高鐵隧道與大型溶洞近接施工影響分區(qū)研究

甄映州

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隧道作為地下工程的一種主要形式，在其修建過程中不可避免的會遇到可溶巖地層，而巖溶不良地質(zhì)發(fā)育的無規(guī)律性和近接問題的復(fù)雜性使得巖溶隧道的設(shè)計施工和運(yùn)營安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。仇文革[1]最先對近接工程系統(tǒng)性進(jìn)行研究。周斌[2]基于近接施工基本原理，利用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度準(zhǔn)則對上下近接的隧道影響分區(qū)進(jìn)行研究。趙明階等[3]以朝東巖隧道為背景，運(yùn)用二維彈塑性分析研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。目前對巖溶隧道的研究停留在如何治理和施工方法的研究和圍巖應(yīng)力分析上，范圍比較大，針對性不強(qiáng)[4-5]。

本文研究了溶洞尺寸、位置、埋深、圍巖條件、地應(yīng)力場等因素對高鐵隧道近接溶洞施工的影響，以巖土體極限剪應(yīng)變作為圍巖的破壞標(biāo)準(zhǔn)[6]，結(jié)合強(qiáng)度折減法計算高鐵隧道與溶洞破壞演化過程和穩(wěn)定安全系數(shù)，形成相應(yīng)的影響分區(qū)，探究其中規(guī)律。

1 隧道溶洞近接影響分區(qū)研究

1.1 數(shù)值計算模型

高鐵隧道按照鐵路隧道雙線斷面選定，擬定溶洞為φ14.7m的圓洞(與隧道最大高度相同)。計算選用有限差分軟件FLAC3D，模型見圖1。

在邊界條件施加完成后進(jìn)行地應(yīng)力平衡，之后對溶洞部分進(jìn)行開挖計算至收斂，模擬天然溶洞的應(yīng)力場條件；之后開挖隧道并強(qiáng)度折減，通過觀察中夾巖剪應(yīng)變的變化判斷安全系數(shù)為1.0時是否滿足判據(jù)，不斷改變相對位置和間距以逼近臨界位置。隧道無支護(hù)措施，模型物理參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計算模型

1.2 影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

本文在強(qiáng)度折減法[7-10]中引入極限剪應(yīng)變作為巖土體由塑性進(jìn)入破壞的指標(biāo)，將極限塑性剪應(yīng)變與塑性區(qū)貫通相結(jié)合作為隧道失穩(wěn)判據(jù)。計算過程中通過判斷單元剪應(yīng)變是否大于極限塑性剪應(yīng)變，若大于則記錄失效指針和單元坐標(biāo)，否則便以二分迭代的方式不斷折減安全系數(shù)，依次循環(huán)直至逼近擬定的安全系數(shù)邊界。

表1 圍巖參數(shù)

改變?nèi)芏磁c隧道結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系，每種位置方向上通過改變隧道結(jié)構(gòu)與溶洞中心的間距進(jìn)行強(qiáng)度折減，直至求得在安全系數(shù)為1.0時，中夾巖達(dá)到極限剪應(yīng)變且塑性區(qū)恰好貫通的臨界狀態(tài)，記錄該位置坐標(biāo)。計算示意見圖2。

圖2 影響分區(qū)計算示意

本文認(rèn)為綜合安全系數(shù)小于1.0的范圍內(nèi)為有影響區(qū)，大于1.0的則為無影響區(qū)。將各個位置求得的安全系數(shù)為1.0時達(dá)到臨界狀態(tài)的點(diǎn)相連作為安全系數(shù)等值線，并以此作為影響分區(qū)的分界線。

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

從溶洞尺寸、圍巖級別、埋深和應(yīng)力場4個角度研究不同因素作用下高鐵隧道近接溶洞影響分區(qū)的變化規(guī)律，其中基準(zhǔn)工況為溶洞半徑R7.4m、埋深200m、Ⅳ級圍巖和無額外水平應(yīng)力場施加。

2.1 溶洞尺寸影響

改變?nèi)芏窗霃綖镽11.0m、R7.4m和R6.0m，下進(jìn)行強(qiáng)度折減。計算后繪制的影響分區(qū)結(jié)果見圖3。其中有色部分為有影響區(qū)，無色部分為無影響區(qū)。由結(jié)果可以看出，在相對位置為-60°工況下有影響范圍最大，在溶洞半徑為R7.4m時達(dá)到了距離溶洞中心39.6m，0°范圍最小，為14m。溶洞半徑為R11m時，-60°處的影響分區(qū)范圍最大，達(dá)到了45.6m；隧道在溶洞下側(cè)時的有影響區(qū)范圍大于上側(cè)，隨著溶洞尺寸的增大，溶洞上部影響分區(qū)范圍明顯增大，尤其體現(xiàn)在90°位置處，溶洞影響分區(qū)形狀也逐漸趨近于圓；在溶洞尺寸較小時，高鐵隧道相對于溶洞的位置在0°～90°和0°～-90°內(nèi)有影響區(qū)范圍先增大后減小。

