方勇，汪輝武，周超月，劉書斌

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

隧道掌子面前方小型有壓溶腔對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響分析*

方勇?，汪輝武，周超月，劉書斌

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

以重慶雙碑隧道工程為研究對(duì)象，采用FLAC3D模擬施工中掌子面正前方存在小型帶壓溶腔的情況，根據(jù)計(jì)算所得安全臨界距離，采用自主發(fā)明的一套模擬溶腔內(nèi)壓的試驗(yàn)裝置，開展了幾何相似比為1∶25的室內(nèi)模型開挖試驗(yàn)，研究隧道開挖至安全臨界距離時(shí)，溶腔內(nèi)壓增加至掌子面崩壞過(guò)程中，此階段掌子面周邊圍巖壓力、掌子面位移以及初期支護(hù)內(nèi)力的變化規(guī)律.結(jié)果表明：隨著掌子面前方溶腔內(nèi)壓的增加，掌子面位移先呈近似正比例增加，隨后掌子面位移增大速率逐漸增加，最后產(chǎn)生突變破壞；圍巖壓力隨溶腔內(nèi)壓增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其中拱頂處圍巖壓力影響較大，拱肩與仰拱處次之，其他位置圍巖壓力影響不大；鋼拱架彎矩分布規(guī)律在不同溶腔內(nèi)壓作用下基本相同，在溶腔內(nèi)壓增大過(guò)程中，初期支護(hù)拱頂以及仰拱處彎矩呈增大趨勢(shì)，其影響主要集中在拱頂附近及拱底處，其它位置處彎矩影響不大；隨溶腔內(nèi)壓增大鋼拱架軸力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，軸力變化較大位置主要出現(xiàn)在拱頂處，左右拱腰處次之，仰拱以及拱肩處變化幅度較??；受溶腔內(nèi)壓大小的影響，掌子面處位移、初支內(nèi)力以及偏心距變化速率均越來(lái)越快.

小型帶壓巖溶；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬；初期支護(hù)；掌子面穩(wěn)定性

Abstract：Based on the project of Shuangbei highway tunnel,the finite element analysis software was wsed to simulate the situation that there was the small-scale salt cavern during the construction period, and according to the critical distance calculated, a self-created device for simulating the salt cavern was taken, and then a model test with a geometric similarity ratio of 1∶25 was carried out to research the transformation law about the rock pressure,displacement of tunnel face,inner force of primary support when the tunnel was excavated to the position of critical distance and the inner pressure of the salt cavern increased until the tunnel face was broken.The results showed that,with the increases of inner pressure of the salt cavern, the tunnel face increased as almost direct proportion firstly, and then the ratio of increase became higher and higher and finally the tunnel face was broken; when the inner pressure of the salt cavern increased until the tunnel face was broken, the rock pressure showed a trend of increase in which the rock pressure of vault was the most effected location, followed by the spandrel and inflected arch, while the impact of other places was small.The bending moment distribution of steel arch is almost the same as the inner force of salt cavern increased.And as the inner force of salt cavern increased, the bending moment of vault and inverted arch showed a trend of increase in which the most effected location was focused on the vault and inverted arch while other location was less effected; what’s more, with the increases of the inner force of salt cavern, the axial force of steel arch all showed a trend of increase, and the most effected location was the vault, followed by the right and left haunch while the impact of inverted arch and spandrel were little; effected by the inner force of salt cavern change, the rock pressure,displacement of tunnel face,inner force of primary support all showed the ratio of change became faster and faster.

Keywords：small-scale salt cavern; model scale experiments; finite element analysis; excavation stability

隨著中國(guó)鐵路網(wǎng)不斷發(fā)展完善，在西南山區(qū)諸多長(zhǎng)大復(fù)雜巖溶隧道正在修建或即將修建[1]，在隧道施工中很容易遇到掌子面前方存在小型帶壓溶腔的情況.由于巖溶的復(fù)雜性、發(fā)育的不規(guī)律性，隧道在此類地層中修建具有較高的風(fēng)險(xiǎn)[2].雖然目前對(duì)于掌子面前方小型溶洞的提前預(yù)報(bào)已經(jīng)具有較先進(jìn)的探測(cè)儀器[3-4]，但是隧道施工中對(duì)于隧道前方溶洞的處理措施卻主要依賴于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，增大了工程投資和施工難度[5-6].因此研究掌子面前方小型溶洞對(duì)于隧道的穩(wěn)定性影響很有必要.

