隧道上穿溶洞对管片衬砌结构稳定性影响分析

钟爱军，李 懋，王立新，周 琦

(1.衡阳市城市建设投资有限公司，湖南 衡阳 421000；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

在岩溶地质条件下掘进隧道，当溶腔与隧道相距较近时，隧道的开挖活动会打破溶腔原有的力学平衡，影响其稳定性。当溶洞紧邻隧道结构或其结构强度较低时，岩层稳定性易受破坏，造成涌水突泥和坍塌等一系列安全事故[1-3]，影响到隧道施工的安全和效率。

预先在溶洞区对隧道结构的力学影响进行分析，分析软弱岩溶区隧道掘进时可能出现的问题，尽可能有效避免岩溶地区隧道工程建设安全事故的发生[4-5]。岩溶隧道具有所处环境复杂、现场条件不便及内部结构不可见等特征，给研究工作的开展带来了诸多困难。通过理论推导、室内试验、数值计算及现场测试等多种手段，已有一些典型研究分析了岩溶地质对隧道结构稳定性产生的影响。陈成宗[6]等人调查分析了多例岩溶地区隧道灾害事故，认为溶洞的存在在一定范围内会引起隧道开挖后围岩大变形，甚至坍塌。若未合理地对溶洞进行处理，当隧道支护好后，支护结构还有可能受到破坏。白永学[7]以成都地区地铁穿越区地层为研究对象，重点研究了由于盾构施工导致的地层塌陷机理。彭川[8]针对白须公路隧道，运用ANSYS软件，分析了溶洞在隧道不同位置时隧道围岩的变形特征。苏峰[9]等人运用MIDAS/GTS软件，对空腔溶洞在不同位置、不同大小及不同距离等多种工况下的围岩位移和衬砌管片受力情况进行了分析，得出“当溶洞处于隧道侧方时，对隧道的稳定性影响最大”的结论。衣智明[10]根据相似原理，建立节理面和岩溶条件下的隧道结构相似模型，研究节理面和溶洞位置对隧道结构的安全性影响。实验结果表明：溶洞位置成为影响隧道结构安全的首要因素。从已有的研究成果来看，岩溶地区中隧道结构的安全性极大程度地受到岩溶溶腔位置的影响，在分析岩溶隧道结构稳定性的过程中，确定一个合理的影响范围[11-13]已成为结构安全分析的首要工作。作者拟根据合江套湘江盾构隧道的实际情况，利用FLAC3D软件对掘进过程进行模拟，分析岩溶地质条件特性对隧道管片衬砌结构力学稳定性的影响，确定岩溶区域的影响范围，以期为工程建设提供一定的理论指导。

1 工程概况

合江套湘江隧道位于湖南省衡阳市珠晖区，是衡阳市内第一条穿越湘江的隧道。现有勘察资料表明：隧道所在工程区下伏基岩内有脉状或薄层状膏硬石膏和钙芒硝可溶性盐层，受江水和地下水作用，在岩层内形成充填性溶腔。根据水上物探勘察结果，隧道工作范围附近推测存在5处岩溶异常，岩溶分布在里程Kn4+150～Kn4+360范围，岩溶发育深度集中在2个标高段范围内，第一标高段为10～25 m，岩溶发育共4处；第二标高段为-10～5 m，岩溶发育1处。溶洞发育情况见表1和如图1所示。

溶洞区的存在给施工带来极大的困难。若盲目冒进施工，盾构掘进过程中将出现失压、下沉及突水等情况，影响盾构施工安全，严重时会关系到盾构施工的成败[17]。因此，分析岩溶区对施工过程中隧道结构稳定性的影响并提出合理的治理方案是保证隧道安全施工的关键。探讨溶洞对隧道管片衬砌结构稳定性的影响规律，以期为岩溶区处理和隧道施工方案的设计提供理论依据。

表1 岩溶洞发育部位一览表Table 1 Summary of developing sites of rock caverns

注：溶洞大小和标高为物探推测结果；括号内数据为钻探揭露结果。

图1 岩溶发育概况Fig.1 Overview of karst development

2 计算模型及计算参数的选取

为分析溶洞对隧道管片衬砌结构稳定性的影响，将溶洞简化为圆形，用FLAC3D软件，建立Mohr-coulomb模型。选取模型左下角为坐标原点，计算模型选取隧道横向(X向)长度80 m，竖向(Z向)长度为60 m，纵向(Y向)长度为4 m。边界条件为：固定下边界垂直位移，固定左、右边界水平位移，固定前、后边界纵向位移。围岩参数见表2。计算模型和网格划分如图2所示。

表2 围岩参数Table 2 Parameters of surrounding rock

图2 计算模型和网格划分Fig.2 Computational model and mesh generation

3 管片衬砌结构稳定性影响分析

为直观分析溶洞对隧道管片衬砌结构位移的变化规律，建立同参数和边界条件下无溶洞的隧道模型，将其与隧道上穿溶洞时开挖过程中管片稳定性的变化进行对比。

3.1 无溶洞时隧道管片衬砌结构稳定性分析

3.1.1 管片衬砌结构周边位移变化分析

当不存在溶洞时，开挖后隧道竖直方向(Z向)位移云图和水平方向(X向)位移云图分别如图3,4所示。从图3,4中可以看出，当不存在溶洞时，隧道开挖后会出现拱顶下沉、拱底隆起及拱腰向中间收敛的现象。在隧道中心断面上取拱顶、拱腰及拱底中心点3个特征点进行分析。当隧道无溶洞时，开挖后隧道各特征点位移见表3。

