黃土暗穴對近距隧道施工的影響研究

史 思 強(qiáng)

(河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 洛陽 471500)

黃土暗穴對近距隧道施工的影響研究

史 思 強(qiáng)

(河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 洛陽 471500)

為研究黃土暗穴對隧道施工的影響，采用數(shù)值模擬方法分析了不同尺寸暗穴對隧道施工過程中的地層位移及圍巖和支護(hù)受力情況。結(jié)果表明：暗穴位于左邊墻對隧道圍巖水平位移影響明顯，暗穴尺寸越大，圍巖水平位移值也越大，同一暗穴尺寸，中部斷面位移值比端部斷面大；暗穴導(dǎo)致隧道周邊圍巖水平應(yīng)力變化明顯，靠近暗穴一側(cè)的左邊墻水平應(yīng)力尤為明顯，右邊墻次之，形成一定偏壓效應(yīng)，拱頂和仰拱轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；暗穴存在使得隧道支護(hù)受力不均，暗穴處應(yīng)著重加強(qiáng)左右拱腳處支護(hù)強(qiáng)度；無論大尺寸暗穴還是小尺寸暗穴斷面，二襯整體受力相對較小，滿足作為安全儲備的要求。

黃土暗穴；隧道；位移；圍巖壓力；數(shù)值分析

我國西部地區(qū)黃土地貌分布廣泛，據(jù)調(diào)查，黃土地層常常分布有大小規(guī)模不等的黃土暗穴[1]，黃土暗穴的存在常常對近距范圍內(nèi)的建筑物產(chǎn)生不利影響[2-3]，隨著高速公路網(wǎng)不斷完善，需要在黃土地區(qū)修建大量公路隧道，黃土暗穴的存在也不可避免的會對隧道隧道施工中圍巖變形與受力造成不利影響。關(guān)于黃土地區(qū)公路隧道圍巖變形與受力方面已多有研究[4-6]，張新善等[7]采用數(shù)值模擬方法，研究了中前期支護(hù)條件、后期加固措施等地鐵開挖引起的結(jié)構(gòu)周圍土體變形規(guī)律；喬春生等[8]采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法對浸水飽和狀態(tài)條件的黃土隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了探討；王明年等[9]研究了高速鐵路大斷面黃土隧道深、淺埋分界深度，給出了合理性建議值；陳建勛等[10]通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對雙車道公路黃土隧道圍巖和支護(hù)的變形規(guī)律進(jìn)行了研究；路軍富等[11]對高速鐵路大斷面黃土隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究；趙勇[12]結(jié)合鄭西客運(yùn)專線大斷面黃土隧道圍巖大變形實(shí)際情況，闡述了隧道施工影響下圍巖變形動態(tài)規(guī)律，提出圍巖變形控制的技術(shù)要點(diǎn)；趙東平等[13]對大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量進(jìn)行了研究；扈世民等[14]對臺階法施工中大斷面黃土隧道圍巖深部變形特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析；賴金星等[15]采用精密水準(zhǔn)儀和收斂計(jì)對隧道地表下沉、拱頂下沉和水平收斂進(jìn)行了系統(tǒng)現(xiàn)場測試，分析軟弱黃土隧道的變形規(guī)律?？梢钥闯鲭m然黃土隧道圍巖變形與受力研究較多，但關(guān)于黃土暗穴對隧道影響的研究比較少，黃土暗穴類似于巖溶地區(qū)的溶洞，關(guān)于溶洞對隧道的影響也多有研究 ，但黃土與巖溶圍巖的工程性質(zhì)不同，無法照搬巖溶隧道的研究成果，因此開展黃土暗穴對隧道變形與受力影響的研究具有重要意義。

鑒于以上認(rèn)識，本文依托某黃土公路隧道，采用數(shù)值模擬手段，考慮隧道附近存在黃土暗穴建立分析模型，主要研究隧道開挖中暗穴尺寸及不同暗穴位置斷面的地層位移及支護(hù)受力情況，綜合評價(jià)黃土暗穴對隧道施工安全的影響。研究結(jié)果可為黃土地區(qū)公路隧道建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某黃土公路隧道全長2 698 m，位于黃龍縣境內(nèi)，隧道穿越大嶺梁，里程樁號為K67+442—K70+140，為單洞雙向行車隧道，隧址區(qū)屬于黃土塬地貌，隧道埋深多處于地層的30 m～50 m之間，隧道區(qū)間段穿越黃土地層，進(jìn)出口為黃土塬沖刷斜坡地貌，圍巖主要為第四系黃土，根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有一定濕陷性。踏勘資料表明隧道圍巖級別多為V級，設(shè)計(jì)推薦施工方法為采用臺階法施工，分上下臺階分別實(shí)施，初支采用錨噴支護(hù)，襯砌為復(fù)合式襯砌，根據(jù)地勘資料，隧址區(qū)地質(zhì)概況如圖1所示，隧道所處老黃土地層可能發(fā)育有大小不等的黃土暗穴。

