摘要：小净距隧道在穿越岩溶区时，既有隐伏岩溶空腔因不能事先进行处理，易使小净距双向隧道围岩变形和应力发生突变。以岩溶隧道为工程背景，对存在隐伏岩溶空腔的小净距双向隧道进行现场变形监测，并运用FLAC3D软件进行数值模拟分析，监测数据与模拟结果基本一致，得出岩溶区位置对隧道受力的影响规律。
关键词：小净距隧道; 岩溶空腔; 变形; 应力
岩溶是山区隧道工程建设中常见的地质灾害之一[1～2]，小净距隧道是指隧道间的中夹岩柱厚度小于隧道设计规范建议值的特殊隧道布置形式[3]。隐伏岩溶空腔有预先不能处理的特性，Ki-II Song等[4]以韩国第一长大隧道为背景,对岩溶洞进行了归类、补充和分析；宋战平等[5～9]进行了不同位置的既有岩溶空腔对隧道稳定应影响的数值分析。当隐伏岩溶空腔存在于小净距隧道时必将对两条隧道围岩和支护应力应变均产生一定的影响。目前国内对小净距隧道中出现岩溶空腔的分析案例还较少。皮小强[10]以重庆双碑隧道工程为背景，对小净距隧道中间岩柱存在不同大小、不同位置的岩溶空腔进行开挖数值模拟，得出了双洞特征点水平位移朝远离溶洞一侧，双洞竖向位移随溶洞大小增加而增加等结论。而当小净距隧道临近单洞出现复杂隐伏岩溶空腔时，对两条隧道围岩及支护的影响鲜有报道。本文以某岩溶隧道工程为背景，对小净距隧道施工过程中单洞存在复杂隐伏岩溶空腔的围岩和初支变形及应力进行数值模拟分析，通过现场实际监测和模拟结果对比及存在隐伏空腔与未存在隐伏空腔等不同工况下的数值分析结果进行对比，研究方法及结论可为类似工程提供一定的参考借鉴。
1 工程背景
重庆市某高速公路隧道全长5519.15米，为双向四车道。隧道穿越明月峡背斜，构造形迹是北北东～北东向，隧道进口左线ZK11+710至ZK11+805存在一隐伏溶洞，其中：ZK11+710～ZK11+755 段位于隧道仰拱正下方3～30m，空腔呈宽而扁的形状，宽约18～23m，高约1.4～2.2m 。ZK11+755 ～ ZK11+765段紧邻隧道仰拱和右侧边墙，空腔呈宽而扁的形状，宽约10～16m，高约1.4～1.6m 。ZK11+765～ZK11+805段位于隧道右上方，空腔呈扁平形或椭圆形，宽约6～13m，高约1.4～1.6m。隧道埋深约为90米，空腔周围围岩为粉砂质页岩，空腔内部无明显地下水。
隧道采用台阶法开挖和湿喷技术进行支护。其中710-764段采用2.5m长Φ22药卷锚杆，锚杆按梅花形布置，间距100cm×120cm，每延米17.5根，100cm间距格栅拱架支撑，喷射混凝土采用18cm厚C20砼；764到805段采用4m长Φ25中空注浆锚杆锚杆按梅花形布置，间距50cm×120cm，每延米39根，50cm间距工字钢支撑，喷射混凝土采用26cm厚喷射混凝土。
2 研究方法和模型构筑
为从理论上更好得探究复杂空腔对小净距双向隧道稳定性的影响，采用FLAC3D软件对现场实际情况与无空腔存在的理论情况分别按照实际开挖和支护步骤进行数值模拟，研究隧道应力与位移变化情况。
2.1 模型建立
建模时采用 长方体作为整体围岩，隧道轴线方向为y轴，水平面内垂直于轴线方向为x轴，竖直方向为z轴。
2.2 计算参数及模拟条件
根据实际工程情况确定围岩岩体参数(见表1)，模型的四周和底部边界均为法向约束，模型顶部表面为自由面 ，整体受到竖直重力。计算时先使模型受重力达到弹性和塑性的初始应力平衡。
