鄧衍，劉輝，劉耀坤，劉昶

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

隨著經(jīng)濟(jì)和施工技術(shù)的不斷發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的需要，在中國公路建設(shè)中大量使用隧道的方式穿越高山。但是，由于中國疆域遼闊，在進(jìn)行隧道施工過程中會(huì)遇到各種地質(zhì)條件，巖溶地質(zhì)便是其中之一。巖溶這種不良地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)給隧道開挖和運(yùn)營安全帶來隱患。巖溶區(qū)隧道施工中常出現(xiàn)涌水、突泥、隧道周邊圍巖的變形、失穩(wěn)和開挖中局部坍塌、掉塊及落石等現(xiàn)象[1]。因此，施工時(shí)需要確保圍巖的穩(wěn)定性并對巖溶地區(qū)隧道加強(qiáng)監(jiān)控量測，提前采取應(yīng)對措施。趙明階[2]等人進(jìn)行了隧道開挖模型試驗(yàn)，研究了溶洞尺寸、間距及開挖工法對于隧道周圍巖穩(wěn)定性的影響。陽軍生[3-4]等人利用極限分析上限法，對溶洞中地基極限承載力的影響進(jìn)行了的研究，推導(dǎo)出公路隧道穿越特大溶洞時(shí)檢測應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系。李術(shù)才[5]等人通過分析地層沉降云圖，對巖溶不良地質(zhì)條件造成的隧道沉降進(jìn)行了研究。趙明階[6-8]等人以實(shí)際工程為例，通過有限元軟件，將不同位置和不同洞徑的溶洞進(jìn)行了分類，推導(dǎo)出隧道圍巖位移場和應(yīng)力場的變化規(guī)律。宋戰(zhàn)平[9-10]等人探討了頂部溶洞洞徑對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。曹茜[11]等人通過軟件計(jì)算，得出巖溶隧道與溶洞的安全距離范圍的影響因素，并給出了最小安全距離的預(yù)測公式。黃武[12]等人對隧道施工過程中圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的變形和受力特性進(jìn)行了模擬。殷穎[13-14]等人分析了溶洞隧道案例，得到了溶洞影響隧道穩(wěn)定性的規(guī)律。作者以湖南省龍?zhí)林连樚粮咚俟分械陌财剿淼罏橐劳?，利用Abaqus CAE 2016有限元分析軟件，擬研究不同尺寸的溶洞對隧道圍巖應(yīng)力場、位移場的影響，分析頂部溶洞引起隧道周圍圍巖應(yīng)力變化和位移變化的規(guī)律，以期為類似巖溶區(qū)隧道的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型參數(shù)及模擬方案

采用 Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則，選取 Abaqus CAE 2016軟件，根據(jù)安平隧道實(shí)際地質(zhì)情況，建立土的本構(gòu)模型。

1.1 幾何模型及位移邊界條件

該模型取自安平隧道的巖溶發(fā)育段 K15+355～K15+365，巖性為巖溶化灰?guī)r。溶洞位于模型正上方。溶蝕特別發(fā)育，地下水十分豐富，加之地下水的水位較高，且受頁巖和砂巖等隔水層的阻斷，無法向周邊水庫泄洪，涌積于此段，形成承壓帶。隧道的半徑為 6.05 m，總高度為 7.2 m。圍巖襯砌為SⅣb類，厚度為25 mm。錨桿長度為3.5 m，直徑為 22 mm。錨桿支護(hù)的間距為 1.2×1.0 m，呈梅花型布置。

該模型的邊界條件為：處于x=0,100 m的YOZ面上的所有節(jié)點(diǎn)在x方向固定，即為滑動(dòng)鉸支座；處于z=0,10 m的XOY平面上所有節(jié)點(diǎn)在z方向固定，亦為滑動(dòng)鉸支座；處于y=-100 m的XOZ平面上所有節(jié)點(diǎn)為固定鉸支座；地表為無約束自由面。

隧道計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖 1 所示。

圖1 隧道計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分Fig. 1 Meshing of tunnel computing model

1.2 材料參數(shù)

用實(shí)體單元模擬圍巖以及開挖的土體、隧道的初襯和二襯。隧道圍巖巖體及支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖巖體及支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock mass and support material of tunnel

1.3 模擬方案

采用Abaqus CAE 2016進(jìn)行模擬，根據(jù)隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的變化來分析對隧道的影響。通過模擬整個(gè)隧道使用CD法開挖，計(jì)算各分析步驟中應(yīng)力和位移的變化，得到不同洞徑的溶洞對隧道開挖的影響。

隧道開挖的內(nèi)輪廓面為三心圓斷面形式。為便于分析工程頂部圓形隱伏溶洞對隧道的影響，按溶洞的大小，將溶洞位置固定于隧道正上方，到拱頂?shù)木嚯x為25.0 m，溶洞半徑分別為 0,1,2,3,6,9,12和15 m，所建模型分別為 M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7和M8。

隧道開挖如圖 2 所示。該模型的各模擬計(jì)算步驟為：首先對整個(gè)模型設(shè)置初始重力場，接著進(jìn)行地應(yīng)力平衡。通過多次對圖2中的1,3,5,7,9和11處分別進(jìn)行5 m前進(jìn)開挖。在每次開挖后，緊接著對2,4,6,8,10和12處分別進(jìn)行初期支護(hù)并拆除其中隔壁，最終完成二次支護(hù)。該模型構(gòu)建完成。

