何 競(jìng)
(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001)
喀斯特是一種比較普遍的地質(zhì)現(xiàn)象,巖溶地質(zhì)對(duì)隧道工程的影響是不可避免的。該文以某底部含有溶洞的小凈距隧道為例,分析處于中夾巖柱下部的溶洞對(duì)隧道施工掘進(jìn)的影響[1-2]。具體包括局部塑性區(qū)發(fā)展、圍巖位移變化、開(kāi)挖巖體斷面應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律等,旨在為類(lèi)似工程建設(shè)指供一定層面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
因受穿越山體地質(zhì)、地形情況的限制,某公路隧道工程項(xiàng)目,采用分離式隧道、小凈距結(jié)構(gòu),其夾巖柱最小間距為15 m;圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),巖性為中風(fēng)化灰?guī)r,巖體較完整,巖體完整性系數(shù)0.6[3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和地質(zhì)預(yù)報(bào),在K167+475處,在距離隧道仰拱17 m的夾巖柱下,發(fā)現(xiàn)了一處高11.2~12.1 m、8~9.1 m寬、18.2~19.5 m縱深的干溶洞。隧道溶洞洞室段襯砌的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。
圖1 溶洞段部分隧道洞身的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位:m)
通過(guò)ABAQUS有限元力學(xué)分析軟件對(duì)隧道進(jìn)行了掘進(jìn)與支撐結(jié)構(gòu)的模擬,根據(jù)新奧法的原理,把二次襯砌視為較安全的巖體,而忽略其支護(hù)效果,僅作為安全儲(chǔ)備層結(jié)構(gòu),表1列出了計(jì)算中所采用的圍巖、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)。
表1 巖體和支撐結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)數(shù)值模擬參數(shù)表
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況,分離式隧道左、右兩孔均采用單側(cè)導(dǎo)坑法工藝進(jìn)行掘進(jìn),工藝順序見(jiàn)圖2。不考慮錨桿和臨時(shí)支撐方案,分析圍巖開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力的作用,得出了溶洞對(duì)圍巖安全的影響。
圖2 施工工序圖
隧道圍巖掘進(jìn)階段的應(yīng)力再分配是必然的,小凈距隧道施工工序多,圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化比較復(fù)雜,在一定范圍內(nèi)有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中,從而形成塑性區(qū)。同時(shí),由于溶洞的存在,會(huì)進(jìn)一步影響隧道開(kāi)挖時(shí)的圍巖應(yīng)力,從而導(dǎo)致塑性區(qū)之間的相互連通,從而形成危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況和參數(shù)設(shè)置,建立了相應(yīng)的有限元模型,得出了隧道圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律[4-5]:
(1)在先行洞第1步、第2步開(kāi)挖后,洞身巖土體塑性區(qū)、右側(cè)拱腰處塑性區(qū)呈增大趨勢(shì),但塑性區(qū)的發(fā)育變化不太明顯,有一定的擴(kuò)展。在先行洞第3步開(kāi)挖后,在隧道的左拱腰處出現(xiàn)一個(gè)塑性區(qū),該區(qū)域的寬度大約在3 m。
(2)在先行洞開(kāi)挖第4步后,左拱腰部位的塑性區(qū)向拱腳延伸,其寬度也增加到3.1 m,在施工過(guò)程中,應(yīng)注意隧道右側(cè)拱腳的保護(hù)。
(3)在后行洞第1、2步開(kāi)挖后,已產(chǎn)生的塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大,其他范圍的塑性區(qū)無(wú)顯著改變。
(4)在后行洞第3步開(kāi)挖后,溶洞洞室的左上塑性區(qū)顯現(xiàn),并與先行洞左側(cè)拱腳塑性區(qū)相連通,采取注漿、鎖腳錨固等措施進(jìn)行加固。
