岩溶地区新建隧道的稳定性分析

张宏彪 （周山无界工程设计（武汉）有限公司，湖北 武汉 362011）

近几年，大量地铁、隧道、地下通道等建筑物修建后，由于建筑物结构和地理位置特殊，受到地表移动荷载作用后，会产生相应的下沉和变形影响以及一些安全问题。尤其当在岩溶地质中会存在大量溶洞，极易造成下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞顶板失稳产生塌落或沉陷。

这些问题和隐患也受到大量研究人员的广泛关注。李春良等[1]通过有限元软件建立地面荷载下盾构隧道模型，研究了隧道埋深，衬砌刚度和隧道尺寸的影响。李鹏等[2]建立车辆荷载下的隧道模型，分别研究了在有、无初衬两种工况下，隧道开挖时的顶部沉降和顶部位移。史世雍等[3]建立三维有限元模型，研究了顶部溶洞存在对隧道的影响，并对相关参数进行影响因素分析。高玄涛等[4]利用ABAQUS软件建立三维模型，分析了地层深度对振动荷载传播的影响规律和竖向应力的变化。巫裕斌等[5]基于数值模拟手段建立地铁隧道下穿高速铁路路基的三维模型，研究分析了隧道的沉降、位移及动力响应。谭代明等[6]通过建立三维数值模型，研究了侧部岩溶隧道围岩稳定性的影响，并对硐室直径、距离等影响因素进行分析。王正安等[7]以利用有限元软件建立隧道结构－地层体系的三维模型，分析三种工况下的应力及位移规律。杨赳等[8]研究了铁路运行产生的动应力在衰减后对地铁隧道结构的影响，铁路运行产生频繁的振动会减小土体的承载能力，加大隧道周围的土体变形，影响行车安全。

为此，本文建立了地表移动荷载作用下三维模型。对比分析了无荷载、集中静荷载和集中移动简谐荷载下的动力响应，分析了溶洞与隧道边距和溶洞洞径对隧洞拱顶地基中竖向应力响应和地表竖向加速度的影响。

某城市隧道工程正线起讫里程YCK(ZCK)15+804.109～YCK(ZCK)17+929.300，全长 2125.191m。本文选取该线路中一段溶洞密集区，隧道施工长度50m，施工机械为土压平衡盾构机，内径为5.4m，外径为6.0m。该地区岩溶强发育，石炭纪石斛石灰岩在该区间区域的分布为岩溶发育的可溶性物质提供了基础。岩体的局部裂缝和破裂为地下水活动提供了渠道。因此，具备了岩溶发育的内因和外因。

3.1 有限元模型

本文选取YCK(ZCK)16+560～YCK(ZCK)16+580段建立数值模型，该模型宽为50m、纵深为20m、高为50m，隧道直径为6m，隧道拱顶至地表距离10m，溶洞直径为3m。模型网格如图1所示，模型采用摩尔-库伦本构模型，边界条件确定：模型顶部为自由边界，底部为固定约束边界，四周为水平约束边界。

图1 模型示意图

为研究不同荷载工况的影响，本文选择三种荷载形式模拟地表车辆荷载：无荷载、集中静荷载和集中移动简谐荷载。其中，集中静荷载幅值F=50kN，集中移动简谐荷载幅值F=50kN，荷载激振频率f0=5Hz，荷载移动速度c=60km/h。荷载均作用于隧道正上方地表处。

3.2 计算参数的选择

为简化模型，模型中地层简化为两种：土层、岩层。模型高度50m，上部分18m为土层，下部分32m为岩层。地层参数及隧道衬砌参数具体取值如表所示。

材料参数表

三种不同荷载形式下模型应力云图，如图2所示。图中可以看出，三种荷载形式下的应力规律一致，最大应力发生在隧道拱顶处。当地表未作用荷载时，应力峰值为1086kPa；
当地表作用静荷载时，应力峰值比未作用荷载下的应力峰值大约13%；
当地表作用移动简谐荷载时，应力峰值比未作用荷载下的应力峰值大约24%。综上所述，地表交通荷载对地基应力有显著的影响，尤其是移动简谐荷载。

图2 地表移动荷载作用下地基的应力场云图

三种不同荷载形式下模型应力云图，如图3所示。图中可以看出，当地表未作用荷载时，隧道正上方处地表最大沉降、衬砌最大变形分别为15.5mm和25mm；
当地表作用静荷载时，隧道正上方处地表最大沉降、衬砌最大变形分别增大4mm和3mm；
当地表作用移动简谐荷载时，隧道正上方处地表最大沉降、衬砌最大变形分别增大8mm和7mm。同样可见，移动简谐荷载对隧道和地基变形影响显著。

图3 地表移动荷载作用下地基的位移场云图

移动荷载速度为20km/h、60km/h和100km/h时，从隧道中心线左侧-20m到右侧20m，每隔5m取出地表沉降值，研究不同荷载移动速度对地表横向沉降的影响，并汇成地表沉降横断面图。如图4所示，地表沉降曲线在隧道中心线处为最大，并向两侧逐渐减小直至趋于稳定，地表沉降曲线也符合peck公式的正态分布曲线。隧道中心线左侧-10m～-5m的区域以及右侧5m～10m区域的沉降曲线斜率最大，也是地表沉降对周边环境的影响比较大的区域，而隧道中心线处的沉降曲线斜率较小。荷载速度为20km/h时的地表中心线沉降为15mm；
荷载速度为60km/h时的地表中心线沉降为25mm，比荷载速度为20km/h时增大了60%；
荷载速度为100km/h时的地表中心线沉降为40mm，比荷载速度为20km/h时增大了160%。因此，距离隧道中心线越远的区域地表沉降越小，在不断向隧道中心线靠近时地表沉降加速增加，在隧道中心线处地表沉降达到最大；
荷载移动速度的提升，对地表沉降的影响效果愈加显著。

