（岩土工程专业论文）岩溶隧道围岩与结构稳定性分析.pdf

摘要 溶洞隧道采用桩一承台一单边支撑墙一联系梁以及桩一承台一两边支撑墙处治方 式，在隧道施工开挖中发挥着重要作用。本论文以隧道开挖中处治结构和围岩稳 定性为研究对象，对处治结构和围岩进行了监测。根据现场测试结果分析了处治 结构在隧道开挖过程中的受力特性，并采用三维有限元模拟了处治结构与隧道开 挖过程中的相互作用，分析了处治结构在隧道开挖过程中的位移和应力，综合现 场测试和数值模拟结果基础上，对处治结构的设计与施工提出了一些建议，主要 研究的内容包括： 1 结合清连高速公路白须公特大溶洞隧道施工过程，通过对溶洞隧道的处治 结构物变形进行现场监测和分析，评价处治结构安全可靠性。所得的数据和结论 可为隧道穿越大型溶洞提供设计和施工方面的借鉴和参考，对隧道施工和安全运 营有重要意义： 2 采用三维有限元软件( a n s y s ) 对白须公1 # 隧道的处治结构与隧道开挖的相 互作用进行了数值模拟，该方法能较好的模拟处治结构在隧道开挖过程中的作用。 通过对计算结果与实测数据进行比较，分析了开挖过程中隧道围岩及支护结构的 变形特征，对处治结构在溶洞隧道中的支护效果进行了评价； 3 以白须公1 # 隧道为背景，运用二维弹塑性分析研究了隧道顶部、底部、侧 正部和侧4 5 0 部有溶洞分布时，隧道围岩的变形特征；讨论溶洞在隧道不同位置、 不同大小、不同距离分布时对隧道围岩稳定性的影响，以及最先发生围岩不稳定 区域，对溶洞隧道提出一些施工建议； 4 通过现场测试和数值模拟方法分析了隧道开挖工程中处治结构的受力特 征，对溶洞处治结构的设计与施工进行了探讨，在总结现有设计经验的基础上提 出一些设计与施工建议。 关键词：溶洞隧道；公路隧道；围岩变形；处治结构；现场测试；数值模拟 a b s t r a c t p i l e p i l ec a p o n e w a l ls u p p o r tw a l l 一c o n n e c t i o nb e 锄a n dp i l e p i l ec a p t w o - w a u g u p p o r tw a l lo ft r e a t m e n tm o d e ，w h i c hp l a y s 孤i m p o r t 叩tr o l e i nk a r s tt l l 皿e l e x c a v a t i o n s t a b i l i t ys t l l d y o nt r e a t m e n ts t n l c t u r e 触ds u r r o u n d l n gr o c k1 nt u n n e l e x c a v a t i o n 。w h i c hw a sb e e na sr e s e a r c h e do b j e c ti nt h i sp a p e r ，t h ed e f o m a t i o no f t r e a t m e n ts t l l l c t u r ea n ds u r r o u n d i n gr o c kw e r et e s t e db yi n s t a l l a t i o no fas e 五o u so f g a u g e s a c c o r d i n g t ot h eo n s i t et e s t i n gr e s u l t st oa i l a l y s et h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft r e a t m e n ts t m c n l r ei nt u n n e le x c a v a t i o n ，at h r e e d i m e n s i o ne l e m e n ts o r w a r e ( a n s y s ) w a su t i l i z e dt os i m u l a t et h em ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt r e a t m e n ts t n l c n l r ea n d 咖n e l e x c a v a t i o n ，t h ed i s p l a c e m e n t a n ds t r e s sa n a l y s i so ft r e a t m e n ts t m c t u r e l nt u n n e i e x c a v a t i o n s o m ea d v i c ea b o u tt r e a t m e n ts t r u c t u r ed e s i g na n dc o n s t m c t i o nw e r ep u t f o 邢a r db ya n a l y z i n gt h ef i e l d t e s tr e s u l t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sa 1 1 dn u m e n c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h i sp a p e ra sf 0 1 l o w s ： 1 a c c o r d i n gt oab i gk a r s tc a v ei nh i g h w a yt u n n e le n g i n e e r i n go fq i n g 。