現(xiàn)階段，處在隧道四周的帶壓溶腔對(duì)于隧道穩(wěn)定性的影響前人已經(jīng)做了很多研究[7-10].但是相對(duì)位置處在掌子面正前方的小型帶壓溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響研究較少，且研究?jī)?nèi)容主要集中在理論研究隧道與溶腔的安全距離或是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)[11-12].另外，施工中一般采用在安全距離內(nèi)采用排水降壓方式對(duì)掌子面前方帶壓溶腔進(jìn)行處理，此過(guò)程中溶腔壓力的變化對(duì)圍巖壓力以及初期支護(hù)內(nèi)力變化規(guī)律研究甚少.

本文以重慶雙碑公路隧道工程為對(duì)象，采用FLAC3D數(shù)值模擬施工中掌子面正前方遇到小型帶壓溶腔的情況，計(jì)算出安全臨界距離.然后參照計(jì)算結(jié)果，采用自主發(fā)明的一套模擬溶腔內(nèi)壓的試驗(yàn)裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究隧道開挖至理論安全距離時(shí)，溶腔內(nèi)壓增加至掌子面崩壞過(guò)程中掌子面周邊圍巖壓力、掌子面位移、掌子面破壞形態(tài)以及初期支護(hù)內(nèi)力的變化規(guī)律.

1 工程概況

重慶市雙碑隧道為雙向6車道，隧道路線中線間距為20 m，全長(zhǎng)4 373 m.隧道Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖開挖寬度大約為16 m(不同級(jí)別的圍巖稍有差別).線路巖層以泥質(zhì)巖和砂巖為主，區(qū)域地下水分布廣泛，地表、地下水聯(lián)系復(fù)雜.巖溶發(fā)育且分布規(guī)模不均，可溶巖地段長(zhǎng)2 127.3 m，約占隧道總長(zhǎng)的50%，施工中掌子面正前方所遇溶洞長(zhǎng)寬高一般不超過(guò)2.5 m.巖溶段隧道洞頂水柱高150～200 m，對(duì)洞頂圍巖產(chǎn)生較大的靜水壓力.隧道施工期間高壓涌水、突泥風(fēng)險(xiǎn)性較高.地下水受大氣降雨和地面池塘水體滲漏補(bǔ)給，隧道址區(qū)沿線大氣降水充沛，地下水補(bǔ)給條件良好.地下水采用“排導(dǎo)”方案，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未采用抗高水壓的防水型襯砌.隧道主體襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示.

圖1 雙碑隧道斷面圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立與分析

數(shù)值計(jì)算模型由Ansys有限元軟件劃分好網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行下一步計(jì)算.模型中圍巖采用實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)采用Shell結(jié)構(gòu)單元模擬，隧道開挖模擬通過(guò)Null模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，有壓溶腔通過(guò)在溶腔內(nèi)表面施加徑向內(nèi)壓力模擬.考慮實(shí)際工程需要，取溶腔直徑為2.5 m，內(nèi)壓20 kPa.計(jì)算模型寬130 m、高120 m、縱向長(zhǎng)度40 m.所建立有限元三維模型如圖2所示.隧道采用超短臺(tái)階法開挖，每一步開挖步長(zhǎng)2.5 m，上臺(tái)階超前下臺(tái)階5 m，總共模擬20 m隧道的施工全過(guò)程.

圖2 有限元三維模型圖

為量化研究溶洞與隧道掌子面的距離對(duì)隧道掌子面位移和塑性區(qū)的影響，進(jìn)而得到安全臨界距離.分析系統(tǒng)采用無(wú)量化尺度，即設(shè)定有壓溶腔直徑為d(2.5 m)，掌子面前方有壓溶腔距監(jiān)測(cè)斷面距離為L(zhǎng)，取間徑比K=L/d，計(jì)算時(shí)取K=0.6,0.8,1.0,1.2,1.5和1.8，在隧道開挖方向Y=L處布置監(jiān)測(cè)斷面.監(jiān)測(cè)斷面示意圖如圖3所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示.

圖3 監(jiān)測(cè)斷面示意圖

圖4 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

依托工程段圍巖屬于Ⅳ級(jí)圍選取巖，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)選取圍巖材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.錨噴初期支護(hù)和圍巖加固措施在數(shù)值模擬中通過(guò)適當(dāng)提高圍巖加固區(qū)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 掌子面位移

隧道開挖至監(jiān)測(cè)斷面(開挖方向Y=L處)穩(wěn)定后掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨間徑比變化情況如圖5所示.

圖5 掌子面位移隨間徑比變化圖

由圖5可知，掌子面位移隨間徑比的增大而減小.當(dāng)間徑比K<0.8時(shí)，掌子面位移隨間徑比減小而迅速增大，當(dāng)K=0.6時(shí)隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)a位移已接近20 cm，隧道掌子面已基本失穩(wěn)，而隨間徑比的增大各監(jiān)測(cè)點(diǎn)掌子面位移逐漸減小，當(dāng)K>1.0時(shí)(掌子面與溶腔距離大于2.5 m)掌子面位移趨于穩(wěn)定.當(dāng)前工況下，隧道對(duì)掌子面位移影響臨界距離可取為1倍溶腔直徑.

