溶洞空腔回填量對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響分析

嚴(yán)健雄

[摘? 要]：隨著高速鐵路建設(shè)向著巖溶發(fā)育地區(qū)發(fā)展，高速鐵路隧道修建遇到了越來(lái)越多的溶洞，溶洞空腔會(huì)給隧道施工帶來(lái)許多不可預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)。文章針對(duì)溶洞回填量對(duì)隧道穩(wěn)定性造成的影響進(jìn)行分析，利用有限元軟件FLAC3D對(duì)不同回填情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析隧道變形，發(fā)現(xiàn)超量回填反而會(huì)對(duì)隧道施工造成不良影響，回填距離隧道1倍洞徑范圍內(nèi)的溶洞空腔就能將溶洞對(duì)隧道的影響降到最低。

[關(guān)鍵詞]：溶洞; 回填量; 數(shù)值模擬; 隧道變形

U455.49A

我國(guó)的西南部屬于多山區(qū)域，山嶺中的地形地貌復(fù)雜多變，在修建隧道工程時(shí)，常常會(huì)遇到溶洞的阻礙。有時(shí)會(huì)限于地形特殊而無(wú)法避開溶洞，只能盡量遠(yuǎn)離溶洞區(qū)域[1]。以往研究發(fā)現(xiàn)溶洞會(huì)增大隧道靠近溶洞側(cè)的位移和正彎矩，采用臺(tái)階法進(jìn)行洞內(nèi)施工較為安全可靠[2]。溶洞與隧道的影響間距范圍為0～1倍洞徑，對(duì)溶洞進(jìn)行回填可以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并減小圍巖變形以及圍巖塑性區(qū)[3]。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上，分析了回填量對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，旨在得出可靠且經(jīng)濟(jì)的回填方案，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

國(guó)內(nèi)西南片區(qū)擬建一條高速鐵路隧道，擬建隧道穿越巖溶地層，地處山嶺區(qū)域，地勢(shì)陡峭，巖層分布錯(cuò)綜復(fù)雜，地震斷裂帶分布廣。擬建隧道沿線出現(xiàn)了大型溶洞，洞內(nèi)有一巨大的空腔，溶洞大廳高度在20～60 m，沿線路縱向長(zhǎng)度56 m，橫向最大寬度105 m，溶洞底部是成分復(fù)雜的堆積體，溶洞段隧道距離地面約60 m，溶洞和隧道最近距離為8.53 m。

2 模型及參數(shù)

選取隧道與溶洞距離最近的橫斷面進(jìn)行建模。模型的長(zhǎng)寬高尺寸為56 m×200 m×180 m，隧道最大高度11.38 m，最大寬度13.62 m，初支厚0.15 m，二襯厚0.4 m，隧道拱頂距離地面60 m。

利用洞碴分級(jí)回填溶洞空腔，第一層回填高度為20 m，第二～五層回填時(shí)按每層10 m的高差進(jìn)行回填。經(jīng)過(guò)初步研究討論后，決定先回填隧道正下方的第一層和第二層，以確保施工過(guò)程中隧道底部不會(huì)出現(xiàn)塌陷。其中，圍巖和隧道二襯均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，隧道的初支采用殼單元進(jìn)行模擬，錨桿采用錨索單元進(jìn)行模擬。模型的橫斷面如圖 1所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探提供的地質(zhì)資料可以得到圍巖以及堆積體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

該隧道模型的支護(hù)包括初支（C30）、二襯（C35）和錨桿，它們的參數(shù)如表2所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 終態(tài)分析

選取數(shù)值模擬結(jié)束后模型的最終狀態(tài)進(jìn)行分析，利用布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位提取隧道的豎向位移和水平位移結(jié)果。圖 2為模擬結(jié)束后不同回填條件下隧道洞周的豎向位移情況，最大隆起出現(xiàn)在仰拱底，最大沉降出現(xiàn)在拱頂和右拱肩。對(duì)比柱狀圖中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移量可以發(fā)現(xiàn)，在隧道拱頂處，回填至第三層時(shí)測(cè)點(diǎn)的豎向位移比回填至第二層時(shí)減小了約27.3%，并且在其它各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)其它3種情況也更小。圖 3為模擬結(jié)束后不同回填條件下隧道洞周的水平位移情況，最大水平位移出現(xiàn)在左墻腳處，從柱狀圖中可以看出，溶洞回填至第三層時(shí)，隧道左墻腳處的水平位移比回填至第二層減小了約16.4%，繼續(xù)回填之后水平位移反而增大。

從模型最終狀態(tài)豎向位移和水平位移的分析中可以看出，回填至第三層時(shí)的隧道變形要優(yōu)于另外3種回填情況。

3.2 過(guò)程分析

針對(duì)回填2層、回填3層、回填4層以及完全回填這4種情況，分析仰拱底豎向位移和左墻腳水平位移隨施工步的變化情況。

4種回填情況下，隧道位移的變化趨勢(shì)基本一致。從圖 4和圖 5中都可以看出，對(duì)比4種回填情況，回填至第三層在所有結(jié)果中表現(xiàn)最佳，這是由于第三層回填層是距離隧道最近的回填層，其與隧道右墻腳的最小距離為8.53 m，小于1倍洞徑，所以能對(duì)隧道的變形產(chǎn)生較大的影響。其他2層回填層與隧道的距離超出了1倍洞徑的范圍，繼續(xù)回填反而對(duì)隧道造成了負(fù)面影響，仰拱底的隆起量和左墻腳的水平位移量均有所增加。

綜上所述，回填至第三層時(shí)隧道具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

結(jié)合終態(tài)分析和過(guò)程分析2種方式，分別對(duì)4種回填情況的豎向位移、水平位移以及圍巖壓力進(jìn)行了研究，并通過(guò)分析得出了最優(yōu)的回填方案。

在距離隧道較近處出現(xiàn)大型溶洞時(shí)，溶洞回填量越大并不代表會(huì)帶來(lái)越好的結(jié)果，超量回填反而會(huì)對(duì)隧道造成負(fù)面影響，會(huì)導(dǎo)致隧道的變形增加。所以當(dāng)出現(xiàn)類似距離隧道較近的大型溶洞時(shí)，若采用回填方案治理溶洞，則回填量應(yīng)該依具體情況而定，超出隧道1倍洞徑以外的區(qū)域可不進(jìn)行回填，這樣既能保證隧道的安全性和穩(wěn)定性，也能達(dá)到節(jié)省施工成本的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉建國(guó). 貴廣鐵路坪山隧道巖溶發(fā)育情況分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2015， 32（4）： 86-90.

[2] 裴樹林. 深埋大斷面隧道穿越大型隱伏溶洞施工工法比選[J]. 鐵道建筑， 2017， 57（9）： 74-77.

[3] 李元海，楊蘇，喻軍，等. 大型溶洞對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2016， 53（4）： 52-60.