l i a n e x p r e s s w a yi nb a i x | u g o n g ，b ys i t em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g t h ed e f 0 衄a t i o no f t r e a t m e n ts t m c t u r eb yk a r s tc a v ei nh i 曲w a yt u l l n e l ，e v a l u a t i o no fs a f e t yr e l i a b i l i t yo f t r e a t m e n ts t r u c t l l r e t h em o n i t o r i n gd a t ea n dt h ee x p e r i e n c e sc a nb ef o rr e f e r e n c ei n d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nf o rt h et u l l n e lc r o s s i n gab i g k a r s tc a v e ，i ti sg r e a ts l g n l t l c a n c e t ot u n n e le n g i n e e r i n ga n dt h es a f e t yo p e r a t i o n 2 at h r e e d i m e n s i o ne l e m e n ts o r w a r e ( a n s y s ) w a se m p l o y e d t os i m u l a t et h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt u n n e le x c a v a t i o na n dt r e a t m e n ts t r u c t u r ei nb a i x u g o n gt l l l l n e lo f n u m b e r1 ，t h em e t h o di sa b l et op r o v i d eab e t t e rs i m u l a t i o nt ot r e a t m e n ts t n l c t l l r el n t u n n e le x c a v a t i o n a c c o r d i n gt oa n a l y s i so fc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n d m e a s u r e dd a t a ，t h e d e f b m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r ts t r u c t l l r e sw e r ea n a l y z e d a n dt h ep r e s u p p o r te f - f e c to ft r e a t m e n ts t r u c t u r ei nk a r s t t u n n e l sw a se v a l u a t e d 3 b a s e do nt h ee x c a v a t i o no fb a i x u g o n gt u n n e l ，an u m e r i c a la n a l y s i sc o n c e m i n g t h ei n n u e n c eo fk a r s tc a v e si nt h et o p 、a tt h eb o t t o m 、i n1 a t e “a 1p o s i t i v ea n d i nl a t r e r r a l 4 5 o o ft u n n e lo nd e o n n a t i o nf e a t u r e so ft h es u r r o u n d i n g r o c km a s s e sl sc a r r l e do u tb y u s i n gt w o d i m e n s i o ne l e m e n ts o f t w a r e( a n s y s ) ； t h ed i s c u s s i o no fk a r s tc a v e so f d i f f e r e n tp o s i t i o n 、d i f l f e r e n ts i z e sa n dd i f i f 打e n td i s t a n c eo ft u n n e lo ns t a l b i l i t yo ft h e s