2.3.2 塑性區(qū)

隧道開挖至監(jiān)測(cè)斷面(開挖方向Y=L處)后掌子面周圍塑性區(qū)隨間徑比的變化情況如圖6所示.

圖6 塑性區(qū)隨間徑比的變化情況

由圖6可知，隨著間徑比的減小，開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)當(dāng)前產(chǎn)生的塑性區(qū)明顯增大.當(dāng)K=1.2時(shí)監(jiān)測(cè)斷面開挖過(guò)程中僅溶腔部位產(chǎn)生小范圍的塑性區(qū)，溶腔與掌子面之間基本無(wú)新塑性區(qū)出現(xiàn)；當(dāng)K=0.6時(shí)，整個(gè)溶腔內(nèi)部和溶腔與掌子面之間的大部分塑性區(qū)均在監(jiān)測(cè)斷面開挖過(guò)程中產(chǎn)生，即在監(jiān)測(cè)斷面開挖過(guò)程中掌子面與溶腔之間的圍巖迅速失穩(wěn)，此時(shí)掌子面極易或已坍塌.故當(dāng)前研究工況下，掌子面與溶腔安全臨界距離為1.2倍溶腔直徑.

考慮有壓溶腔對(duì)隧道影響最不利的情況，由掌子面位移以及塑性區(qū)隨間徑比變化規(guī)律分析可知當(dāng)前研究工況下，掌子面與有壓溶腔安全距離定為1倍溶腔直徑(即掌子面與溶腔距離為2.5 m).

3 模型試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)根據(jù)前述數(shù)值模擬分析結(jié)果，在安全距離內(nèi)開展研究.

3.1 相似關(guān)系

模型試驗(yàn)以幾何相似比為25和容重相似比為l以及無(wú)量綱的物理量如應(yīng)變、泊松比、內(nèi)摩擦角相似比為1作為基礎(chǔ)相似比，在彈性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各控制性物理力學(xué)參數(shù)的全相似性[13].根據(jù)相似準(zhǔn)則推導(dǎo)得各物理力學(xué)參數(shù)原型與模型值的相似比如下：泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角的相似比為：Cμ=Cε=CΦ= 1；應(yīng)力、黏聚力、彈性模量的相似比為：Cσ=CC=CE=25.

3.2 試驗(yàn)材料

1)圍巖材料

模型土的配制以河砂為基材，并按一定比例添加粉煤灰、機(jī)油及石英砂等材料.其中粉煤灰用于補(bǔ)充模型土細(xì)顆粒，與松香酒精溶液配合使用可調(diào)節(jié)土層的粘聚力和摩擦角，石英砂用來(lái)調(diào)節(jié)模型土的強(qiáng)度和彈性模量E.通過(guò)直剪和壓縮試驗(yàn)結(jié)果不斷調(diào)整材料配比，以達(dá)到模型參數(shù)相似的目的.最終確定各組分的合理質(zhì)量配比如表2所示，原型及模型土圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表3所示.

表2 圍巖相似材料質(zhì)量配比

表3 原型及模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2)錨桿

因模型中錨桿的模擬已無(wú)法在幾何尺寸上實(shí)現(xiàn)和原型的完全相似，試驗(yàn)中通過(guò)原型與模型單位面積的等效抗拉剛度EA相似的方法來(lái)對(duì)錨桿進(jìn)行模擬，即滿足

式中:A1為單根錨桿的面積，A2為單根錨桿的錨固體在隧道壁面上的投影面積.

試驗(yàn)實(shí)際采用直徑為1.8 mm的鐵絲來(lái)模擬錨桿，并用環(huán)氧樹脂作膠結(jié)劑在其表面均勻粘一層細(xì)石英砂.錨桿的布置及參數(shù)見表4.

表4 錨桿的布置及參數(shù)

3)鋼拱架

試驗(yàn)中通過(guò)原型與模型等效抗彎剛度EI相似的方法來(lái)模擬，即滿足

試驗(yàn)采用4 mm× 2 mm的銅條來(lái)模擬I18a型工字鋼.鋼拱架的布置及參數(shù)見表5.

表5 鋼拱架的布置及參數(shù)

4)噴射混凝土

雙碑隧道Ⅳ級(jí)圍巖富水段以采用C25混凝土.采用水、石膏按質(zhì)量比1∶1.5～1.6混合后，取30 min后的彈模試驗(yàn)值，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)1 MPa，對(duì)應(yīng)原型值25 MPa，彈性模量1.1 GPa，對(duì)應(yīng)原型值28 GPa，所以模型試驗(yàn)中可按上述比例混合水和石膏，并人工噴涂至開挖隧道周圍來(lái)模擬初支.