图3 竖直方向位移云图Fig.3 Vertical displacement cloud

图4 水平方向位移云图Fig.4 Horizontal displacement cloud

3.1.2 管片衬砌结构周边应力分析

当隧道无溶洞时，开挖后隧道管片衬砌结构应力分布云图如图5,6所示。

根据设计方案，合江套隧道衬砌结构采用C50混凝土。由《公路隧道设计规范(JTG D70-2004)》可知，C50混凝土设计的抗拉强度为1.89 MPa，抗压强度为23.1 MPa。从图5,6中可以看出，应力集中区域的最大值为8.05 MPa，存在于拱腰两侧应力集中区域的最大值为0.62 MPa，存在于拱顶和拱底及衬砌结构所受拉应力和压应力均未超过临界强度。

表3 无溶洞时特征点位移Table 3 Displacement of characteristic points in the no-karst cave

图5 最大主应力Fig.5 The maximum principal stress

图6 最小主应力Fig.6 The minimum principal stress

3.2 隧道上穿溶洞时管片衬砌结构稳定性分析

3.2.1 管片衬砌结构周边位移变化分析

当隧道上穿溶洞时，开挖后隧道竖直方向(Z向)位移云图和水平方向(X向)位移云图分别如图7,8所示。

图7 竖直方向位移云图Fig.7 Vertical displacement cloud

图8 水平方向位移云图Fig.8 Horizontal displacement cloud

从图7,8中可以看出，隧道拱部下沉，隧道底部隆起且位移最大，拱腰向中间收敛。

当隧道下方有溶洞存在时，隧道下方溶洞直径为2,4,6和8 m时，开挖后隧道特征点的竖向位移如图9所示。

从图9中可以看出，当隧道上穿溶洞时，对隧道管片衬砌结构位移的影响规律为：

图9 开挖后特征点的竖向位移Fig.9 Vertical displacement of feature points after excavation

1) 隧道管片衬砌结构受溶洞影响，无论是底部特征点还是拱腰特征点或是拱顶特征点，都表现为竖向位移的变化最大，水平位移相比于竖向位移可以忽略。

2) 相比于无溶洞存在时，隧道上穿溶洞时，管片衬砌结构拱顶点的竖向位移有所减小，拱腰点的变化不大，而拱底点竖向位移的变化明显增加。

3) 溶洞距隧道越远，隧道拱顶和拱腰特征点位移的变化越大，即隧道掘进过程中引起的拱顶和拱腰管片衬砌结构位移的变化都与溶洞到隧道的距离呈现正相关关系；而隧道拱底特征点位移的变化则随着溶洞到隧道距离的增加而减小，即隧道掘进过程中引起的拱底管片衬砌结构位移的变化与溶洞到隧道的距离呈现负相关关系。

4) 溶洞直径越大，隧道拱顶和拱腰特征点位移的变化越小，即隧道掘进过程中引起的拱顶和拱腰管片衬砌结构位移的变化都与溶洞的大小呈现负相关关系，而隧道拱底特征点位移的变化则随着洞径的增加而增加，即隧道掘进过程中引起的拱底管片衬砌结构位移的变化与溶洞的大小呈现正相关关系。

5) 从计算结果来看，当溶洞到隧道的距离超过12 m时，溶洞对隧道开挖引起的管片衬砌位移变化的影响很小。

3.2.2 管片衬砌结构周边应力分析

当隧道下方存在不同大小和到隧道不同距离的溶洞时，隧道管片衬砌结构最大主应力分别如图10,11所示。

从图10，11中可以看出，隧道管片衬砌结构最大主应力的特点为：

1) 在所有工况中，拉应力的最大值出现在隧道管片衬砌结构拱顶处。若溶洞到隧道的距离不变，拉应力的最大值随着溶洞直径的增加而减小，呈现负相关关系。

图10 溶洞直径为4 m时的最大主应力云图Fig.10 Cloud diagram of the maximum principal stress when the diameter of the cave is 4 m

图11 溶洞直径为6 m时的最大主应力云图Fig.11 Cloud diagram of the maximum principal stress with six-metre diameter of cavern

2) 在所有工况中，压应力的最大值出现在隧道管片衬砌结构拱腰处。若溶洞到隧道的距离不变，压应力的最大值随着溶洞直径的增加而减小，呈现负相关关系。

4 结论

1) 隧道上穿溶洞时，管片衬砌结构水平位移的变化相对于竖向位移的变化要小得多。拱顶和拱腰处竖向位移的变化均与溶洞到隧道的距离呈现正相关关系，与溶洞的大小呈现负相关关系；而拱底处位移的变化规律则与之相反。开挖过程中，拱顶处存在着最大拉应力，拱腰处存在着最大压应力，与溶洞直径呈现负相关关系，与溶洞到隧道的距离也呈现负相关关系。

2) 隧道衬砌应力受溶洞到隧道的距离和溶洞大小的影响。当其达到某个临界值时，隧道掘进过程中将因岩层的扰动而导致坍塌或涌水突泥等安全事故的发生，故需要对隧道临近溶洞采取加固充填等措施，以保证岩层的稳定性，使隧道能平稳、安全地掘进。

3) 根据数值分析结果，当溶洞到隧道的距离超过12 m时，溶洞对隧道的影响很小，因此，合理处治隧道12 m范围内的溶洞，能有效保证隧道的安全施工和运营。

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