u r r o u n d i n gr o c k ， a n di n i t i a la p p e a r a n c eu n s t a i b l er e g i o ni ns u r r o u n d l n gr o c k ，s o m e a d v i c ea b o u tk a r s tt u n n e lc o n s t r u c t i o nw e r ep u tf 1 0 r w a r d ； 4t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r e a t m e n ts t r u c t u r ek a r s tt u n n e le x c a v a t i o n w a sa n a l y z e db yf i e l dt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o na b o u t t r e a t m e n ts t r u c t u r ew e r ed i s c u s s e d s o m ea d v i c ea b o u td e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t r e a t m e n ts t m c t u r ew e r ep u tf 0 刑a r db a s eo ns u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n ge x p e r i e n c e s k e yw o r d s ： k a r s tt u n n e l ； h i g h w a yt u n n e l ；s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n ； 7 r r e a t m e n ts t r u c t u r e ； f i e l d - t e s t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名鹚1 隰下5 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 岑们) 日期：节蚰加 蹶可年月夕日 1 1 隧道岩溶灾害 第一章绪论弟一早瑁了匕 ，岩溶( 又称喀斯特，k a r s t ) 是山区隧道和矿山巷道等工程建设中常见的地质 灾害之一。世界上许多国家每年都有因不同程度的隧道或矿山巷道岩溶灾害而造 成巨大经济损失。仅以美国为例，至少有2 0 个州，尤其是东部各州隧道岩溶危害 比较严重。此外，在南非每年仅隧道岩溶灾害死亡的人数就多达十几人之多，造 成了巨大的生命和财产损失。 我国是岩溶分布最广的国家，岩溶现象遍及多个省、自治区、直辖市，由于 地面水和地下水的溶蚀作用，发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给工程建 设带来一定的复杂性。随着我国经济的快速发展，越来越多的工程兴建在岩溶地 区，在施工过程中经常会遇到各种地质灾害，常见的隧道地质灾害有断层破碎带、 岩性不整合接触带、软岩、岩溶洞穴、岩溶陷落柱、各种矿产采空区、岩爆及地 下水等n 。，。 岩溶地区生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生，而岩溶对隧道的危害主 要表现在如下几个方面： ( 1 ) 地下洞体的存在使隧洞部分悬空，隧道底部溶洞充填物厚度大且松软或暗 河水流给隧道基底处理造成困难： ( 2 ) 隧道顶部溶隙与地面漏斗、落水洞相连通，贯通坍塌可上延至地面： ( 3 ) 隧洞切穿岩溶有压管流通道或暗河出现突水，涌水将洞内堆积物携出造成 突泥： ( 4 ) 洞顶坍塌、地面开裂下沉山体应力增大，侧墙因土、水压力的改变影响隧 洞稳定： ( 5 ) 腐蚀性岩溶水腐蚀隧道结构。 同时，由于隧道是在岩体中开挖的，岩体是经受过变形和破环的地质体的一 部分，是技术学科中最复杂、最难理解的一种材料。以经验判断为主的初步设计 是不可能完全适用于实际工程施工的，其设计的正确与否要看初勘地质与实际的 符合程度，只有在工程实践中才能得到印证。量测技术及信息反馈技术的发展， 使得通过施工中对围岩一支护体系的变形和受力进行量测，再将量测信息反馈于 实际施工中得以实现，在此基础上形成了利用量测信息指导隧道施工的信息化施 工技术。 岩溶隧道地质灾害的发生，除可能造成重大人员伤亡外，施工期往往造成洞 内隧道、施工机具和运输轨道被掩埋或淹没，施工中断，工期延误，洞外则因洞 内岩溶涌水、涌泥、涌砂造成地表塌陷和地表水源枯竭，进而引发地表生态环境 灾害：运营期会造成掩埋或淹没隧道，中断行车。 岩溶洞穴对隧道围岩稳定性的影响，取决于洞穴的规模、充填物性状、含水 程度、洞穴走向与隧道轴向之间的关系、洞穴与隧道的距离。