3.3 溶腔的模擬

雙碑隧道所穿越的溶腔大多為充水承壓不規(guī)則溶腔.為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，模型試驗(yàn)中溶腔形狀簡(jiǎn)化為球形，且鑒于溶腔直徑較小，可忽略溶腔內(nèi)部上下水壓力大小不同，考慮到模型試驗(yàn)中采用水壓的難操作性以及滲水對(duì)試驗(yàn)開挖造成的不利影響，最終決定采用氣壓代替水壓來(lái)模擬溶腔的壓力.試驗(yàn)?zāi)M的溶腔大小2.5 m，埋深100 m，根據(jù)相似比換算得到模型試驗(yàn)中溶腔直徑為10 cm，溶腔壓力為20 kPa.由前述數(shù)值模擬結(jié)果可知，取安全距離為2.5 m進(jìn)行試驗(yàn)(模型試驗(yàn)距離為10 cm).

模擬帶壓溶腔的穩(wěn)壓裝置包括充氣泵、壓力表、氣壓傳感器、導(dǎo)氣管、電磁閥、金屬三向閥門及與塑料空心以及特制充氣氣囊等，如圖7所示.

圖7 溶腔模擬裝置

穩(wěn)壓裝置可通過(guò)控制充氣泵和電磁閥的開啟與關(guān)閉來(lái)保障密封裝置內(nèi)的正壓維持在預(yù)設(shè)值水平.其中：充氣泵用于向氣囊充氣；特制氣囊內(nèi)裝Φ=6 mm的塑料空心球以模擬溶腔形狀，并保證預(yù)埋入圍巖相似材料時(shí)不被壓扁，充氣后用于模擬承壓溶腔；氣壓傳感器的作用是為了更為直觀的監(jiān)測(cè)氣壓變化以及判斷穩(wěn)壓裝置是否正常工作，其精度為0.2 kPa.

3.4 模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在臺(tái)架式鋼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒鄢叽鐬?.5 m×3.0 m ×0.8 m，隧道試體尺寸為0.6 m×0.60 m×0.48 m，試驗(yàn)裝置如圖8所示.

圖8 試驗(yàn)臺(tái)架圖

為減小模型槽邊界效應(yīng)影響，在整個(gè)模型槽的內(nèi)表面粘一層厚l mm的聚四氟乙烯板.另外模型槽后方采用1 m厚的混凝土墻作為約束以減小圍巖和隧道試體在縱向上的變形，前方采用型鋼鋼架進(jìn)行支撐.由于試驗(yàn)臺(tái)架尺寸受限，模型土的厚度(1.8 m)無(wú)法根據(jù)相似比例模擬深埋原型隧道的初始地應(yīng)力(實(shí)際所需厚度為8 m)，故在臺(tái)架頂部設(shè)置了千斤頂、反力梁及傳力鋼板.千斤頂壓力可以通過(guò)傳力鋼板均勻地傳至下方土體，從而模擬埋深較大時(shí)的初始地應(yīng)力場(chǎng).實(shí)驗(yàn)前，先將反力加到預(yù)定值，待穩(wěn)定后再進(jìn)行開挖施工.

3.5 量測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)主要針對(duì)隧道開挖至數(shù)值模擬所得安全距離之后，對(duì)此時(shí)掌子面處位移、圍巖壓力以及初支內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè).

1)圍巖土壓力

圍巖土壓力采用精度為0.1 kPa的土壓力盒量測(cè)，土壓力盒沿隧道環(huán)向布置10個(gè)，采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù).土壓力盒布置示意圖如圖9所示.

圖9 土壓力盒布置示意圖

2)初期支護(hù)內(nèi)力量測(cè)

初期支護(hù)受力通過(guò)在銅條相應(yīng)位置處的內(nèi)外側(cè)粘貼應(yīng)變片來(lái)量測(cè)銅條應(yīng)變，再根據(jù)式(1),(2)算出相應(yīng)位置處的彎矩和軸力(即鋼拱架的內(nèi)力)，應(yīng)變片的布置如圖10所示.

軸力：N=E(ε內(nèi)+ε外)bh/2

(1)

彎矩：M=E(ε內(nèi)-ε外)bh2/12

(2)

圖10 應(yīng)變片布置示意圖

3)掌子面位移

當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測(cè)斷面后，通過(guò)在掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)與位移計(jì)之間墊一個(gè)小薄片來(lái)進(jìn)行掌子面位移測(cè)量，具體情況如圖11所示.

