充填型溶洞发育机理及其对隧道开挖稳定性的影响研究.pdf

第 卷第期唐山学院学报V o l N o 年 月J o u r n a l o fT a n g s h a nU n i v e r s i t yN o v 作者简介:袁铮(),女,河南郑州人,硕士研究生,研究方向为岩土工程.充填型溶洞发育机理及其对隧道开挖稳定性的影响研究袁铮(河南工业大学 土木工程学院,郑州 )摘要:以云南某隧道工程为研究背景,探究充填型溶洞的发育机理,通过建立有限元数值模型模拟隧道开挖过程,对比有、无充填型溶洞情况下围岩的位移变化和应力场特征.研究结果表明:()充填型溶洞的形成受水文气象、地层岩性、地形地貌、构造运动等因素影响;()在此工程地质条件下,充填型溶洞对隧道围岩的位移和应力场有影响,相较于拱顶和拱腰处的围岩,对拱底处围岩影响更大,拱底处围岩对隧道开挖也更为敏感;()隧道围岩的最大主应力呈现左右对称,拱顶、拱腰处的围岩以压应力为主,拱底处围岩以拉应力为主,拱脚部分出现应力集中现象.关键词:充填型溶洞;发育机理;隧道;围岩稳定性;数值模拟中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i t s x y x b S t u d yo nD e v e l o p m e n tM e c h a n i s mo fF i l l e dK a r s tC a v e sa n dI t s I n f l u e n c eo nS t a b i l i t yo fT u n n e lE x c a v a t i o nY U A NZ h e n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H e n a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ha c e r t a i n t u n n e l p r o j e c t i nY u n n a nP r o v i n c e a s t h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d,t h i sp a p e re x p l o r e s t h ed e v e l o p m e n tm e c h a n i s mo f f i l l e dk a r s tc a v e s I nt h es t u d y,af i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et u n n e le x c a v a t i o n,a n dt h ed i s p l a c e m e n tc h a n g e s a n ds t r e s s f i e l dc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k su n d e r t h e c o n d i t i o n s o f p r e s e n c eo ra b s e n c eo f f i l l e dk a r s t c a v e sa r ec o m p a r e d T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t:T h ef o r m a t i o no f f i l l e dk a r s t c a v e s i s a f f e c t e db y f a c t o r s s u c ha sh y d r o m e t e o r o l o g y,s t r a t i g r a p h y,t o p o g r a p h y,t e c t o n i cm o v e m e n t;U n d e rt h e s ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s,f i l l e dk a r s t c a v e sh a v ea n i m p a c to nt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s f i e l do f t h es u r r o u n d i n gr o c k so ft h e t u n n e l,a n d t h e i m p a c t i sg r e a t e ro n t h eb o t t o mr o c k s t h a no n t h e t h e r o c k s a t t h e t o po fa n da t t h ew a i s to f t h ea r c h,a n dt h eb o t t o mr o c