岩溶洞穴的存在状 态及其对隧道围岩稳定性的影响有以下几个方面： ( 1 ) 隧洞周围存在隐伏溶洞，在施工阶段可能不会对施工产生影响，但对隧洞 围岩的稳定性和运行期的稳定性会有不同程度的影响，如运营期隧道底板塌陷， 雨季大暴雨造成岩溶涌水、涌泥、泥石流或围岩坍塌等灾害： ( 2 ) 隧洞施工中遇到暗河、岩溶管道水和各种充填溶洞，特别是充填砂、淤泥 的溶洞，不仅会影响隧洞的稳定，而且由于大量涌水、涌泥、泥石流，对施工造 成威胁和人民生命财产的巨大浪费。充填溶洞对隧道施工与运营的影响，取决于 岩溶充填物的性质和隧道涌水量的大小： ( 3 ) 隧道开挖中遇到大岩溶洞穴，但无充填物和地下水，对地下洞室稳定性的 影响相对比较小，其影响程度，取决于洞穴的规模、溶洞周围岩体的稳定性和岩 体的质量及其与隧道的位置关系、隧道断面尺寸、隧道施工技术等众多因素。 在隧道未开挖之前，地层中大洞穴周围的岩体由于没有受到侵蚀而残留下来。 因此，多数洞穴是稳定的。如果岩溶洞穴临近隧道洞室周边存在，则隧道的设计 与施工都要考虑岩溶洞穴对隧道施工和运营的影响。 1 2 岩溶隧道研究的意义和本文研究对象 岩溶隧道工程安全监测具有连续性，分为前期、施工期和运行期监测。前期 监测主要是利用勘探平洞或原位模型试洞，对岩体位移、应力和声波的量测，以 及研究岩体力学参数，建立计算模型：施工期监测是随着施工进展，对岩溶围岩和 支护进行的位移、应力、应变、裂缝等监测，并及时反馈，以保证施工安全和修 改设计、指导施工并为运行期监测积累前期资料；运行期监测是对溶洞围岩及支护 进行现场监测，保证结构物的长期稳定、检验设计。施工期间的反馈分析，对监 控隧道安全以及降低工程造价等方面有显著作用。 岩溶地区各类的地质灾害在隧道施工中已造成大量的事故，严重地影响和阻 碍了隧道的正常施工，不仅极大地妨碍了施工进展，引起隧道施工困难，并导致 工期延误和费用增加，而且还给隧道开挖和运营安全造成严重威胁。岩溶稳定问 题已成为工程建设中的突出问题，要顺利地进行工程建设，就必须解决岩溶对工 程的影响及工程诱发的地质灾害问题。对于岩溶地区隧道技术的研究，国内仅有 少数学者对岩溶地区隧道的施工工艺和处治方法进行过探讨啼。，。因此，加强岩溶 隧道围岩稳定性分析，采取合理、经济的处理措施，有着重大的技术价值和经济 意义。 2 通过对岩溶隧道的研究，分析公路隧道穿越大型溶洞的处治结构物和隧道围 岩稳定性情况和岩溶的大小、远近和分布位置的不同，对隧道围岩稳定性的影响 程度，并结合现场的量测技术为隧道的设计和施工提供理论上的依据。 1 3 岩溶对隧道影响的研究现状及发展 国内外岩溶分布广泛，岩溶灾害研究最早开始于1 9 3 3 年的前苏联，当时，由 舍维亚科夫院士发起召开了第一届全苏k a r s t 会议，标志着岩溶问题相关研究的 开端，。1 9 7 3 年在德国首次举行了主题为“与可溶岩有关的工程地质问题 的国 际讨论会，之后，有关岩溶灾害的研究迅速发展起来。当前，随着环境岩土工程 和地质灾害研究的深入，岩溶问题研究有了长足的发展。 随着岩溶区隧道建设的发展，溶洞对隧道影响特征的研究逐渐得到关注。任 美锷、刘振中( 1 9 8 3 ) ，认为，岩溶对隧道工程的危害主要表现为隧道突然涌水；隧 道遇地下洞穴时的悬空；隧道顶部溶洞充填物的塌陷以及隧道基底洞穴顶板塌陷 等问题。铁道部第二勘测设计院科学技术研究所鲍鹤龄( 1 9 8 3 ) n 们介绍了我国西南、 中南岩溶地区铁路隧道建设中溶洞引起的隧道失稳和隧道岩溶灾害典型案例。邹 成杰( 1 9 9 1 ，1 9 9 4 ) n “2 ，以鲁布革水电站为依托工程，分析了不同洞径的圆形隐伏 溶洞对隧道位移的影响。认为，近水平向溶洞对隧道周边位移的影响最为不利。 张德和( 1 9 9 9 ) n ，认为，隧道开挖遇到大型溶洞，溶洞内有堆积物时，且堆积物分 布在隧道顶部时防止顶部巨石下坍危险。底部时，确保底部深处水流通路，把穿 越部分作为特别段进行支护与衬砌设计。隧道穿越溶洞堆积物应考虑地表“漏斗 水下来后，可能造成的隧道突发性外荷力。邓云龙、郭福臣( 2 0 0 0 ) n 钉认为，岩溶 隧道关键问题是要控制住围岩的变形，设置支护结构，以支护结构的抗力来制止变 形。齐传生( 2 0 0 0 ) ns ，认为，隧道穿越的岩溶破碎体，破碎体宜固不宜清，清方难 以清净，而且施工中极易发生坍塌，危及施工安全。李彪、梁富清( 2 0 0 0 ) n 引结合 京珠高速公路石门坳隧道的施工，认为隧道周边溶洞将使得隧道围岩变形增加， 造成隧道因变形过大而失稳；且由于溶洞的出现，隧道开挖中易出现局部坍塌、 掉块和落石，危及施工人员和设备安全。张延( 2 0 0 1 ) n ”以内昆铁路、南昆铁路部 分典型隧道溶洞为例，总结了岩溶对隧道工程的影响主要是洞害、水害、洞穴充 填物及坍塌、洞顶地表塌陷4 个方面。徐林生、李永林( 2 0 0 2 ) n 耵研究岩溶地区公 路隧道涌水涌泥砂及其伴生灾害，认为岩溶型涌水涌泥砂引起围岩变形破裂。李 治国( 2 0 0 2 ) n 认为，岩溶是隧道施工中经常遇到的一种地质现象，它容易导致开挖 面涌水、突泥，围岩及支护结构变形、开裂、坍塌，危及施工安全，破坏周围环境。 王爱武( 2 0 0 3 ) 他们认为，充填在溶洞内的岩溶水以泄放形成涌水，造成地表水土流失 溶洞内，填充物随岩溶水涌入隧道，改变周边围岩的应力分布，影响隧道的稳定，甚 至造成地表开裂下沉。