计约3 000万元。2011-06-02,左线隧道开挖至ZK28+817时揭露一个溶洞(即塌方溶洞,且连通左右线隧道),而后右线隧道也开挖到该溶洞,应业主和设计要求,此时右线隧道掘进施工暂停,左洞继续掘进,2011-08-08,右线隧道恢复施工后,施工队在对右线隧道溶洞壁进行安全支护时,发生大面积塌方的自然灾害。

2 计算模型

2.1 几何模型

(1)施工中揭示的溶洞多为不规则球形、长方体和椭球等形状,且溶洞大小不一,考虑到溶洞的不规则性,本文采用简化后的椭圆作为隐伏溶洞模型[8-9]。

(2)由于隧道施工中遭遇的尺寸>2 m的溶洞占97.4%,其中溶洞尺寸在2～18 m占92.7%[10],因此模拟的椭圆形溶洞尺寸取宽a=16 m,高b=20 m,高跨比K=b/a=1.25。

(3)选取谢家峒隧道参数,利用Midas GTS软件建立1∶1计算模型,隧道模型断面为单心圆,跨度B=12.0 m,高H=9.92 m,埋深50 m,分别取无隐伏溶洞、隧道与隐伏溶洞之间的岩层厚度L为3 m(0.25倍跨度B)、4 m、5 m、6 m(0.5倍跨度B)、9 m(0.75倍跨度B)、12 m(1倍跨度B)、15 m(1.25倍跨度B)等工况进行研究,隧道及溶洞断面尺寸如图2所示。

图2 隧道及溶洞模型尺寸示意图(m)

(4)隧道埋深较浅,计算过程不考虑水压力。

2.2 边界条件

根据以往的研究结果,不同围岩条件的隐伏溶洞对隧道产生的影响仅仅是影响程度和影响范围存在变化,且规律相似[11-12],因此,计算统一取隧道围岩级别为Ⅳ级。Ⅳ级围岩物理、力学参数如表1所示。

表1 围岩力学参数表

采用摩尔-库仑本构模型[13-14],初期支护采用梁单元模拟,弹性模量为20 GPa,泊松比为0.2,容重为25 kN·m-3,梁单元厚度为0.28 m。

3 结果分析

3.1 隧道与顶部隐伏溶洞之间的安全岩层厚度

当隐伏溶洞位于隧道顶部时,隧道与溶洞之间的岩层厚度过小,会导致其无法承受荷载作用而发生拱顶沉降、掉块甚至塌方。为研究溶洞位于隧道顶部时的安全岩层厚度,取岩层厚度L分别为3 m(0.25B)、4 m、5 m、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)进行研究,并以无隐伏溶洞工况作为参照,对比各布置参数对隧道位移场的影响,计算结果如图3、图4所示。

(a)无隐伏溶洞

(a)无隐伏溶洞

由图3、图4可以看出,当隧道与溶洞之间的岩层厚度较大时,隧道周围的竖向及横向云图均与无隐伏溶洞工况相似,当隧道与隐伏溶洞之间的岩层厚度<9 m时,隧道位移云图开始发生变化,说明隧道施工后变形将受到隐伏溶洞影响,当岩层厚度为6 m时,位移云图中各项位移均开始变大。

为进一步研究隧道和溶洞之间的安全厚度,提取各工况隧道的拱顶位移如表2所示,并绘制拱顶沉降与岩层厚度的变化曲线如图5所示。

表2 各工况隧道拱顶位移计算结果表

图5 拱顶沉降与岩层厚度的变化关系曲线图

从图5可以看出,拱顶沉降随着岩层厚度的增大而减小,当岩层厚度L≥6 m时,拱顶沉降很小,且与周边无隐伏溶洞工况几乎一致;而当岩层厚度L<6 m时,拱顶沉降急剧增大,证明L=6 m时隧道与隐伏溶洞的岩层处于临界状态。