图4 地表沉降横断面图

图5(a)给出了隧洞拱顶地基中竖向应力响应随着溶洞与隧道边距的变化情况，并考虑了三种不同的溶洞洞径，分别为r=2m、r=4m和r=6m。从图5(a)中可以看出，随着溶洞与隧道边距的增大，竖向动应力响应逐渐减小。当溶洞洞径为6m，溶洞与隧道边距为1m时，隧洞拱顶地基中竖向应力响应约为93kPa。可知，隧洞拱顶处附加动应力占此处自重应力的约30%，对于溶洞洞径为4m的工况，当溶洞与隧道边距为1m时，隧洞拱顶地基中竖向应力响应约为135kPa。同样可知，隧洞拱顶处附加动应力占此处自重应力约25%，对于溶洞洞径为2m的工况，当溶洞与隧道边距为1m时，隧洞拱顶地基中竖向应力响应约为175kPa。同样可知，隧洞拱顶处附加动应力占此处自重应力约21%。对比不同溶洞洞径的工况可知，顶部溶洞存在对隧洞拱顶处应力响应有显著的影响，随着溶洞洞径的增大，隧洞拱顶处应力响应迅速减小。但是隧洞拱顶处附加动应力的占比，随着溶洞洞径的增大而增大。

图5(b)给出了不同溶洞洞径下地表竖向加速度随溶洞与隧道边距的变化曲线。从图5(b)可以看出，当洞径2m的溶洞与隧道边距为1m时，地表移动荷载引起的隧道正上方地表竖向加速度约为0.007m/s2。且随着溶洞洞径的增加地表竖向加速度增加，当溶洞洞径为6m时，地表竖向加速度约为 0.011m/s2，大约是溶洞洞径为2m时的1.6倍。可见溶洞洞径对地表竖向加速度响应有显著的影响，但随着溶洞与隧道距离越来越远，这种由溶洞洞径造成的影响逐渐衰弱。

图5 不同洞径下拱顶应力和地表加速度随边距变化

交通荷载引起的环境振动经介质传播对周边环境造成影响，产生损伤并降低周边建筑物的安全性及使用性能，干扰附近居民的日常生活并造成一定的环境污染，长期受环境振动作用也会引起居民的不良健康状况。因此，应该采用合适的控制标准对环境振动评价。根据我国《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)规定，交通干线道路两侧执行的城市区域铅垂向Z振级昼间标准值75dB。铅垂向Z振级即为VLx(ax)=20logax/a0，集中ax为加速度幅值，a0为基准加速度，大小为10-6m/s2。图6为研究正上方溶洞洞径分别为2m、4m和6m时，地表铅垂向Z振级大小随溶洞与隧道边距的变化情况。从图5、图6中可以看出，当溶洞与隧道边距较小时，地表移动荷载引起的地表铅垂向Z振级均超过振动限值75dB，但当溶洞与隧道边距超过某一临界边距，隧道正上方地表铅垂向Z振级将降低到规范振动限值以内。当溶洞洞径为2m时，临界边距约为1.5m；
当溶洞洞径为4m时，临界边距约为2.5m；
当溶洞洞径为6m时，临界边距约为3m。综上所述，当溶洞与隧道边距超过临界边距时，溶洞不需要处理。

图6 地表铅垂向Z振级随边距变化

本文建立了三维模型，对比分析了不同荷载形式下的隧道的动力响应，研究了溶洞与隧道边距和溶洞洞径对隧洞拱顶地基中竖向应力响应和地表竖向加速度的影响，主要得到了以下几点结论。

①地表作用移动简谐荷载下顶部溶洞存在对地下隧道应力和位移的影响，远大于无荷载工况和静止荷载工况；

②当溶洞与隧道边距较小时，溶洞洞径对竖向应力和竖向加速度有显著的影响，但随着溶洞与隧道边距的增大，这种由溶洞洞径引起的影响随之衰减；

③地表移动荷载产生的铅垂向Z振级受溶洞与隧道边距影响，当边距不断增大时，振级逐渐减小，与环境振动标准规定的振动限值相比，当超过振动限值时，需要对溶洞进行处理。

猜你喜欢溶洞拱顶隧洞继承“传统”中蕴藏的“智慧”（六）小读者(2022年23期)2023-01-16中核集团：全球最大LNG储罐拱顶模块吊装成功现代国企研究(2022年5期)2022-11-13隧洞止水带安装质量控制探讨建材发展导向(2021年12期)2021-07-22方斗山隧道拱顶FLAC沉降模拟及修正科技研究·理论版(2021年20期)2021-04-20滇中引水工程大理段首条隧洞顺利贯通水泵技术(2021年2期)2021-01-24超前预报结合超前探孔技术在隧洞开挖中的应用黑龙江水利科技(2020年8期)2021-01-21出发吧，去溶洞智慧少年·故事叮当(2020年5期)2020-08-17妙梦巴王国历险记 七.中保村和百丈山溶洞24作文成功之路·小学版(2019年6期)2019-07-12神秘的溶洞幼儿100(2017年31期)2017-11-27隧道特大溶洞处理施工技术中国公路(2017年7期)2017-07-24

推荐访问:岩溶 隧道 稳定性