圖11 位移計(jì)布置示意圖

3.6 開挖方案

實(shí)驗(yàn)采用超短臺(tái)階法開挖，模擬8個(gè)完整的施工循環(huán)，每一步的開挖進(jìn)尺為10 cm (對(duì)應(yīng)原型值為2.5 m)，共開挖16步[14]，開挖過(guò)程中嚴(yán)格控制開挖后等待時(shí)間及支護(hù)后石膏硬化達(dá)到強(qiáng)度的時(shí)間.開挖后一段時(shí)間進(jìn)行錨噴支護(hù)(16步)，建立開挖步與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.上臺(tái)階超前下臺(tái)階2個(gè)開挖步，具體開挖步驟如圖12所示.

(a)橫斷面開挖 (b)縱向開挖次序 圖12 模型試驗(yàn)開挖示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 掌子面位移

隧道前方存在有壓溶腔時(shí)，很容易出現(xiàn)掌子面突發(fā)較大位移或崩出等情況，造成突涌水等災(zāi)害.溶腔壓力對(duì)掌子面移動(dòng)影響時(shí)程曲線[15]如圖13所示.

圖13 掌子面位移變化曲線

從圖可看出，隨溶腔內(nèi)壓增大，隧道掌子面凸出位移呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且增大速率越來(lái)越快.當(dāng)溶腔壓力由20 kPa增加至40 kPa時(shí)，掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移呈近似正比例增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率約為0.025 mm/kPa，此階段掌子面最大位移達(dá)到0.26 mm(對(duì)應(yīng)原型值6.5 mm)；當(dāng)溶腔壓力由40 kPa增加至50 kPa時(shí)，掌子面位移變化速率增加至0.079 mm/kPa，掌子面位移達(dá)到1.22 mm (對(duì)應(yīng)原型值3.05 cm)；當(dāng)溶腔壓力由50 kPa增加至60 kPa時(shí)，此時(shí)隧道掌子面出現(xiàn)明顯的橫向裂縫，掌子面位移增加至6.08 mm(對(duì)應(yīng)原型值7.7 cm)，掌子面位移凸出的平均速率為0.166 mm/kPa；溶腔內(nèi)壓由60 kPa增加到65 kPa后掌子面發(fā)生崩壞，崩壞情況如圖14所示.

圖14 掌子面崩壞圖

可以看出，初期溶腔壓力較小條件下，掌子面圍巖能夠自穩(wěn)因而表現(xiàn)出近似正比例的位移變化；隨著溶腔壓力逐漸增大到圍巖的承載范圍，表現(xiàn)出位移變化速率逐漸增大；最后溶腔壓力超過(guò)圍巖的承載能力，掌子面發(fā)生較大位移而崩壞.

4.2 初期支護(hù)背后圍巖壓力

采用開挖前在初期支護(hù)背后的位置預(yù)埋土壓力盒對(duì)圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè).初期支護(hù)背后圍巖壓力如圖15所示.

圖15 初期支護(hù)背后圍巖壓力圖(單位：kPa)

由圖可知，不同溶腔內(nèi)壓下，圍巖壓力分布規(guī)律基本相同.隧道開挖至掌子面穩(wěn)定后(即溶腔內(nèi)壓為20 kPa)，圍巖壓力最小值位于右拱腳處為9.5 kPa，最大值位于右拱腰處為33.8 kPa.當(dāng)溶腔內(nèi)壓增加至失穩(wěn)時(shí)，圍巖壓力最小值仍位于右拱腳處為11.1 kPa，最大值仍位于右拱腰處為36.9 kPa.

另外，圍巖壓力隨溶腔內(nèi)壓增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，圍巖壓力發(fā)生較大變化位置主要在拱頂、仰拱以及左右拱肩處.當(dāng)溶腔壓力由20 kPa增加至40 kPa時(shí)，初支背后的圍巖壓力變化幅度不大(最大增幅約2.01 kPa)，此階段掌子面位移變化較小，圍巖能夠自穩(wěn)，溶腔壓力直接傳遞到初支背后圍巖.當(dāng)溶腔壓力由40 kPa增加至60 kPa之后，初支背后圍巖壓力產(chǎn)生較大變化，主要表現(xiàn)為：拱頂處圍巖壓力迅速增大(增幅約8.6 kPa)，左右拱肩處圍巖壓力增大(增幅約4.55 kPa)，仰拱處圍壓有小幅度增長(zhǎng)(增幅約3.2 kPa)，其余位置圍壓變化較小.

4.3 鋼拱架內(nèi)力

剛拱架彎矩與軸力分布形態(tài)如圖16,17所示.