赵明阶、吴梦军( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 他”以朝东岩隧道为工程背景， 采用模型试验和数值模拟方法研究了底部、水平和顶部溶洞对隧道围岩位移和应 力的影响。王鹰、陈强( 2 0 0 4 ) 陋 结合渝怀铁路圆梁山隧道涌水实例，运用地球化学 和断裂力学有关理论分析岩溶区深埋隧道的水岩相互作用机理，探讨水岩相互作 用对岩溶地区隧道施工发生涌水、突泥的影响。何发亮、陈成宗( 2 0 0 4 ) 瞌盯对我国 岩溶地区2 6 座( 截至1 9 9 8 年底) 铁路长隧道岩溶灾害的调查表明，溶洞引起的 隧道围岩大变形和支护结构破坏是岩溶隧道的主要灾害之一；张小华、刘清文 ( 2 0 0 5 ) n 结合渝怀铁路武隆隧道在施工中揭穿的几条特大暗河，指出突水、突泥 是隧道穿越暗河段的主要地质灾害。史世雍、梅世龙( 2 0 0 5 ) n z ，等采用数值方法分 析了不同尺度顶部溶洞对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响。对于不同位置、规 模溶洞对隧道支护结构受力性态的影响。刘招伟、何满潮( 2 0 0 6 ) b 钉通过对各类地 质模式下岩溶突水过程的分析，揭示了隧道岩溶突水是受水压、岩溶充填物与隧 道围岩塑性区范围等影响的渐进破坏过程，得出不同的地质模式，产生岩溶突水 的临界距离和关键部位不同。李学东、程久胜( 2 0 0 7 ) m ，结合朱家岩隧道穿越溶蚀 大厅，围岩临空面大，且顶部岩体在爆破开挖时易松动甚至在自重作用下易向下 坍落，普通的复合式衬砌结构无法形成有效的承载环。王国斌、晏鄂川( 2 0 0 8 ) 眦， 以沪蓉高速公路乌池坝隧道为工程背景，对乌池坝隧道岩溶的发育特征和涌水条 件进行了系统研究，总结了隧道岩溶突水机理。 岩溶隧道施工常常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水 量不同的溶洞，这些溶洞的存在对隧道施工和围岩的稳定性产生不同程度的影响， 不同位置、不同大小的溶洞对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响程度是各不相同 的。在隧道未开挖之前，地层中大洞穴周围的岩体由于没有受到侵蚀而残留下来， 因此，多数洞穴是稳定的。如果岩溶洞穴临近隧道洞室周边存在，则隧道的设计 与施工都要考虑岩溶洞穴对隧道施工和运营的影响，则隧道的设计与施工必须要 考虑因此而造成的塌方现象。在隧道未开挖到溶洞影响范围内时，在周围岩体的 约束条件下，溶洞与隧道间岩层处于稳定状态。隧道的开挖使得隧道与溶洞间岩 层的位移约束消失，在开挖扰动等诸多因素的影响下，隧道与溶洞间岩层将可能 发生破坏，造成隧道事故。由分析隧道开挖导致岩层中受力状态变化入手分析产 生隧道顶、底板岩柱的破坏机理。此时，隧道施工对隧道与溶洞间岩层的影响分 析如下： ( 1 ) 隧道开挖后，隧道与溶洞间岩层的厚度减小，开挖使得岩层的位移约束消 失，打破了岩层原来的平衡状态，导致岩层刚度减小，柔度增加。因此，岩层的 受力状态将发生变化，在岩层重力作用下，当溶洞位于隧道顶部时，在岩层临隧 道一侧将出现拉应力，而临溶洞一侧将出现较大压应力；当溶洞位于隧道底部时， 在岩层临溶洞一侧将出现拉应力，而临隧道一侧将现较大的压应力。此时，如岩 层中的拉应力超过岩体的抗拉强度，岩柱将发生破坏，引起隧道顶、底板坍塌。 4 ( 2 ) 对含水溶洞，隧道周边岩体处于饱水状态。隧道开挖改变了岩体的水文地 质条件，岩层浮托力减小，容重增加。此时，岩溶水将向隧道方向汇集，隧道与 溶洞间节理岩体中渗透压力将随之变化：在水对节理壁面的楔劈作用、节理中隙壁 结合水膜的润滑作用、水的物理化学潜蚀作用、溶蚀作用和水解作用等的作用下， 隧道与溶洞间岩层结构将发生破坏并导致岩体强度降低。且当压力水头增加时， 裂隙中含水量将随之增加，岩层的抗剪强度也将随之降低。在增加荷载和其他因 素联合作用下，超过岩层稳定条件时，溶洞与隧道间岩层将失稳并引发隧道坍塌 事故。 ( 3 ) 开挖扰动尤其是爆破振动等的影响。一方面，振动冲击波使岩体产生松动， 扩大地下水的径流通道，潜蚀作用加强。另一方面，振动将引起地下岩溶管道中 地下水或被封闭的气体产生瞬时高压。振动冲击波形成的强大水击效应，高压水 气流沿岩溶管道裂隙系统传递，并向周围岩体挤压扩散，导致隧道顶、底板产生 剪切破坏。 ( 4 ) 施工人员和机械所产生的附加荷载影响。对于底部溶洞而言，施工机械和 人员将使岩层受到较大的附加外荷载。在以上诸因素的影响下，在隧道施工过程 中，隧道底部岩层原有平衡状态受到破坏，易造成隧道底板垮塌事故，给隧道施 工造成严重影响。 1 4 岩溶隧道稳定性影响研究方法的发展现状 岩溶隧道围岩稳定是隧道安全运行的基本条件，如何维持隧道围岩稳定是岩 溶隧道工程中最基本的问题之一，隧道围岩稳定性是一个力学问题，因此力学理 论在围岩稳定性研究中一直发挥着主导作用。目前围岩稳定性的研究方法可归纳 为解析法、数值模拟法、物理模拟法和现场试验方法。 1 4 1 解析法 当前溶洞对隧道稳定性的影响，主要研究因溶洞而导致的围岩应力、位移的 变化特点。对围岩应力和位移的分析，早期主要是利用精确数学解。在围岩稳定 分析时，经常采用复变函数法对围岩应力与变形进行计算，并能得出弹性解析解， 这种方法较适用于规则的圆形断面，能得出较精确的解，且参数也容易确定，当 是非圆形时，就需要进行保角变换，把复杂形状的边界变换为简单形状的边界( 通 常是圆形) 来进行求解。