岩溶区水工隧洞稳定性影响因素研究

2023-12-23 04:37周文俊
水利技术监督 2023年12期
关键词:溶洞拱顶隧洞

周文俊

(江西省水投建设集团有限公司,江西 南昌 330000)

我国山区分布有大面积的可溶性岩石,处于岩溶区隧洞稳定性是目前国内外学者研究的重点与难点之一。针对岩溶区隧洞稳定性,大量的学者开展了相关的研究。金鹏[1]综合采用理论推导和数值模拟分析了层间孔隙岩溶区有压水工隧洞稳定性的影响因素。结果表明,隧洞围岩应力水平均随洞径增大而增大,当洞径保持不变时,隧洞位于隔水层时的开挖拱顶下沉量与其在含水层时的开挖拱顶下沉量相同。叶堃等[2]依托玉京山隧道巨型溶洞工程提出了“暗河改道、溶洞回填和桥梁跨越”总体处理措施建议。崔明等[3]依托广州地铁12号线棠溪站—南航新村站区间工程系统的研究了串珠形溶洞区盾构隧道稳定性。结果表明,隧道上方溶洞对隧道变形和受力的影响最大,侧方溶洞次之。此外,跨度比一定时,随着溶洞距离的增加,管片拉应力急剧减小。石菊创等[4]采用数值模拟系统的研究了下伏溶洞对运营隧道衬砌结构稳定性的影响。结果表明,二次衬砌最大剪应力和最大竖向位移随溶洞埋深的增大而减小。当溶洞埋深大于7m是,溶洞对隧洞的稳定性影响较小。吴治生和张杰[5]综合采用现场调查和室内试验对岩溶隧道地质构造与围岩等级进行了划分,结果表明,采用提出的划分方法可以较好的适用于可溶性围岩级别的确定。结果表明,提出的新的隧道岩溶精细勘察模式在实际应用中行之有效可在类似工区推广使用。许垒等[6]依托实际工程,采用理论方法推导了岩溶地区压力分散型锚索的锚固段应力计算公式并与实际现场监测数据进行了对比,验证了结果的可靠性。

岩溶区溶洞对隧洞稳定性是影响隧洞施工和安全运营的重要因素,为研究可溶岩地区隧洞的稳定性,采用ABAQUS数值模拟建立计算模型,系统的分析溶洞位置及尺寸对隧洞稳定性的影响。本文的研究可为岩溶区隧洞的设计及加固提供参考。

1 工程概况及数值模拟

1.1 工程概况

研究区隧洞位于山区,隧洞全长4km,半径为3m,埋深约20m。根据钻孔资料揭示,岩层由上到下分别为填土、粉质黏土、粉细砂、强风化灰岩和微风化灰岩。填土呈褐色,稍湿-湿,结构松散,主要成分为黏土,粒径50~300mm,欠固结,工程性质较差;粉质黏土呈灰色-褐色,土质均匀,含砾石量20%,成分主要为灰岩,粒径为10~20mm;粉细砂颜色呈黄色-褐色,稍密,颗粒级配差,颗粒形状不规则,工程性质较差;强风化灰岩颜色呈灰色-灰黑色,分化强烈,结构破碎。隧洞采用全断面开挖方式施工,每次掘进5m。根据现场钻探资料显示,隧洞与溶洞位于残积土层。为简化计算,不考虑溶洞内的水压力对隧道的变形的影响。

1.2 数值模型

采用ABAQUS数值有限元软件建立计算模型如图1所示。根据施工过程,选取24个断面模拟施工过程。隧洞半径为3m。为简化计算,假定溶洞形状为椭圆形。数值计算模型假定总长度为100m。溶洞与隧洞的净间距为13m,计算不考虑衬砌对围岩的约束和支护作用。

图1 数值计算模型

模型网格采用C3D8R减缩积分单元。模型网格总数为54210。模型分析步骤首先为溶洞土体移除;地应力平衡;模型左右边界约束水平方向的位移,上下边界约束水平和竖向位移。岩土体的计算参数见表1。计算本构采用摩尔-库伦模型。

表1 岩土体材料参数

2 计算结果与分析

2.1 溶洞对隧洞土体位移影响

得到隧洞左侧有溶洞和无溶洞对隧洞变形的影响规律如图2所示。由图可知,拱顶和拱腰的变形均随开挖深度的增大先增大后减小。存在溶洞时,隧洞拱顶的径向变形大于无溶洞时隧洞的径向位移。存在溶洞时的拱腰位移小于无溶洞时的拱腰位移。导致的原因主要是应力的屏蔽作用。有溶洞和无溶洞的拱顶最大径向位移分别为32和28mm;拱腰最大径向位移分别为16和21mm。