圖1隧道地質(zhì)概況

1.2 黃土暗穴分布

目前學(xué)者已對黃土地區(qū)暗穴分布情況進(jìn)行深入研究，暗穴一般分為自然黃土暗穴和生物黃土暗穴，根據(jù)洞徑可分為微型暗穴(洞徑小于10 cm)、小型暗穴(洞徑在10 cm～50 cm之間)、中型暗穴(洞徑在50 cm～150 cm之間)、大型暗穴(洞徑在150 cm～400 cm之間)和巨型暗穴(洞徑超過400 cm)。小型暗穴在地表3 m內(nèi)發(fā)育較多，多為生物原因形成，地面以下3 m～20 m多大于中型暗穴，一般由于侵蝕等自然原因形成，地面20 m以下偶爾發(fā)育有大型暗穴或巨型暗穴，多由地質(zhì)構(gòu)造原因形成，對于黃土隧道而言，一般中型暗穴和巨型暗穴影響較大，巨型暗穴一般會通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段探測到，從而采取預(yù)處理等措施，而由于中型暗穴由于分布廣，不易探測等原因，對隧道施工威脅較大，結(jié)合依托隧道處的地質(zhì)情況，本文主要以中型暗穴對隧道影響為例開展研究。

2 數(shù)值模擬工況

2.1 數(shù)值模型建立

為系統(tǒng)研究黃土暗穴對隧道施工過程變形與受力的影響，采用FLAC3D建立模型開展研究，實(shí)際上黃土暗穴分布不規(guī)律，可能位移隧道洞身的任何部位，且中型洞穴對隧道影響較大，因此選擇位于隧道洞身左側(cè)的中型洞穴為例建立模型，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，隧道最大開挖跨度取為13 m，最大開挖高度為11 m，隧道的埋深取為35 m，考慮圣維南原理及邊界效應(yīng)影響，隧道數(shù)值分析模型范圍為隧道底板以下取2倍隧道高度約為22 m，隧道左右兩側(cè)分別取為4倍隧道跨徑約為52 m，隧道上方取至自由地表面，隧道軸線方向的長度取為30 m。本文主要考慮暗穴尺寸對結(jié)果的影響，暫不考慮暗穴與隧道的相對距離的影響，因此暗穴與隧道距離取為5 m，最終建立模型見圖2所示，模型約束條件為兩側(cè)施加水平約束豎向自由移動，模型底面施加豎向約束，模型上表面為自由邊界。

圖2數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型參數(shù)選取

隧道圍巖主要以老黃土為主，因此為考慮其彈塑性特點(diǎn)，計(jì)算本構(gòu)模型選用摩爾庫侖(Mohr-Coulomb)模型，計(jì)算過程中隧道開挖模擬通過設(shè)置Null單元來實(shí)現(xiàn)，隧道復(fù)合式襯砌中的初支(噴射混凝土)和二襯(模筑混凝土)均采用實(shí)體單元模擬，為計(jì)算結(jié)果收斂兩者本構(gòu)模型則選用較為簡化的彈性模型，隧址區(qū)初始地應(yīng)力場僅考慮自重應(yīng)力，模型建立過程考慮預(yù)加固措施(如超前小導(dǎo)管注漿等)對圍巖力學(xué)參數(shù)的增強(qiáng)，還考慮施做錨桿的影響，模型計(jì)算所用材料參數(shù)均采用試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測圍巖參數(shù)，見表1，另外需要注意的是，在FLAC3D中巖體變形參數(shù)一般采用體積模量K和剪切模量G，計(jì)算前首先將彈性模量E和泊松比μ換算為可用的體積模量K和剪切模量G。