k sa r ea l s om o r es e n s i t i v e t ot u n n e l e x c a v a t i o n T h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s so f t h e s u r r o u n d i n g r o c k so f t h e t u n n e l i s s y mm e t r i c a lb e t w e e nl e f t a n d r i g h t,w i t hc o m p r e s s i v e s t r e s sd o m i n a n t i n t h e s u r r o u n d i n g r o c k s a t t h e t o po f a n da t t h ew a i s to f t h ea r c h,a n dt e n s i l es t r e s sd o m i n a n t i nt h eb o t t o mr o c k s,a n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n ao c c u r sa t t h e f o o to f t h ea r c hK e y W o r d s:f i l l e dk a r s tc a v e;d e v e l o p m e n tm e c h a n i s m;t u n n e l;s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k s;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n唐山学院学报第 卷 引言我国岩溶分布广泛,岩溶区面积约占国土面积的三分之一.随着我国公路事业的迅猛发展,在岩溶区修建的隧道越来越多,而溶洞则是此类施工中普遍存在的安全隐患.因此,隧道施工中的溶洞问题引起了广泛关注,国内不少学者对其进行了深入研究.武兴亮等依托黔中水利枢纽一期工程,研究了溶洞的发育形态和特征,并根据K K 处溶洞的特点,提出了在隧道施工时采取桩基跨越的处理措施;罗文艺采用地质调查、物探、钻探、激光扫描等技术手段,查明了溶洞形态、堆积体特征等发育特征以及岩溶地表水和地下水的补给和排泄特征,并对隧道洞顶、洞壁的稳定性进行了评价;管鸿浩以某高速公路岩溶隧道为背景,结合工程实践,在隧道侧面存在充水溶洞的条件下,研究了围岩的位移及影响因素,得出了隧道开挖后隧道靠近溶洞侧的侧向水平位移远大于远离溶洞侧的水平位移等结论;常洲等利用F L A C D软件建立模型,研究了多种工况下隐伏充填型溶洞对隧道稳定性的影响,并提出了适用于峨汉高速的排水处治综合体系.现有的成果在充填型溶洞发育机理和对围岩影响等方面的研究还不够深入,因此,本研究依据云南某岩溶隧道的地勘报告等相关资料,剖析充填型溶洞的发育机理,并通过建立隧道开挖过程的有限元模型,分析充填型溶洞对围岩位移、应力场的影响,以期为类似的工程实践提供参考.研究区域概况本研究以云南某岩溶隧道工程作为背景.该工程为分离式隧道,总体轴线方向 ,左线隧道总长 m,隧道最大埋深约 m,右线 隧 道 总 长 m,隧 道 最 大 埋 深 约 m,图为隧道纵断面图.图隧道纵断面图 充填型溶洞的形成机理岩溶隧道所在区域的环境复杂,部分围岩级别较低且破碎、松散,很容易受到自然、人为的影响,尤其在水量充沛的季节,隧道开挖可能导致溶洞周围的隔水阻泥岩体结构倾覆,洞内的沉积物会瞬间涌入隧道,发生涌突水灾害,造成极大的财力、物力损失.因此,探究充填型溶洞的影响因素和演化过程十分必要.影响因素影响充填型溶洞发育和形成的因素错综复杂,与其所在地域的水文气象、地层岩性、地形地貌和构造运动息息相关.水文气象该隧道所在区域气候垂直分带特征明显,表现为高原性气候.相关资料显示,隧址区月平均气温最低在月(平均 )、最高在月(平 均 );年 平 均 降 雨 量 为 mm,降雨集中在月,蒸发量为 mm,月为汛期,降水对河水水位影响很大,流量与平时差距悬殊.隧址区内地质水源来自地表水和地下水,全线水系如图所示.地表水资源丰富,水系发育完善,路线经过的主要河流有马过河、新庄河等河流及其众多支流水系,并分布有良马水库等人工水利设施.该区域水位及流量受季节控制明显,雨季大量雨水会沿两侧坡体汇入溪流,水量变化较大.地下水包括松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水三种.其中,松散岩类孔隙水主要分布于隧址区大冲沟及支沟的沟谷地段第四系全新统冲洪积层(Qa t p l)的碎石类中,以潜水形式存在,少量孔隙水赋存于斜坡地段坡残积层(Ql e l)块、碎石以及粉质黏土等松第期袁铮:充填型溶洞发育机理及其对隧道开挖稳定性的影响研究散堆积层中,以大气降水补给为主,排泄于地形低洼处;基岩裂隙水主要赋存于岩体裂隙密集带、构造破碎带中,由于区域内岩体裂隙发育不均匀,所以区域内裂隙水不具有连通性,没有统一的地下水位;岩溶水主要分布于隧址区内泥盆系碳酸盐岩类可溶岩中,赋存于岩溶孔隙中,同时岩溶孔隙为其提供流通管道,管道内的水量较丰富.