开挖时采取上下台阶法，每日进尺两米，开挖后立即进行初期支护。喷射混凝土及锚杆支护按照现场实际施工方式进行。右线开挖滞后左线开挖五十米。
3 模拟结果分析
根据空腔的形状及与隧道位置关系，同时通过对比能得到空腔位于隧道不同位置对隧道稳定性的不同影响，结合数值模拟结果选取ZK11+735、ZK11+755、ZK11+795三个断面进行竖向位移与最大主应力应力的分析。
3.1 位移分析
当小净距隧道左洞底部出现空腔时：左洞拱顶最大位移为-3.94cm，未存在空腔则为-1.91cm，增加了106.3%；同时右洞拱顶最大位移为-2.53cm，较未存在空腔时位移增大了0.62cm，增加了32.5%；左洞拱底位移从左到右按-0.40cm-4.21cm递增，右洞拱底位移为3.27cm，未存在空腔时隧道拱底位移为2.07cm，左洞位移变化方向产生变化、右洞增加了58.0%；左右洞拱腰处位移大致相同，均为2.50cm左右，较未存在空腔时增大了87.0%。当隧道左洞底部出现空腔时，左洞拱顶下沉位移增大了一倍多，拱底变形由外凸变为凹陷，且随着空腔附近的变形区域形成了明显的由左向右递增的趋势。而整个右洞的变形均在原有基础上有不同程度的增大。
当小净距隧道中间岩柱出现靠近左洞的空腔时：左洞拱顶最大位移为-3.56cm，较未出现空腔工况下增大了86.4%；右洞拱顶最大位移为-2.81cm，较未出现空腔工况下增大了47.1%；左洞拱腰处最大位移为-2.32cm，右洞为-1.67cm，分别增大了77.1%、27.5%；左洞拱底最大位移为2.43cm，右洞拱底最大位移为3.24cm，分别较未出现空腔工况下增大了17.4%、56.5%。在空腔位于岩柱中靠近左洞时，左右两洞拱顶，拱腰，拱底处位变形均有不同程度增加，左洞拱顶及围岩变形增加幅度较大，右洞拱底隆起变形增加较明显。整个围岩较大变形区域整体向左洞偏移。
当小净距隧道左洞拱顶上方出现空腔时：左洞拱顶处最大位移为-1.34cm、右洞为-2.52cm，分别较未出现空腔工况下减小29.8%、增大31.9%；左洞与右洞拱腰处最大位移分别为-2.16cm、-1.32cm，左洞较未出现空腔工况下增大64.9%，右洞不变；左洞拱底最大位移为1.95cm，较未出现空腔工况下减小了9.1%；右洞拱底最大位移为2.70cm，较未存在空腔工况下增大了30.4%。当空腔位于左洞拱顶上方时，左洞拱顶与拱底变形量减小，右洞拱腰处不变；左洞拱腰处变形量有大幅增加，下沉最大部位由拱顶转移到拱腰处。
复杂空腔位于隧道不同部位时对两条隧道的影响各不相同，当空腔位于左洞下方时，左洞受影响较大，拱顶与拱底变形影响尤为显著，右洞各处变形均有一定程度增大；当空腔位于岩柱靠近左洞时，双洞主要变形均有较大幅度增加，特别是左洞初支及其附近的岩体，变形增加显著；当空腔位于左洞上方时，左洞下沉变形最大位置由拱顶转移到左侧拱腰，拱顶及拱底变形量减小；各种情况下右洞拱底位移均有较大程度增加。所以隧道在掘进过程中在空腔位于左洞附近不同位置时，需要对左洞和右洞特征位置增强监控量测以及支护。
3.2 最大主应力分析