2.3 模擬工況

本次試驗(yàn)主要開展不同尺寸的黃土中型暗穴對隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形的影響研究，不考慮暗穴與隧道的相對距離，因此假定暗穴位于隧道的左側(cè)，暗穴尺寸分別取為長×寬×高等于10 m×4 m×4 m和10 m×8 m×8 m，分別監(jiān)測暗穴端部斷面和中部斷面處隧道圍巖的水平位移與受力情況，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況來評價(jià)黃土暗穴對隧道的影響，以此分析暗穴尺寸不同及對隧道受力和變形的影響。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

為研究暗穴影響處隧道圍巖變形情況，開展了不同尺寸暗穴對隧道影響模擬，選擇暗穴端部斷面和暗穴中部斷面進(jìn)行分析，且暗穴位于隧道左側(cè)，對隧道的影響主要以水平位移為主，故選擇水平位移展開分析。

圖3給出了小尺寸暗穴時(shí)隧道圍巖水平位移云圖，分析圖3(a)可知，由于暗穴臨空面存在，隧道左側(cè)拱腰部分會向暗穴方向移動，最大位移越為2.2 mm，同時(shí)右側(cè)邊墻部分也發(fā)生向左的位移，最大為2.24 mm，隧道可能會發(fā)生整體向暗穴方向移動。

圖3(b)給出了小尺寸暗穴中部斷面的圍巖水平位移情況，相比與暗穴端部斷面，其水平位移更大，左邊墻部分最大水平位移達(dá)到2.72 mm，右邊墻部分也達(dá)到2.55 mm。

圖4給出了大尺寸暗穴時(shí)隧道圍巖水平位移云圖，由圖4(a)可知，隧道左側(cè)拱腰也會向暗穴方向移動，最大位移越為2.84 mm，同時(shí)右側(cè)邊墻部分也發(fā)生向左的位移，最大為2.51 mm，隧道整體向暗穴方向位移更加明顯，圖4(b)給出了大尺寸暗穴中部斷面的圍巖水平位移情況，相比與暗穴端部斷面，其水平位移更大，左邊墻部分最大水平位移達(dá)到4.04 mm，右邊墻部分也達(dá)到3.0 mm，說明暗穴中間斷面對隧道圍巖位移影響更大。暗穴尺寸越大、距離暗穴中間斷面越近隧道水平位移越明顯，由于暗穴存在，隧道施工中可能發(fā)生邊墻位移過大而失穩(wěn)，應(yīng)特別注意圍巖邊墻的變形值監(jiān)測。

圖3 小尺寸暗穴對隧道圍巖變形影響

圖4大尺寸暗穴對隧道圍巖變形影響

3.2 圍巖應(yīng)力分析

暗穴與隧道在水平向相互影響明顯，因此主要分析水平應(yīng)力變化。

圖5為小尺寸暗穴對隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響，圖5(a)可以看出，兩側(cè)邊墻壓應(yīng)力比較明顯，尤其是暗穴與隧道中間的圍巖，最大壓應(yīng)力達(dá)到1 593 kPa，說明由于暗穴存在，導(dǎo)致隧道整體偏壓現(xiàn)象，左邊墻處應(yīng)力集中明顯，施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)，另外還可以看出，仰拱和拱頂處由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，施工中還應(yīng)注意拱頂圍巖的穩(wěn)定性；圖5(b)為暗穴中部斷面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，相比與暗穴端部斷面，左右邊墻應(yīng)力變化更加明顯，左邊墻處最大達(dá)到1 619 kPa，暗穴中部斷面對隧道圍巖影響更大。

圖5小尺寸暗穴對隧道圍巖受力影響

圖6為大尺寸暗穴對隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響，圖6(a)可以看出，右側(cè)邊墻受力明顯，最大壓應(yīng)力達(dá)到1 638 kPa，左邊墻應(yīng)力相對右邊墻較?。粓D6(b)為大尺寸暗穴中部斷面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，相比與暗穴端部斷面，左右邊墻應(yīng)力更大，左邊墻處最大達(dá)到1 734 kPa，暗穴中部斷面對隧道圍巖影響更大，施工越接近暗穴越應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)，確保圍巖穩(wěn)定性，且仰拱和拱頂?shù)睦瓚?yīng)力效應(yīng)更加明顯，此時(shí)不利于圍巖自承能力的發(fā)揮，暗穴的存在增加了作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力，且暗穴尺寸越大，越靠近暗穴中心對隧道圍巖受力影響越明顯。