目前解析法分析围岩应力和变形多局限于深埋地下工程， 对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困 难n ”1 ，特别是当岩体的应力一应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力应 变曲线的峰后段刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适宜了，另外，对实际工 程中经常遇到的多孔、不均质及各向异性等问题，现今的解析方法几乎是无法解 决的，只能借助数值法来求解。该方法无法考虑隧道的开挖效应和支护过程，对 于具体工程围岩的位移、应力、失稳机理等问题难以给出合理的解答。 1 4 2 数值分析方法 随着电子计算机的发展、数值模拟方法在隧道围岩稳定性分析中的应用愈来 愈广泛。有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出发展至今，是目前使用最广泛的一种数 值方法，用以求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题b 。删，其优点是部分考 虑了地下结构岩体的非均质和不连续性， 可以给出岩体的应力、变形大小和分布， 对具有该特征的介质有良好的适应性， 并可近似地依据应力、应变规律去分析 地下结构的变形破坏机制“”。在模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面时， 考虑了其非连续性，并按结构面的特征采用不同的处理方法”，有限元法的应用 是否真正有效，主要取决于二个条件：一是对地质变化的准确了解，如岩体深部 岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等；二是对介质物 性的深入了解，即岩体的各个组成部分在复杂应力及其不断变化的作用下的变形 特性、强度特性及破坏规律等m ，。到目前为止，人们也仅是把数值分析作为一种 计算工具，对具体的工程进行分析。当前，溶洞对隧道稳定性的分析也主要采用 数值分析方法进行。 1 4 3 物理模拟方法 物理模拟方法又称模型试验，是研究隧道围岩稳定性的另一种重要方法。它 是根据相似理论，选择相似材料来建造比例模型，通过一定比例的相似模型试验 来解决隧道建设中围岩、衬砌结构的受力和变形问题。物理模型由于是真实的物 理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能全面、直观地反映隧道建立过程 中围岩支护体系各方面的变化和影响。一方面可以与数学模型相互验证，另一方 面也为发现一些新的力学现象和规律，为建立新的计算理论和数学模型提供重要 的依据。与有限元方法相比较，模型试验的优势是能更合理的模拟和再现围岩破 坏过程h ”。 1 4 4 现场试验方法 与围岩稳定性研究相关的现场试验方法涵盖了较多的内容，包括地应力测试、 围岩力学性质试验、岩体结构参数测量、围岩稳定观测等。现场试验结果是真实 客观的，能反映客观规律，这是其他研究方法所不能替代的，可以对各种研究方 法所取得的结论进行验证”。 1 5 本文研究的主要内容 溶洞隧道采用桩一承台一单边支撑墙一联系梁的组合结构( 也称为半幅桥半幅隧 道) 的处置方式，以及隧道全幅从溶洞内穿过，采用桩一承台一两边支撑墙的组合 6 结构( 也称为桥梁处理方案) 的处置方式，在该隧道施工开挖中发挥着重要作用。 但对于公路隧道穿越大溶洞的围岩稳定性研究和溶洞处治结构的安全可靠性研究 比较少。本文监控量测隧道开挖过程中对处治结构、溶洞项板和隧道支护结构稳 定性的影响，重点对隧道施工过程进行围岩变形和支护应力的监测和研究。还对 不同洞径的顶部隐伏溶洞、底部隐伏溶洞、水平隐伏溶洞和侧边隐伏溶洞在距隧 道不同位置时对隧道围岩特征点位移、应力的影响进行了的数值分析。本文论文 的主要研究工作如下： ( 1 ) 以依托清连高速公白须公l # 隧道，在溶洞段对处治结构变形进行了监测， 根据现场测试结果分析了处治结构在隧道开挖过程中的受力特性，监控量测处治 施工对溶洞和隧道稳定性的影响，并对溶洞段的隧道施工过程进行围岩变形和支 护应力的监测和研究。 ( 2 ) 对隧道用桩一承台一单边支撑墙的处置方式，采用有限元软件( a n s y s ) 对白 须公1 # 隧道的处治结构与隧道开挖的相互作用进行了三维数值模拟，对隧道穿越 大溶洞开挖施工中，处治结构物和隧道围岩稳定性的影响进行研究。 ( 3 ) 针对岩溶隧道建设中常见中、小溶洞引起的隧道稳定性问题，对周边存在 有溶洞的隧道进行如下分析：溶洞分布位置对隧道的影响，溶洞大小对隧道的影 响与溶洞距离隧道远近对隧道的影响。通过计算分析，得出溶洞大小和分布位置 不同时，总结公路隧道围岩稳定性与溶洞大小和分布位置关系的一些规律。 ( 4 ) 通过现场测试和数值模拟方法分析了隧道开挖工程中处治结构的受力特 征，对溶洞处治结构的设计与施工进行了探讨，在总结现有设计经验的基础上提 出一些设计与施工建议。 