圖3 溶洞尺寸對近接影響分區(qū)的影響規(guī)律

2.2 埋深影響

改變埋深100m、150m、200m3種工況，溶洞尺寸選擇半徑為7.4m，計算后繪制的影響分區(qū)見圖4。由結(jié)果可以看出，在埋深為100m時，影響分區(qū)在10m～30m范圍內(nèi)，最大值為-90°處最小值在90°處。埋深為200m時-60°情況下影響分區(qū)最大點(diǎn)距溶洞中心39.6m；隨著溶洞埋深的增加，±60°范圍內(nèi)有影響區(qū)范圍明顯增大，剩余位置處增加幅度較?。徊煌裆钕掠绊懛謪^(qū)形狀相似，其中高鐵隧道與溶洞相對位置在0°～90°范圍內(nèi)影響分區(qū)范圍先增大后減小，在溶洞下側(cè)影響分區(qū)明顯大于上側(cè)。

圖4 埋深條件對近接影響分區(qū)的影響規(guī)律

2.3 水平應(yīng)力影響

改變水平應(yīng)力為自重應(yīng)力比的0.5倍、1.0倍和2.0倍，其中溶洞半徑為R7.4m，埋深200m。計算后繪制的影響分區(qū)結(jié)果見圖5。從結(jié)果可以看出隧道在溶洞上部(0°～60°)修建水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力比為0.5時，0°～60°范圍內(nèi)最小值出現(xiàn)在0°附近，應(yīng)力比為1.0時出現(xiàn)在30°附近，應(yīng)力比為2.0時出現(xiàn)在60°附近，可見隨著應(yīng)力比的增大上部影響分區(qū)下限逐漸向溶洞斜上方發(fā)展；應(yīng)力比對影響分區(qū)的影響主要集中在溶洞上側(cè)，下部影響分區(qū)的范圍和形狀基本不變。

圖5 水平應(yīng)力對近接影響分區(qū)的影響規(guī)律

2.4 圍巖條件影響

由圍巖參數(shù)表1和影響分區(qū)圖6可以看出，隧道與溶洞相對位置為-60°時，影響分區(qū)范圍最大，Ⅲ～Ⅴ級圍巖情況下距離溶洞中心距離依次為39.3m、39.7m、54,7m；圍巖條件越好，近接影響分區(qū)范圍越小，形狀越趨近于“X”形，圍巖條件越差，影響分區(qū)越大，尤其體現(xiàn)在相對位置為90°附近，-90°位置隨著圍巖變差影響分區(qū)變化趨勢不明顯。

3 結(jié)論

本文在高鐵隧道近接溶洞模型上運(yùn)用極限剪應(yīng)變判據(jù)的強(qiáng)度折減法，求得了不同溶洞尺寸、埋深、水平應(yīng)力場、圍巖級別條件下的溶洞影響分區(qū)，結(jié)論：

(1)溶洞半徑R7.4m，埋深200m，四級圍巖條件下，高鐵隧道近接影響分區(qū)最大值出現(xiàn)在相對位置-60°附近，距離溶洞中心39.3m，最小值出現(xiàn)在90°附近。從不同因素的影響分區(qū)圖可以看出，影響分區(qū)范圍較小(在20m以內(nèi))時形狀趨近于“X”形，范圍較大時趨近于圓形。

圖6 圍巖級別對近接影響分區(qū)的影響規(guī)律

(2)高鐵隧道近接溶洞的影響分區(qū)最大值普遍出現(xiàn)在溶洞下方，兩者相對位置-60°附近，且溶洞下側(cè)影響分區(qū)范圍大于上側(cè)，該部分基本不隨溶洞尺寸、埋深、應(yīng)力比和圍巖條件的變化而改變。故隧道應(yīng)盡量保持與溶洞平行施工，避免在溶洞下方修建。

(3)水平應(yīng)力增大時，溶洞上部影響分區(qū)距離最小位置與溶洞相對位置關(guān)系從0°向60°方向轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力較大時，影響分區(qū)形狀變化相較于其他條件表現(xiàn)出更強(qiáng)的無規(guī)律性，可見構(gòu)造應(yīng)力場溶洞影響分區(qū)影響較大。