圖16 鋼拱架彎矩圖(單位N·mm)

圖17 鋼拱架軸力圖(單位：N)

由圖16可知，不同溶腔內(nèi)壓下，鋼拱架彎矩分布規(guī)律基本相同，表現(xiàn)為仰拱與拱頂處彎矩為正(內(nèi)側(cè)受拉)，左右拱肩與拱腰處彎矩為負(fù)(外側(cè)受拉).隧道開挖至掌子面穩(wěn)定后(即溶腔內(nèi)壓為20 kPa)，鋼拱架彎矩最大值位于右拱腳處為-72.3 N·mm(外側(cè)受拉)，而左右拱肩處的彎矩相對(duì)較小.而當(dāng)溶腔內(nèi)壓增加至失穩(wěn)時(shí)，鋼拱架彎矩最大值位于拱頂為75.98 N·mm(內(nèi)側(cè)受拉).

分析鋼拱架彎矩變化規(guī)律可知，隨著掌子面前方溶腔內(nèi)壓的增加，鋼拱架彎矩的變化位置主要發(fā)生在仰拱與拱頂周圍，而左右拱肩以及拱腰處變化幅度較小.當(dāng)溶腔內(nèi)壓由20 kPa增加至40 kPa時(shí)，鋼拱架彎矩的變化幅度不大(最大變化值出現(xiàn)在拱頂處約5 N·mm)，拱頂以及仰拱彎矩呈增大趨勢(shì)，分別為42.89 N·mm和52.58 N·mm，增長(zhǎng)率分別為12.31%和8.63% ，而左右拱肩以及拱腰處彎矩呈現(xiàn)略微減小趨勢(shì)；當(dāng)溶腔壓力由40 kPa增加至60 kPa時(shí)，彎矩變化幅度明顯增大(最大變化值出現(xiàn)在拱頂處約33.09 N·mm)，拱頂以及仰拱彎矩明顯增大，分別為75.98 N·mm和 70.53 N·mm(內(nèi)側(cè)受拉)，增長(zhǎng)率分別為77.15%和43.76% ，隧道左右兩側(cè)彎矩呈小幅度減小趨勢(shì)(增幅最大出現(xiàn)在左側(cè)拱腰處為8.76 N·mm)，增長(zhǎng)率為18.2%.

由圖17可知，不同溶腔內(nèi)壓下，鋼拱架軸力分布規(guī)律基本相同，僅拱頂處軸力出現(xiàn)較大變化.隧道開挖至掌子面穩(wěn)定后(即溶腔內(nèi)壓為20 kPa)，鋼拱架軸力分布較為均勻，最大軸力位于右拱腰與拱肩之間處為60.03 N，軸力最小值出現(xiàn)在拱頂處為36.25 N.當(dāng)溶腔內(nèi)壓增加至失穩(wěn)時(shí)，拱頂處軸力出現(xiàn)較大變化，軸力最大值出現(xiàn)在右拱腰與拱肩之間處為70.21 N.

分析鋼拱架軸力變化規(guī)律可知，隨著掌子面前方溶腔內(nèi)壓的增加，鋼拱架軸力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，軸力變化較大位置主要出現(xiàn)在拱頂處，左右拱腰處次之，仰拱以及拱肩處變化幅度較小.當(dāng)溶腔壓力由20 kPa增加至40 kPa時(shí)，鋼拱架軸力變化不大，僅拱頂處出現(xiàn)較大變化，其增幅值為7.6 N；當(dāng)溶腔壓力由40 kPa增加至60 kPa時(shí)，鋼拱架軸力除拱頂處出現(xiàn)較大變化外，其余各處變化值仍不大，拱頂、左拱肩、右拱肩處的軸力分別由溶腔壓力為40 kPa時(shí)的43.91 N，38.65 N和45.68 N增加到了59.12 N，48.32 N和56.13 N，增長(zhǎng)率分別為34.63%，25.02%和22.87%，而其它位置處的軸力隨溶腔內(nèi)壓增大變化較小.

偏心距的大小是影響襯砌承載力穩(wěn)定性的重要參數(shù)，它對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)的受力及配筋都有較大影響.不同溶腔壓力作用下，最大偏心距結(jié)果見表6.

表6 隧道初支最大偏心距匯總

從表6可知，不同溶腔內(nèi)壓作用下，隧道初支最大偏心距出現(xiàn)在仰拱以及左拱肩處，負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距均大于正彎矩所對(duì)應(yīng)的最大偏心距，正偏心距呈變化速率加快的減小趨勢(shì)而負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距基本不變.當(dāng)溶腔壓力由20 kPa增加至40 kPa時(shí)，鋼拱架最大正負(fù)偏心距分別為1.14 mm,-1.58 mm，減小率分別為4.2%，5.3%；當(dāng)溶腔壓力由40 kPa增加至60 kPa時(shí)，正彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距為0.92 mm，減小率為19.3%，負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距則增加至-1.62 mm，增加率為2.5%.