7 第二章岩溶隧道现场量测试验 以白须公1 # 隧道作为依托工程并进行现场试验，该隧道位于清连一级公路升 级改造( 高速) 公路b 4 标段，隧道围岩划分为三级，该隧道设计围岩起讫桩号 k 2 1 7 8 + 0 1 5 k 2 1 7 8 + 4 2 5 ，长度4 1 0 米，围岩级别：v 级5 0 米、级8 5 米、级 2 7 5 米。分别占总长度1 2 1 9 、2 0 7 3 、6 7 0 8 ，溶洞段为级围岩。其中 隧道路面基底k 2 1 7 8 + 0 7 4 k 2 1 7 8 + 1 4 0 段位于洞穴内，隧道采用新奥法进行施工。 2 1 依托工程简介 2 1 1 工程概况 白须公1 # 隧道位于广东省北部山岭重丘区腹地，2 0 0 7 年5 月1 3 日，隧道从 进口端按正台阶法开始施工，上台阶掘进到k 2 1 7 8 + 0 7 4 时，在隧道上半断面左侧 发现溶洞。溶洞洞腔最高约4 6 米，宽约5 0 米，长约7 0 米，隧道埋深4 0 7 0 m ， 在k 2 1 7 8 + 1 1 0 k 2 1 7 8 + 1 3 0 段横穿隧道，对隧道的影响约至k 2 1 7 8 + 1 7 0 ，发现溶洞 后继续向前开挖至掌子面k 2 1 7 8 + 0 8 1 ，停止掘进。溶洞周壁潮湿，未见流水，底部 有泥质填充物夹孤石，隧道边墙区域淤泥最深约2 5 m 。 白须公1 # 隧道溶洞的发育范围和隧道之间是平面位置关系。由于该溶洞跨度 大，高度极高，隧道开挖后围岩变形对溶洞的稳定性影响较大，极有可能诱发溶 洞及地表塌方，造成隧道无法正常穿过，危及施工人员及设备的安全。 隧道在k 2 1 7 8 + 0 7 4 1 3 4 段隧道左侧临空，并在k 2 1 7 8 + 1 1 2 1 3 4 段横穿隧道。 于是k 2 1 7 8 + 0 7 4 1 3 4 段隧道左侧采用桩、台、墙组合结构，承力墙修筑到与溶洞 顶相接；k 2 1 7 8 + 0 8 4 1 1 2 段隧道基础设置全幅隧道的六片横向联系梁与承台连接 ( 间距3 5 m ，宽1 5 m ) ，k 2 1 7 8 + 1 1 2 1 3 4 段隧道的基础采用3 排或4 排桩基础通过， 溶洞横穿隧道段施工时设置临时支撑墙。图2 1 白须公1 # 隧道k 2 1 7 8 + 0 7 4 k 2 1 7 8 + 1 7 5 段溶洞平面图。 一 、 ) 五随 i 历严；丹氐、 k 一缀 q 咿吣叭 p 幽 j z 正l 理d 国一国一国一 一 一孕一j一一一一- - 积n 旷一一一一 捌毛 o 5 5 ) ，其截面强度应按下 式计算： 船怩o 5 咒6 瑶+ 毽4 ( 一口) ( 2 3 ) 当轴向力作用于钢筋4 的重心与钢筋彳。的重心之间时，尚应符合下列要求： 删匆o 5 兄螈+ 4 ( j i i ；d 一口) ( 2 4 ) 根据白须公1 撑隧道的实际情况，6 取单位宽度，即6 = 1 o m ；截面高度 = o 5 m ； 纵向2 2 主筋的间距为2 0 c m ，单位宽度内钢筋的面积4 ，4 为o 0 0 1 9 m 2 ；保护层 厚度口，口取0 0 5 m ；截面有效高度= 一口= 0 4 5 朋；c 2 5 混凝土的弯曲抗压极限 强度砖为2 4 2m p a ；抗压极限强度疋为1 9 o m p a ；钢筋的计算强度恐为3 6 0 m p a ， 根据2 0 0 8 年1 1 月1 4 日各测点的轴力， 各位置轴力值为：左拱脚( 2 0 6 5 k n ) 、左拱腰( 2 6 5 5k n ) 、拱顶( 7 8 1 7 5k n ) 、 右拱腰( 8 2 6k n ) 和右拱脚( 5 7 5 2 5k n ) 。按小偏心受压计算出各点的安全系数： 左拱脚( 5 3 2 ) 、左拱腰( 4 1 4 ) 、拱顶( 1 4 1 ) 、右拱腰( 1 3 3 ) 和右拱脚( 1 9 1 ) 。 同时规范还规定，当按上述公式验算构件截面强度时，应根据不同的荷载组 合，分别采用不同的安全系数，并不应小于表2 2 中的数值，当验算施工阶段的强 度时，安全系数可采用表2 2 中“永久荷载+ 基本可变荷载+ 其他可变荷载栏内 的数值。 表2 2钢筋混凝土结构的强度安全系数 = 淤三 永久荷载+ 基本可边荷载 永久荷载+ 基本可边荷载+ 其 破坏原因、 他可变荷载 钢筋达到计算强度或混凝土 2 o1 7 达到抗压或抗剪极限强度 混凝土达到抗拉极限强度 2 42 o 二次衬砌各测点的最小安全系数均为1 3 3 ，均大于规范规定的限值2 o ，说明 白须公l 群隧道二次衬砌受力是安全的。 2 4 本章小结 本章对白须公隧道进行了详细的现场测试，得到了隧道开挖对处治结构桩基 础变形、承力墙压力、承台基础沉降、横向联系梁的影响；对隧道地质与支护状 况、拱顶下沉、周边收敛、围岩变形和锚杆拉力、初期支护钢支撑变形、二次衬 砌变形进行了监测，得到了以下几点结论： ( 1 ) 隧道半幅从溶洞内穿过，采用桩一承台一单边支撑墙一联系梁的组合结构 ( 也称为半幅桥半幅隧道) 的处置方式和隧道全幅从溶洞内穿过，采用桩一承台一 两边支撑墙的组合结构( 也称为桥梁处理方案) 的处置方式是稳定可靠的，顺利 2 7 保证了隧道施工期间的安全，同时为隧道运营期安全提供了保障。 ( 2 ) 在该隧道中，初期支护与二次衬砌压力和二次衬砌内力均出现在隧道左 拱腰处，是处治结构与初期支护左拱的连接部位，在隧道施工中应加强该位置的 施工质量，保证拱架连接质量。 ( 3 ) 隧道老虎嘴段围岩比较破碎，围岩裂隙也比较发育，开挖中有掉块现象， 施工中加强锚杆对围岩的连接作用。 ( 4 ) 由于特大溶洞的稳定与很多因素有关，不仅地质结构、地应力、岩石力 学性质、地下水、工程因素等会对其产生影响。在进行现场监控量测工作时应密 切注意各种监控信息的变化，及时进行分析研究找出其内在原因，以便于及时发 现问题和解决问题，以免造成重大安全事故。 第三章溶洞隧道开挖相互作用的数值模拟 3 1a n s y s 软件简介 2 0 世纪6 0 年代，随着计算机技术的发展和岩土本构关系的建立，隧道及地 下工程结构的设计分析进入了以有限元法为主的计算机数值模拟分析时期。大型 通用有限元设计软件a n s y s 可用于地下工程结构设计中的力学分析，即对隧道及 地下工程结构在修建过程中可靠性做出评价，实现“三维有限元法对地下工程 修建全过程的仿真分析。 a n s y s 的使用建模计算过程主要分为前处理、求解和后处理三个过程： ( 1 ) 前处理 根据模型结构特性和具体情况，从实体建模和直接建模两种方式中选择建 模方法。利用工作平面来辅助建模，以提高模型的精确性。 设计建模方案、生成实体。根据分析目标，决定模型的基本形状，选择适 当的单元类型，并考虑合适的网格密度。利用几何图素、布尔运算按自底向上( 点 线一面体) 生成实体模型。 定义单元属性。生成单元属性表，对实体模型定义单元属性。 划分网格生成单元。设置网格参数，确定划分网格的密度，对实体模型进 行网格划分，生成结点和单元。 施加荷载及约束条件。 ( 2 ) 求解计算：根据所分析问题的类型选择合适的求解类型及进行求解选项的 设定。 ( 3 ) 后处理：数值计算完成后，从求解计算结果中读取数据，对计算结果进行各 种图形化显示，对计算结果进行列表显示及各种后续分析。 3 2 溶洞隧道施工过程的模拟 3 2 1 围岩弹塑性分析所采用的本构关系 d r u c k e r p r a g e r 屈服准则在m o h r c o u l o m b 屈服准则和m i s e s 屈服准则基础上 推广而得 该屈服准则的控制方程为 = 础+ 以一七= o ( 3 1 ) 其中，= 瓯= 4 + 疋+ 喀= 哦+ 万，+ 皖，为应力第一不变量； 以= 三岛墨2 吉 ( 磊一疋) 2 + ( 最一戈) 2 + ( 嗔一磊) 2 为应力偏量第二不变量；磊为最大主应 力、暖为中间应力、最为最小主应力；q ，k 为仅与岩石内摩擦角巾和粘结力c 有关的 实验常数： 2 s i i l 口 口= 芦_ 二一 3 ( 3 一如力 ( 3 2 ) ，o c c o s 矽 厅= f o 3 ( 3 一s i n 9 ) 采用此屈服准则，可以得到稳定性分析计算破坏接近度的概念。其数学表达式为： 刁= 砑甚鞠 刁表示研究对象接近破坏的程度，即破坏接近度。刁 l ，说明未破坏，刁1 则已经屈服。 d r u c k e r p r a g e r 屈服准则即考虑了中间主应力的影响，又考虑静水压力的作 用。岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大 于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的m i s e s 屈服准则不适合于 这类材料。在土力学中，常用的屈服准有m o h r c o u l o m b 等准则。另一个能更准确 描述这类材料的强度准则为d m c k e r p r a g e r 屈服准则，d m c k e 卜p r a g e r 屈服准则是 对m o h r c o u l o m b 准则的近似，用以修正v o n m i s e s 屈服准则，即在v b n m i s e s 表达 示中包含一个附加项。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关 流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而 其屈服强度随着侧限压力( 静水压力) 的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想 弹塑性：另外，此种材料考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影 响。 使用d m c k e r p r a g e r 屈服准则的材料简称为d p 材料。在岩石、土壤的有限元 分析中，采用d p 材料可得到较为精确的结果。 3 2 2 计算模型的建立 计算模型选取溶洞段k 2 1 7 8 + 0 8 4 开始隧道横向长度( x 向) 为9 6 m 、竖直方向 ( y 向) 长度为8 3 m 、( z 向) 纵向长度为3 0 m ，选取隧道路面中点为坐标原点。隧 道围岩、桩基、承台和支撑墙采用六面体单元( b r i c ke l e m e n t ) 、初期支护采用壳体 单元( s h e l le l e m e n t ) 、计算模型及网格划分如图3 1 所示，整个模型共划分为5 7 8 9 1 个单元和6 3 13 6 个节点。 图3l 计算