图2 开挖深度与隧洞位移的关系

两个典型断面S1和S2不同位置处的地表沉降变形如图3所示,S1断面无溶洞,S2断面存在溶洞。结果表明,随地表距隧洞中心线距离的增大,地表沉降变形先增大后减小。两断面处的地表沉降变形最大值均在中间位置最大。远离隧洞中线位置的地方,开挖对地表沉降变形的影响较小。溶洞的存在导致S2断面地表变形总体大于S1断面。由于溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比,溶洞对于地表变形的影响比隧洞开挖的影响更小。总体来看,地表位置距离隧道的距离大于3倍隧洞直径时,地表沉降变形较小[7]。

图3 不同位置处的地表沉降变形

2.2 溶洞尺寸对隧洞土体位移影响

溶洞尺寸对隧洞变形影响曲线如图4所示。由图4(a)看出,隧洞拱顶的竖向位移随溶洞长轴的增大由初始的19mm增大至35mm;隧洞拱底的变形由17mm增大至21mm。溶洞尺寸的大小对隧道拱顶的影响比隧洞拱底的竖向变形影响更大。由图4(b)看出,隧洞拱顶的水平位移由初始的0mm增大至1.2mm;隧洞拱底的变形由0mm增大至3.8mm。溶洞尺寸的大小对隧洞拱底水平位移的影响比对隧洞拱顶的影响更大。由图4(c)看出,隧洞右拱腰的水平位移随由初始的12mm减小至5mm;左拱腰的水平变形由12mm增大至28mm。溶洞尺寸的大小对隧道拱底水平位移的影响比对隧洞拱顶的影响更大。总体来看,溶洞位置与隧道左拱腰距离更近,溶洞尺寸对左拱腰的影响更大。

图4 溶洞尺寸对隧道变形影响曲线

2.3 溶洞位置对隧道土体安全性影响

溶洞不同位置对隧洞稳定性的影响结果表明,溶洞位于隧道顶部时,安全系数最大,溶洞位于隧道的侧面时,稳定性系数最小。稳定性系数最大值和最小值分别为3.25和2.62。总体来看顶部存在溶洞对隧道的变形影响最小,底部存在溶洞对隧洞的影响次之,侧面存在溶洞对隧道的变形影响最大。

2.4 溶洞与隧洞净距对隧道土体位移影响

溶洞与隧洞间距对隧洞变形影响曲线,如图5所示。由图5(a)可知,溶洞与隧洞间距由0m增大至18m时,隧洞拱顶的竖向位移由40mm减小至28mm,拱底的竖向变形由47mm减小至40mm。随着距离的增大,溶洞对隧洞拱顶和拱底的竖向变形影响逐渐减弱;由图5(b)可知,溶洞与隧洞间距由0m增大至18m时,隧洞拱顶的水平位移由3.9mm减小至1.2mm,而拱底的竖向变形由3.1mm减小至0mm。因此,随着距离的增大,溶洞对隧洞拱顶和拱底水平变形的影响逐渐减弱,隧洞拱顶水平位移比拱顶水平位移受溶洞与隧道间距更大。由图5(c)可知,溶洞与隧洞间距由0m增大至18m时,隧洞右拱腰的水平位移由16mm减小至7mm,左拱腰的水平变形由12mm减小至0mm。总体来看,间距大于10m时,进一步增大净间距,左右拱腰处的围岩水平变形值趋于0,即溶洞对隧洞围岩的影响基本可以忽略。

图5 溶洞与隧洞间距对隧洞变形影响曲线

3 结语

本文依托某地岩溶区隧洞工程,基于ABAQUS数值模拟开展溶洞对隧洞内力及变形的影响。得到如下结论。

(1)隧洞施工过程中,拱顶和拱腰的变形均随施工进度先增大后减小。溶洞的存在导致隧洞拱顶的径向变形增大,拱腰位移减小。溶洞对隧洞拱顶和拱底的竖向变形和水平变形影响逐渐减弱。溶洞与隧洞净间距大于10m时,溶洞对隧洞围岩的影响可忽略。

(2)溶洞的尺寸小于隧洞的高跨比时,溶洞对地表变形的影响小于隧洞开挖的影响。顶部溶洞对隧洞的变形影响最小,底部溶洞对隧洞的影响次之,侧面溶洞对隧洞的变形影响最大。

(3)由于工程地质条件对研究结果有一定影响,研究结论需要结合其它地质工况进一步分析论证。

猜你喜欢
溶洞拱顶隧洞
隧洞止水带安装质量控制探讨
方斗山隧道拱顶FLAC沉降模拟及修正
滇中引水工程大理段首条隧洞顺利贯通
出发吧,去溶洞
妙梦巴王国历险记 七.中保村和百丈山溶洞24
立式圆筒拱顶储罐排版技术及控制方法
神秘的溶洞
隧道特大溶洞处理施工技术
自密实混凝土在水工隧洞衬砌中的应用
大型拱顶储罐三角形板式节点网壳正装施工工艺