5 結(jié) 論

采用FLAC3D模擬施工中掌子面正前方存在小型帶壓溶腔的情況，根據(jù)計(jì)算出的安全距離開展模型試驗(yàn).得到了以下結(jié)論：

1)由數(shù)值模擬所得安全臨界距離以及模型試驗(yàn)結(jié)果可知，采用數(shù)值模擬計(jì)算所得安全臨界距離進(jìn)行模型試驗(yàn)是可取的，故在施工中遇到類似情況也可采取相同數(shù)值模擬方法確定施工安全距離.

2)溶腔壓力處在掌子面能夠完全自穩(wěn)的范圍內(nèi)時(shí)，掌子面位移呈近似正比例增大，當(dāng)溶腔壓力的大小接近甚至超過(guò)掌子面的自穩(wěn)范圍時(shí)，掌子面位移增大速率會(huì)逐漸增加最后產(chǎn)生突變破壞.當(dāng)施工中掌子面出現(xiàn)較明顯位移變化時(shí)，應(yīng)立即采取掌子面加固以及溶腔內(nèi)壓釋放措施.

3)不同溶腔內(nèi)壓下，隧道掌子面處圍壓分布規(guī)律基本相同，拱肩處圍壓最大，而隧道圍壓最小值出現(xiàn)在右拱腳附近；圍巖壓力隨溶腔內(nèi)壓增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，掌子面前方溶腔內(nèi)壓的增大對(duì)相鄰隧道斷面拱頂影響較大，拱肩與仰拱處次之，而對(duì)其他位置圍巖壓力基本無(wú)影響.故施工中遇到掌子面前方存在小型溶腔時(shí)，應(yīng)對(duì)圍巖壓力變化較大拱肩處位置采取針對(duì)措施進(jìn)行加固或釋放其圍壓.

4)隨著溶腔壓力的變化，初支彎矩分布規(guī)律基本相同.在溶腔內(nèi)壓變化過(guò)程中，初支彎矩的變化位置主要發(fā)生在仰拱與拱頂周圍并且其對(duì)應(yīng)彎矩呈加速率增長(zhǎng)，而左右拱肩以及拱腰處變化幅度較小.掌子面前方溶腔內(nèi)壓的增大對(duì)相鄰監(jiān)測(cè)斷面初期支護(hù)彎矩的影響主要集中在拱頂附近及拱底處，而對(duì)其它位置處彎矩影響不大.隨著溶腔壓力的增大，初支軸力均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，軸力變化較大位置主要出現(xiàn)在拱頂處，左右拱腰處次之，仰拱以及拱肩處變化幅度較小.實(shí)際施工中開挖至安全距離時(shí)，可根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)掌子面仰拱與拱頂周圍處襯砌有針對(duì)性地加強(qiáng)，從而保證施工的安全性.

5)不同溶腔內(nèi)壓作用下，隧道初支最大正負(fù)偏心距出現(xiàn)在仰拱以及左拱肩處，負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距均大于正彎矩所對(duì)應(yīng)最大偏心距，正偏心距呈變化速率加快的減小趨勢(shì)而負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距則基本不變.故在設(shè)計(jì)配筋時(shí)，應(yīng)主要從負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)最大偏心距進(jìn)行考慮配筋.

根據(jù)以上結(jié)論可知，溶腔壓力的變化會(huì)造成掌子面位移的變化，從而造成周圍壓力的改變以及初支內(nèi)力的分布和大小改變.受到溶腔內(nèi)壓大小的影響，其位移、初支內(nèi)力以及偏心距變化速率均呈越來(lái)越快的趨勢(shì).本研究可為大斷面巖溶公路隧道遇到小型溶腔時(shí)的安全合理施工提供參考與設(shè)計(jì)依據(jù).

[1] 李術(shù)才,劉斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(6):1090-1113.

LI Shucai, LIU Bin, SUN Huaifeng,etal.State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(6):1090-1113.(In Chinese)

[2] 楊昌宇.巖溶地區(qū)隧道設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考及建議[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(1):90-93,116.

YANG Changyu.Safety analysis of longyaolu tunnel under-passing the anti-flood wall of Huangpu River[J].Modern Tunnelling Technology, 2011,48(1):90-93,116.(In Chinese)

[3] 鐘世航,孫宏志,李術(shù)才,等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預(yù)報(bào)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(S1):3298-3327.

ZHONG Shihang, SUN Hongzhi, LI Shucai,etal.Detection and forecasting for hidden danger of karst fissure water and other geological disasters dConstruction of tunnels and underground projects[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(S1):3298-3327.(In Chinese)

[4] 張志龍,王蘭生,王躍飛.公路隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法研究現(xiàn)狀綜述[J].公路交通科技,2005,22(S2):130-132,140.