3.3 支護(hù)壓力分析

表2分別給出大尺寸暗穴和小尺寸暗穴中部斷面處的初支和二襯受力情況。分析表2可看出，小尺寸暗穴斷面初支整體受力小于大尺寸暗穴，左拱肩、左邊墻和左拱腳受力較大，最大壓力出現(xiàn)在左邊墻處為1 834.27 kPa，左拱腳和右拱腳分別次之，拱頂和仰拱受力較小，分別為357.25 kPa和255.46 kPa，說明由于左側(cè)暗穴的存在使得隧道整體受力分布不均，左右邊墻受壓明顯，而仰拱和拱頂受力相對較?。淮蟪叽绨笛〝嗝娉踔дw受力比端部斷面要大，整體規(guī)律與端部斷面一致，左邊墻處壓應(yīng)力最大達(dá)到2 137.24 kPa，左右拱腳受力次之，在暗穴處應(yīng)著重加強(qiáng)鄰近暗穴處和左右拱腳處支護(hù)強(qiáng)度，暗穴存在使得隧道支護(hù)受力不均，一般接近暗穴一側(cè)受力明顯偏大，暗穴尺寸越大對支護(hù)受力影響越明顯。無論大尺寸暗穴還是小尺寸暗穴斷面，與初支相比二襯整體受力相對較小，且整體受力相對均勻，滿足二襯主要作為安全儲備的要求。

圖6 大尺寸暗穴對隧道圍巖受力影響

4 結(jié) 論

(1) 黃土暗穴存在對隧道圍巖水平位移影響明顯，暗穴尺寸越大，圍巖水平位移值也越大，同一暗穴尺寸時(shí)，中部斷面位移值比端部斷面位移值大，施工接近暗穴時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)兩側(cè)邊墻收斂量測，確保施工安全。

(2) 黃土暗穴導(dǎo)致隧道周邊圍巖水平應(yīng)力變化明顯，靠近暗穴一側(cè)的左邊墻水平應(yīng)力尤為明顯，右邊墻次之，形成一定偏壓效應(yīng)，拱頂和仰拱轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，導(dǎo)致圍巖自承能力減弱，圍巖壓力增加。

(3) 支護(hù)壓力結(jié)果表明，暗穴存在使得隧道支護(hù)受力不均，黃土暗穴存在增加了靠近暗穴一側(cè)初期支護(hù)的壓力，左右拱腳受力明顯，在暗穴處應(yīng)著重加強(qiáng)左右拱腳處支護(hù)強(qiáng)度，暗穴尺寸越大、越靠近暗穴中心，初支受力影響越明顯。無論大尺寸暗穴還是小尺寸暗穴斷面，二襯整體受力相對較小，且整體受力相對均勻，滿足二襯主要作為安全儲備的要求。

(4) 本文僅僅假定暗穴與隧道相對距離一定，開展了不同尺寸暗穴對隧道的影響，下一步可開展暗穴與隧道距離變化時(shí)對隧道的影響，確定某一暗穴尺寸時(shí)對隧道不產(chǎn)生影響的安全距離。

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InfluenceofHiddenHolestoAdjacentTunnelinLoess

SHI Siqiang

(He'nanProvinceYaoluanxiExpresswayConstructionCo.,Ltd.,Luoyang,He'nan471500,China)

In order to analyze the influence of hidden holes to tunnel construction, numerical method was adopted to investigate different size of hidden holes induced surrounding rock displacement and stress. The results show that the hidden holes in lift-side have obviously influence to horizontal displacement of surrounding rock, the bigger the hidden holes, the more obvious the horizontal displacement, the horizontal displacement in the middle section is bigger than the side section at the same size; the horizontal stress induced by the hidden holes changed obviously, the left-side adjacent hidden hole is more obvious, the right side is taking the second place, which lead to bias effect, the stress in vault and invert change to tensile stress, hidden holes makes the tunnel provide uneven support force, where hidden holes should focus on strengthening around the foot of arch support strength; whether large size or small size cavity, the secondary supporting force is relatively small, which can meet requirements as safety reserve.

loesshiddenholes;tunnel;displacement;surroundingrockstress;numericalanalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.030

2017-05-10

2017-06-13

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2011318797600)

史思強(qiáng)(1965—)，男，河南民權(quán)人，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。E-mail: 1273764629@qq.com

U455

A

1672—1144(2017)05—0167—04