圖2 隧道開挖示意Fig. 2 Diagram of tunnel excavation

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

采用 Abaqus CAE 2016，建立安平隧道的三維模型。通過數(shù)值模擬分析，得到在不同施工步驟下隧道開挖后圍巖的應(yīng)力場和位移場。采用軟件計(jì)算后，溶洞半徑為2 m時(shí)的結(jié)果如圖3所示。

圖3 溶洞半徑為2 m時(shí)的隧道位移場計(jì)算結(jié)果Fig. 3 Calculation results of tunnel displacement field when the radius of karst cave is 2 m

2.1 拱頂沉降應(yīng)力與巖溶洞徑的關(guān)系

不同溶洞洞徑對隧道拱頂應(yīng)力影響的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溶洞洞徑對隧道拱頂應(yīng)力影響計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel vault stress

從圖4中可以看出，完成二次襯砌之前，無溶洞的應(yīng)力的最大值明顯高于有溶洞的。隨著隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的增大，隧道圍巖頂部沉降應(yīng)力減小。在開挖頂部土并完成二次襯砌之后，拱頂沉降應(yīng)力驟降，無溶洞的應(yīng)力的最小值小于有溶洞的。最后，應(yīng)力慢慢穩(wěn)定。

2.2 拱側(cè)收斂應(yīng)力與巖溶洞徑的關(guān)系

不同溶洞洞徑對隧道拱側(cè)應(yīng)力影響的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溶洞洞徑對隧道拱側(cè)應(yīng)力影響的計(jì)算結(jié)果Fig. 5 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel arch stress

從圖5中可以看出，隨著隧道的開挖，拱側(cè)的收斂應(yīng)力快速增長。在頂部土開挖完成后，即第 6分析步驟后，應(yīng)力穩(wěn)定在一個(gè)固定值。隨著隧道頂部圓形隱伏溶洞洞徑的增大，隧道圍巖拱側(cè)收斂應(yīng)力減小。

2.3 拱頂沉降位移變化與巖溶洞徑的關(guān)系

不同溶洞洞徑對隧道拱頂位移影響的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同溶洞洞徑對隧道拱頂位移影響的計(jì)算結(jié)果Fig. 6 Calculation results of the effect of different karst cave diameters on tunnel vault displacement

從圖6中可以看出，無溶洞的情況下，隨著隧道的開挖，拱頂沉降位移一直控制在5 mm之內(nèi)。而有溶洞的情況下，隨著隧道的開挖，小洞徑溶洞使得隧道拱頂沉降的位移變大，大洞徑溶洞反而使得隧道拱頂沉降位移變小。隧道開挖所產(chǎn)生的效應(yīng)促進(jìn)了拱頂沉降位移的增加。

2.4 拱側(cè)收斂位移變化與巖溶洞徑的關(guān)系

不同溶洞洞徑對隧道拱側(cè)位移影響的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同溶洞洞徑對隧道拱側(cè)位移影響的計(jì)算結(jié)果Fig. 7 Calculation results of the displacement effect of different karst cave diameters on tunnel arch displacement

從圖7中可以看出，有溶洞的情況下，拱側(cè)收斂位移一直控制在5 mm之內(nèi)。而無溶洞時(shí)，隨著隧道的開挖，拱側(cè)收斂位移增加，隧道開挖所產(chǎn)生的效應(yīng)抑制了拱側(cè)收斂位移的增加。

3 結(jié)論

采用Abaqus CAE 2016，分析了CD法開挖隧道各階段中拱頂、拱側(cè)應(yīng)力和位移的變化，得出的結(jié)論為：

1) 對比分析了無溶洞和有溶洞時(shí)隧道應(yīng)力的分布模式以及破壞機(jī)理。無溶洞時(shí)，洞頂部的沉降發(fā)生在用CD法開挖上側(cè)土體之前。在開挖完成之后，頂部支護(hù)所受到的沉降應(yīng)力顯著減小。同時(shí)，拱側(cè)受到圍巖收斂的應(yīng)力在一直增加。在用CD法開挖巖溶隧道上側(cè)土?xí)r，應(yīng)加強(qiáng)對頂部圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控與量測。

2) 對比分析了無溶洞和有溶洞時(shí)隧道位移的變化機(jī)理。對于拱頂?shù)某两滴灰疲S著隧道進(jìn)一步的開挖，無溶洞時(shí)，拱頂較為穩(wěn)定；而有溶洞時(shí)，沉降位移快速增加。對于拱側(cè)的收斂位移，有溶洞時(shí)，拱側(cè)的收斂位移較為穩(wěn)定；而無溶洞時(shí)，收斂位移變化較大。溶洞的存在使得圍巖的徑向位移有明顯的增大。表明：有溶洞的圍巖在開挖時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，由溶洞引起的隧道圍巖變形發(fā)生在隧道的拱側(cè)，可以通過超前支護(hù)等手段有效控制溶洞引起的圍巖變形。

3) 隧道頂部溶洞洞徑的變化對拱頂下沉量和拱側(cè)收斂量產(chǎn)生了顯著的影響。同時(shí)，使用CD法開挖的隧道需要對中隔壁的應(yīng)力、應(yīng)變變化保持持續(xù)關(guān)注。小洞徑溶洞使得隧道拱頂沉降位移變大，大洞徑溶洞反而使得隧道拱頂沉降位移變小。有溶洞時(shí)，隧道開挖所產(chǎn)生的效應(yīng)促進(jìn)了拱頂沉降位移的增加卻抑制了拱側(cè)收斂位移的增加。