为进一步验证隧道与溶洞之间岩层的厚度对隧道的影响,将不同岩层厚度下的隧道塑性区云图进行对比,如下页图6所示。

(a)无隐伏溶洞

由图6可知,当岩层厚度L越大时,溶洞与隧道之间的岩层塑性区范围越小,而岩层厚度L<6 m时,溶洞与隧道之间岩层的塑性区已经贯通,并且L越小,塑性指标越大,证明当溶洞位于隧道拱顶时安全厚度为6 m。

3.2 隧道与底部隐伏溶洞之间的安全岩层厚度

当隐伏溶洞位于隧道底部时,隧道底部会存在落空现象,导致隧道仰拱沉降增加。为研究溶洞位于隧道底部时的安全岩层厚度,取岩层厚度L分别为3 m(0.25B)、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)进行研究,对比不同参数对隧道位移的影响。计算结果如下页图7所示。

(a)无隐伏溶洞

由图7可知,当隧道与隐伏溶洞之间的岩层厚度L≥9 m时,围岩最大变形量均小于无隐伏溶洞时的情况,表明隧道与底部隐伏溶洞的安全岩层厚度为9 m。

为研究隐伏溶洞位于隧道底部时不同岩层厚度下的受力特性,将不同岩层厚度下的隧道围岩塑性区云图进行对比,如后页图8所示。

由图8可知,围岩塑性区随着岩层厚度L的减小,由不贯通向贯通趋势发展,且岩层厚度L越小,塑性区的贯通的程度和范围越大;当L≥9 m时,塑性区不再贯通,也证明了当隐伏溶洞位于隧道底部时的安全岩层厚度为9 m。

3.3 隧道与侧部隐伏溶洞之间的安全岩层厚度

当隧道侧部存在隐伏溶洞时,隧道会存在不同程度的偏压情况,溶洞改变了隧道左右侧的受力情况。为研究溶洞位于隧道侧部时的安全岩层厚度,取岩层厚度L分别为3 m(0.25B)、6 m(0.5B)、9 m(0.75B)、12 m(1B)、15 m(1.25B)进行研究,对比各布置参数对隧道位移和塑性区的影响,计算结果如后页图9、图10所示。

(a)无隐伏溶洞

(a)无隐伏溶洞

当隐伏溶洞位于隧道侧部时,隧道处于偏压状态,隧道与隐伏溶洞的距离越近,偏压越严重,由图9、图10可以看出,在溶洞的影响下,位于溶洞的一侧的位移与塑性区均大于另一侧。

如图9(b)、图10(b)所示,当岩层厚度L=3 m(0.25B)时,隧道与溶洞均发生较大位移,同时两洞之间塑性区已相互连接,证明隧道与溶洞之间的岩层已经发生破坏;如图9(f)、图10(f)所示,当岩层厚度L=15 m(1.25B)时,隧道与溶洞之间的位移与塑性区没有相互干扰,说明当岩层厚度>15 m时,隧道所受的影响已经较小。

通过对比图9(c)～(e)可知,当岩层厚度L为6～12 m(0.5～1B)时,隧道和溶洞的均产生不同程度的沉降,而当隧道与溶洞之间的岩层厚度达到12 m时,溶洞底部的位移已经很小,说明两洞之间的干扰已经很小。且由图10(e)可见,此时隧道与侧部隐伏溶洞之间的塑性区已由贯通变为不贯通,因此可以断定,隧道与溶洞之间岩层的安全厚度宜≥12 m(1B)。

4 结语

通过以上研究,得到以下结论:

(1)隐伏溶洞的存在将影响隧道的受力和变形状况,随着隧道与隐伏溶洞之间的岩层厚度增加,隧道在施工时的应力场与位移场受到的影响逐渐变小。

(2)隧道顶部存在隐伏溶洞时,隧道与隐伏溶洞之间安全岩层厚度宜>6 m(0.5B)。

(3)隧道底部存在隐伏溶洞时,隧道与隐伏溶洞之间岩层的安全厚度宜>9 m(0.75B)。

(4)隧道侧部存在隐伏溶洞时,隧道与隐伏溶洞之间岩层的安全厚度宜≥12 m(1B)。