某底部含有溶洞的小净距隧道施工力学特性分析

何 竞

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

喀斯特是一种比较普遍的地质现象，岩溶地质对隧道工程的影响是不可避免的。该文以某底部含有溶洞的小净距隧道为例，分析处于中夹岩柱下部的溶洞对隧道施工掘进的影响[1-2]。具体包括局部塑性区发展、围岩位移变化、开挖岩体断面应力场的分布规律等，旨在为类似工程建设指供一定层面的经验总结。

1 工程概况

因受穿越山体地质、地形情况的限制，某公路隧道工程项目，采用分离式隧道、小净距结构，其夹岩柱最小间距为15 m；围岩级别为Ⅳ级，岩性为中风化灰岩，岩体较完整，岩体完整性系数0.6[3]。通过现场勘测和地质预报，在K167+475处，在距离隧道仰拱17 m的夹岩柱下，发现了一处高11.2~12.1 m、8~9.1 m宽、18.2~19.5 m纵深的干溶洞。隧道溶洞洞室段衬砌的设计见图1。

图1 溶洞段部分隧道洞身的衬砌结构设计图（单位：m）

2 围岩受力分析时计算参数的确定

通过ABAQUS有限元力学分析软件对隧道进行了掘进与支撑结构的模拟，根据新奥法的原理，把二次衬砌视为较安全的岩体，而忽略其支护效果，仅作为安全储备层结构，表1列出了计算中所采用的围岩、衬砌的物理力学参数。

表1 岩体和支撑结构的物理力学数值模拟参数表

3 有限元分析模型的构建

结合现场工况，分离式隧道左、右两孔均采用单侧导坑法工艺进行掘进，工艺顺序见图2。不考虑锚杆和临时支撑方案，分析围岩开挖过程对围岩的变形和应力的作用，得出了溶洞对围岩安全的影响。

图2 施工工序图

4 模拟分析的计算结果

4.1 围岩塑性区分析

隧道围岩掘进阶段的应力再分配是必然的，小净距隧道施工工序多，围岩及支护结构的受力变化比较复杂，在一定范围内有可能出现应力集中，从而形成塑性区。同时，由于溶洞的存在，会进一步影响隧道开挖时的围岩应力，从而导致塑性区之间的相互连通，从而形成危险的滑动面。通过模拟现场工况和参数设置，建立了相应的有限元模型，得出了隧道围岩塑性区的变化规律[4-5]：

（1）在先行洞第1步、第2步开挖后，洞身岩土体塑性区、右侧拱腰处塑性区呈增大趋势，但塑性区的发育变化不太明显，有一定的扩展。在先行洞第3步开挖后，在隧道的左拱腰处出现一个塑性区，该区域的宽度大约在3 m。

（2）在先行洞开挖第4步后，左拱腰部位的塑性区向拱脚延伸，其宽度也增加到3.1 m，在施工过程中，应注意隧道右侧拱脚的保护。

（3）在后行洞第1、2步开挖后，已产生的塑性区持续扩大，其他范围的塑性区无显著改变。

（4）在后行洞第3步开挖后，溶洞洞室的左上塑性区显现，并与先行洞左侧拱脚塑性区相连通，采取注浆、锁脚锚固等措施进行加固。

从上述结果可以看出，此隧道施工的先行洞对后行洞塑性区的发育没有明显的影响。但因溶洞的存在，造成先行洞开挖第4步，后行洞开挖第3步，形成连通的塑性区，对施工安全构成威胁。

4.2 围岩位移分析

选择与隧道拱顶、仰拱同一高程的两排特征点，并与没有溶洞条件下的竖向变形做比较[6]。取中夹岩柱上其特征点的横坐标为0，其竖向位移的分布如图3和图4所示。

图3 拱顶特征点位移图

图4 仰拱底部特征点位移图

（1）由图3可知：1）由于溶洞的存在，拱顶的变形显著增加，有溶洞时，沉降为1.13 mm，无溶洞时其下沉量为1.02 mm；2）在有溶洞的情况下，中夹岩柱的沉降量为2.71 mm，不含无溶洞的情况下，沉降量为1.39 mm。结果表明，由于溶洞的出现，使隧道拱顶的下沉量明显增加。

（2）由图4可知：1）溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大，存在溶洞时隆起量0.07 mm，无溶洞时其隆起量0.03 mm；2）中夹岩柱上的特征点在有溶洞的情况下有−1.39 mm隆起量，不存在溶洞的情况下只有0.15 mm。这表明，由于溶洞的存在，中夹岩柱的基底周围的围岩隆起量比无溶洞隧道洞身岩土开挖要大得多。

（3）选择两处隧道拱腰部位的4个特征点，分别对洞身周围的收敛性进行了研究，图5和6分别给出了洞周收敛和荷载作用下的分布。从图5和6可以看出：1）溶洞的存在对左侧洞身周围岩体的收敛性有较大的影响，使左洞洞周的收敛性是负值；2）在右洞洞身开挖时，溶洞对左侧洞周的收敛性影响比右侧大；3） 溶洞对先行洞周洞收敛性的影响要大于后行洞洞周收敛程度。

图5 右洞洞周收敛位移变化

图6 左洞洞周收敛位移变化

4.3 隧道掘进围岩应力变化

经模拟现场工况、参数设置，进行了有限元模型构建计算，得出隧道掘进施工阶段最大主应力值，具体包括拱顶、仰拱处、中夹岩柱位置的拱肩、拱脚共4个部位的最大主应力变化曲线[7-8]（见图7）。从图7可以看出，在掘进过程中，最大主应力出现在开挖面周围。

图7 隧道周边特征点主应力变化分布云图

（1）在后行洞施工期间，洞周围的拉应力与先洞的发展趋势类似，拱腰处围岩最大主应力也为压应力。

（2）在右洞开挖施工期间，发现左侧洞右侧拱脚的最大主拉应力为0.05 MPa。

由以上分析可知，由于隧道底部有溶洞，导致了溶洞附近的拱脚、远离溶洞拱肩处，两处为最大应力区[9-10]。

5 结论

综上所述，该分离式小净距隧道，因其中夹岩柱底部有溶洞，对隧道掘进的洞身围岩受力产生了不利影响，对掘进阶段围岩塑性区发展、围岩塑性区联通、围岩应力变化等问题进行了分析，并提出了相应的对策：

（1）在后行洞施工中，其塑性区受隧道先导洞的影响不明显。在靠近溶洞的隧道拱脚处，由于溶洞的作用，如形成相互联通的塑性区，施工阶段要特别重视在拱脚处采用加固措施补强。

（2）隧道开挖过程中，因溶洞的存在，会对拱顶和仰拱处的竖向位移产生很大的影响，溶洞先行洞收敛性大于后行洞洞周收敛。

（3）隧道开挖对溶洞周围岩体的应力影响较小，而溶洞附近隧道拱脚、拱肩处产生的主应力区最大。

（4）对于分离式大跨小净距、底部有溶洞的隧道，施工阶段应注意防止塑性区彼此贯通，以免发生危险的滑动。应加强对拱顶沉降量和仰拱隆起量的监测，避免围岩发生较大的变形。