從上述結(jié)果可以看出,此隧道施工的先行洞對(duì)后行洞塑性區(qū)的發(fā)育沒(méi)有明顯的影響。但因溶洞的存在,造成先行洞開(kāi)挖第4步,后行洞開(kāi)挖第3步,形成連通的塑性區(qū),對(duì)施工安全構(gòu)成威脅。
選擇與隧道拱頂、仰拱同一高程的兩排特征點(diǎn),并與沒(méi)有溶洞條件下的豎向變形做比較[6]。取中夾巖柱上其特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)為0,其豎向位移的分布如圖3和圖4所示。
圖3 拱頂特征點(diǎn)位移圖
圖4 仰拱底部特征點(diǎn)位移圖
(1)由圖3可知:1)由于溶洞的存在,拱頂?shù)淖冃物@著增加,有溶洞時(shí),沉降為1.13 mm,無(wú)溶洞時(shí)其下沉量為1.02 mm;2)在有溶洞的情況下,中夾巖柱的沉降量為2.71 mm,不含無(wú)溶洞的情況下,沉降量為1.39 mm。結(jié)果表明,由于溶洞的出現(xiàn),使隧道拱頂?shù)南鲁亮棵黠@增加。
(2)由圖4可知:1)溶洞的存在使隧道仰拱隆起量增大,存在溶洞時(shí)隆起量0.07 mm,無(wú)溶洞時(shí)其隆起量0.03 mm;2)中夾巖柱上的特征點(diǎn)在有溶洞的情況下有?1.39 mm隆起量,不存在溶洞的情況下只有0.15 mm。這表明,由于溶洞的存在,中夾巖柱的基底周?chē)膰鷰r隆起量比無(wú)溶洞隧道洞身巖土開(kāi)挖要大得多。
(3)選擇兩處隧道拱腰部位的4個(gè)特征點(diǎn),分別對(duì)洞身周?chē)氖諗啃赃M(jìn)行了研究,圖5和6分別給出了洞周收斂和荷載作用下的分布。從圖5和6可以看出:1)溶洞的存在對(duì)左側(cè)洞身周?chē)鷰r體的收斂性有較大的影響,使左洞洞周的收斂性是負(fù)值;2)在右洞洞身開(kāi)挖時(shí),溶洞對(duì)左側(cè)洞周的收斂性影響比右側(cè)大;3) 溶洞對(duì)先行洞周洞收斂性的影響要大于后行洞洞周收斂程度。
圖5 右洞洞周收斂位移變化
圖6 左洞洞周收斂位移變化
經(jīng)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況、參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行了有限元模型構(gòu)建計(jì)算,得出隧道掘進(jìn)施工階段最大主應(yīng)力值,具體包括拱頂、仰拱處、中夾巖柱位置的拱肩、拱腳共4個(gè)部位的最大主應(yīng)力變化曲線(xiàn)[7-8](見(jiàn)圖7)。從圖7可以看出,在掘進(jìn)過(guò)程中,最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開(kāi)挖面周?chē)?/p>
圖7 隧道周邊特征點(diǎn)主應(yīng)力變化分布云圖
(1)在后行洞施工期間,洞周?chē)睦瓚?yīng)力與先洞的發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似,拱腰處圍巖最大主應(yīng)力也為壓應(yīng)力。
(2)在右洞開(kāi)挖施工期間,發(fā)現(xiàn)左側(cè)洞右側(cè)拱腳的最大主拉應(yīng)力為0.05 MPa。
由以上分析可知,由于隧道底部有溶洞,導(dǎo)致了溶洞附近的拱腳、遠(yuǎn)離溶洞拱肩處,兩處為最大應(yīng)力區(qū)[9-10]。
綜上所述,該分離式小凈距隧道,因其中夾巖柱底部有溶洞,對(duì)隧道掘進(jìn)的洞身圍巖受力產(chǎn)生了不利影響,對(duì)掘進(jìn)階段圍巖塑性區(qū)發(fā)展、圍巖塑性區(qū)聯(lián)通、圍巖應(yīng)力變化等問(wèn)題進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的對(duì)策:
(1)在后行洞施工中,其塑性區(qū)受隧道先導(dǎo)洞的影響不明顯。在靠近溶洞的隧道拱腳處,由于溶洞的作用,如形成相互聯(lián)通的塑性區(qū),施工階段要特別重視在拱腳處采用加固措施補(bǔ)強(qiáng)。
(2)隧道開(kāi)挖過(guò)程中,因溶洞的存在,會(huì)對(duì)拱頂和仰拱處的豎向位移產(chǎn)生很大的影響,溶洞先行洞收斂性大于后行洞洞周收斂。
(3)隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞周?chē)鷰r體的應(yīng)力影響較小,而溶洞附近隧道拱腳、拱肩處產(chǎn)生的主應(yīng)力區(qū)最大。
(4)對(duì)于分離式大跨小凈距、底部有溶洞的隧道,施工階段應(yīng)注意防止塑性區(qū)彼此貫通,以免發(fā)生危險(xiǎn)的滑動(dòng)。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱頂沉降量和仰拱隆起量的監(jiān)測(cè),避免圍巖發(fā)生較大的變形。