空腔存在对拉应力分布区域没有较大影响，拉应力均集中于初支及拱顶底部局部地区，但对数值影响较大，735断面空腔位于隧道下方时，存在空腔工况最大拉应力值是没有空腔工况下的2.56倍；而755与735断面，空腔位置分别位于岩柱中及隧道上方时分别增大了60.4%、26.1%。空腔存在对最大压应力数值没有较大影响，两种工况下最大压应力相差不大，但对压应力集中区域的分布影响较大。735断面中未存在空腔工况下压应力集中区分别在中间岩柱和隧道边墙两侧，当底部出现空腔后应力集中区域范围有大幅度减小，压应力数值也有不同程度减小，隧道两侧应力重分布较严重；755断面中未存在空腔工况下中间岩柱、隧道两侧和下方岩体应力分布较均匀，当中间岩柱出现空腔后，中间岩柱出现及隧道两侧均出现较明显应力集中区域，应力重新分布程度较大，隧道上方应力集中在左侧，下方应力分布相对较均匀。ZK11+795断面未存在空腔时隧道周围岩体应力分布较较均匀，当隧道上方存在空腔后，左洞出现较大面积应力集中区域，与空腔贯通，中间岩体及右洞右侧出现一定面积的应力集中区域，隧道下方拉应力区减小，压应力区增大，其余区域应力分布较均匀，与未出现空腔工况下大致吻合。
4 现场监控量测与数值模拟对比分析
在隧道掘进同时，对隧道左洞拱顶、拱腰进行了持续现场监控量测，现选取ZK11+735、ZK11+755、ZK11+795断面竖向位移数据与模拟结果进行对比，见表2。
从表2可以看出，拱顶与拱腰处数值计算所得结果与现场监测结果最大误差为17.5%，最小误差仅为3%，说明模拟结果在很大程度上可以反映出实际围岩及初支的变形规律，模拟结果是基本可靠的；同时，拱顶及拱腰的变形模拟结果绝对值比现场监测结果均偏大，主要原因是模拟过程位移监测是在开挖支护完成后立即进行，而现场则需要在隧道开挖并进行一系列工序后，满足检测人员可布设监测点条件后再进行监测，而围岩自稳变形在隧道开挖后的开始阶段发展较快，所以造成了部分现场监测过程变形的缺失。
5结论
通过对存在及未存在空腔两种工况下隧道的数值模拟结果进行对比分析，得到了以下成果：
(1) 岩溶空腔位于小净距双向隧道一洞下方时，临近空腔隧道拱顶与拱底的变形会在下沉方向剧烈增加，远离空腔一侧隧道竖向变形会有一定增加；空腔位于中间岩柱时，两侧隧道变形均有不同程度增大，临近空腔一侧隧道变形增大较显著；当空腔位于一侧隧道上方时，临近空腔一侧隧道拱顶与拱底变形减小，拱腰处位移显著增大。在实际工程中，对不同空腔或者同一空腔位于隧道不同方位的段落，均应按照其相应的变形规律，对隧道进行适当的支护增强。
(2) 岩溶空腔位于小净距双向隧道一洞下方时，临近空腔一侧隧道初支拉应力会极大增加；岩溶空腔位于隧道中间岩柱时，对小净距双向隧道最大主应力分布将造成很大影响，中间岩柱及隧道两侧岩体会形成较集中的应力区；空腔位于一侧隧道上方时，隧道下方拉应力区减小，压应力区增大。在实际工程中当小净距双向隧道中间岩柱出现空腔是应对中间岩体进行适当的加强，空腔出现在隧道底部时，应对临近隧道初支进行增强。
(3) 采用FLAC3D软件开展岩溶隧道进行数值模拟分析是基本可行的，对于探明空腔段隧道实行先模拟分析，再根据模拟结果指导施工将会是隧道安全施工的有力保障。
参考文献
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论文作者:薛陶,王海丰,赵明喆
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/20
标签：空腔论文; 隧道论文; 应力论文; 岩溶论文; 位移论文; 拱顶论文; 围岩论文; 《基层建设》2017年2期论文;