ZHANG Zhilong, WANG Lansheng, WANG Yuefei.Present research situation of highway tunnel construction advanced geological prediction technique[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(S2):130-132,140.(In Chinese)

[5] 肖伯強(qiáng),方剛,王艷琴,等.武陵山地區(qū)隧道溶洞及坍塌處理技術(shù)[J].施工技術(shù),2014,43(S1):402-405.

XIAO Boqiang, FANG Gang, WANG Yanqin,etal.Karst cave and collapse treatment technology in Wuling Mountain Area Tunnel[J].Construction Technology, 2014,43(S1):402-405.(In Chinese)

[6] 羅瓊.巖溶隧道施工技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2005,87(3):65-71.

LUO Qiong.The construction technology of karst tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2005,87(3):65-71.(In Chinese)

[7] 張林,楊志剛,錢慶強(qiáng),等.溶洞頂板穩(wěn)定性影響因素正交有限元法分析[J].中國(guó)巖溶,2005,24(2):156-159.

ZHANG lin, YANG Zhigang, QIAN Qingqiang,etal.Analysis to factors affecting the stability of karst cave ceiling with orthogonal definite element method[J].Carsologica Sinica,2005,24(2):156-159.(In Chinese)

[8] 賴金星,汪珂,邱軍領(lǐng).溶洞位置對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬研究[J].公路,2015(8):275-281.

LAI Jinxing, WANG Ke, QIU Junling.Numerical simulation and research on the influence of different positions of concealed karst caves in tunnel structure[J].Highway,2015(8):275-281.(In Chinese)

[9] 何翊武,傅鶴林,羅立峰, 等.隧底巖溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響的理論解[J].土木工程學(xué)報(bào),2014,47(10):128-135.

HE Yiwu, FU Helin, LUO Lifeng,etal.Theoretical solution of the influence of karst cavern beneath tunnel on the stability of tunnel structure[J].China Civil Engineering Journal, 2014,47(10):128-135.(In Chinese)

[10] 周雪銘,劉輝,彭川,等.巖溶隧道開挖對(duì)溶洞處治結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2011,32(1):269-275，303.

ZHOU Xueming, LIU Hui，PENG Chuan，etal.Numerical simulation analysis of deformation effect on treatment structure of karst cave due to karst tunnel excavation[J].Rock and Soil Mechanics, 2011,32(1):269-275,303.(In Chinese)

[11] 張民慶,黃鴻健,苗德海,等.宜萬(wàn)線隧道工程巖溶治理技術(shù)與工程實(shí)例[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(1):26-36,52.

ZHANG Minqing, HUANG Hongjian, MIAO Dehai,etal.The technology of treating karst for Yichang-Wanzhou Railway and its engineering example[J].Journal of Railway Engineering Society, 2008(1):26-36,52.(In Chinese)

[12] 賴永標(biāo).隱伏溶洞與隧道間安全距離及其智能預(yù)測(cè)模型研究[D].北京：北京交通大學(xué)巖土工程學(xué)院,2012:13-15.

LAI Yongbiao.Study on safe distance between concealed carst cave and tunnel and it's intelligent prediction model[D].Beijing:Beijing Jiaotong University Geotechnical Engineering ,2012:13-15.(In Chinese)

[13] 楊俊杰.相似理論與結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2005：5-11.

YANG Junjie.Similarity theory and structure modeltest[M].Wuhan：Wuhan University of Technology Press，2005：5-11.(In Chinese)

[14] 方勇,周超月,劉書斌,等.上覆薄煤層采空區(qū)公路隧道開挖穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,42(7):100-107.

FANG Yong, ZHOU Chaoyue, LIU Shubin,etal.Model test of excavation stability for highway tunnel beneath mined-out thin coal seam[J].Journal of Hunan University ：Natural Sciences.2015,42(7): 100-107.(In Chinese))

[15] 周建春，魏琴.公路隧道圍巖變形時(shí)程曲線擬合的BP算法[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,29(4):79-84.

ZHOU Jianchun, WEI Qin.Study on fitting of surrounding rock deformation time-history curve by BP neural network algorithm[J].Journal of Hunan University ：Natural Sciences, 2002,29(4):79-84.(In Chinese)

Research on the Tunnel Face Stability Influenced by Forward Concealed Cave with Internal Water Pressure

FANG Yong?, WANG Huiwu, ZHOU Chaoyue, LIU Shubin

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

1674-2974(2017)09-0138-09

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.017

2016-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278422, 51578460)，National Natural Science Foundation of China(51278422, 51578460); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAG05B03),National Key Technology R&D Program under Grant; 四川省青年科技基金資助項(xiàng)目(2012JQ0021),Sichuan Youth Science and Technology Foundation,China Nattional Key Technology Support Program(2012JQ0021)

方勇(1981—)，男，四川大竹人，西南交通大學(xué)副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail：fy980220@swjtu.cn

U451.2

A