水文气象为岩溶发育提供了水文条件和有利的气候条件.图隧道全线水系图 地层岩性根据补充工程地质调绘及钻探揭露可知,该隧道区段内岩性分布复杂,上覆地层为第四系更新统坡积(Q p d l)粉质黏土、碎石.其中,粉质黏土厚度不均匀,承载力较低,主要分布于进出口斜坡地段;碎石呈棱角状,且比较破碎,分布于隧址区较浅部.下伏基岩主要由下元古界会理群(P t l)片麻岩、混合岩,震旦系观音崖组(Z b g)泥岩、砂岩、泥质砂岩,震旦系灯影组(Z b d)白 云 岩、白 云 质 灰 岩,早 元 古 代 晚 期()石英闪长岩等组成,这些岩石岩质较软、岩体较破碎、节理裂隙发育.隧址区内多为碳酸盐岩类地质,岩体矿物组成和化学成分的特殊性,导致其本身的自稳能力差,且容易被水溶蚀,这为充填型溶洞的发育提供了基础条件.地形地貌隧道修建路线位于滇西北部山区,地处云贵高原西缘与横断山系相接区域,域内河谷平原、峡谷、山地和山间盆地相互交错,自然地表崎岖不平.沿线区域地势西北高、东南低,山体海拔 m,相对高差 m,地势起伏较大.隧址区存在多种地貌,其中,中低山构造剥蚀地貌区的地势险峻、坡度较陡,为水流提供了良好的径流条件和势能;河流侵蚀阶地分区具有河谷地貌,为水提供流通、储存条件,促进了水对岩体的溶蚀.构造运动隧址区自震旦系以来,经历了不同形式的多次构造变动,地质构造极为复杂,构造活动期次数较多.构造线以南北向为主,东北西北次之,南北向以深大断裂为主,发育较完整.受构造运动影响强烈,断层破碎带较发育,F 鱼巴拉断裂破碎带宽度 m,断层面产状 ,与线位交于K 附近,该破碎带影响范围约 m;F 白菜岩断裂的地表延伸长度约k m,破碎带宽度 m,与线位交于K 附近.构造运动对地质、地貌发展起到了决定性的控制作用,推进了充填型溶洞的形成演化.唐山学院学报第 卷 演化过程可溶岩是溶洞发育的基础,在水、游离二氧化碳等的共同作用下,碳酸盐类岩体会逐渐被溶蚀.岩层发生 构 造 运 动 后,产 生 断 层 破 碎带、岩体裂隙,这是水流入渗、汇集的初始空间,近水平或水平状的岩层对水流的汇集是有利的,而倾斜状或竖向的岩层则为水流提供了有利的通道.水流的汇集和流动加强了水与岩体间的化学反应,促使次生裂隙产生,裂隙带、破碎带之间不断连通并扩张,为地下水频繁交换和形成强径流提供了有利的通道,大大加速了岩溶作用,溶腔空间不断拓展、贯通,因此,在有大量地下水汇集的情况下,充填型溶洞逐渐形成.数值模型 模型建立地质勘探发现在隧址区K K 路段存在一个规模约 m的不规则充水溶洞,以此为背景,结合工程左线的施工方案和勘查资料,建立三维有限元模型,模拟隧道开挖过程,并利用单一变量法,将有、无充填型溶洞作为唯一变量,控制其他因素不变,探讨在开挖过程中充填型溶洞对隧道围岩造成的位移和应力场变化.为了弱 化 边 界 效 应,数 值 模 型 的 边 界 范围XYZ设为 m m m,为隧道开挖断面的倍,其中,Y方向为隧道开挖方向,XZ面为隧道断面,如图(a)所示.把溶洞简化成一个完整的球体,直径为m,位于隧道中段 m处,与隧道垂直距离为m,位置关系如图(b)所示.隧道采用台阶法进行开挖,每步进尺m,共 步完成隧道开挖.设置监测点于隧道的拱顶、右拱腰和拱底位置,计算 区 域 的 单 元 数 为 个,节 点 数 为 个.(a)三维计算模型(b)隧道与溶洞位置关系图建立数值模型 参数选取围岩以微风化白云岩为主,等级为级.模型中围岩采用线弹性材料,初始地应力场只考虑自重应力.隧道开挖前先支护超前锚杆,单根长 m,环向间距 m,每环 根.初期支护采用板单元,材料类型为弹性,各物理力学参数见表.溶洞为充水型溶洞时,周围设置 k N/m的均布水压.表隧道模型各物理力学参数材料材料类型弹性模量E/(k Nm)泊松比比重/(k Nm)厚度/m直径/m微风化白云岩线弹性 超前锚杆E m b e d d e d桩 初期支护板单元 计算结果分析 围岩位移分析模型选取Y m作为监测断面,对隧道拱顶的竖向位移值、右拱腰的水平收敛值、拱底的竖向隆起值进行计算,并按照每个计算时步的位移绘制曲线,具体结果如图所示.由图(a)可知,拱顶沉降变化呈“S”形,开挖至溶洞前,拱顶沉降比较小,且离监测断面越近,拱顶沉降越大,最终曲线趋于平缓.有充填型溶洞存在的围岩,隧道拱顶沉降最大值达到了 mm;而没有溶洞的围岩,拱顶沉降最大值为 mm.由图(b)可知,拱腰的收敛变化趋势与拱顶沉降相似,有充填型溶洞时,拱腰水平收敛最大值为 mm;无溶洞时,拱腰水平收敛最大值为 mm.由图(c)可知,拱底隆起的变化曲线也呈“S”形,有 充 填 型 溶 洞 时,最 大 隆 起 值 为第期袁铮:充填型溶洞发育机理及其对隧道开挖稳定性的影响研究 mm;无溶洞时,最大隆起值为 mm.拱顶、右拱腰、拱底位移变化曲线的趋势相似,均呈“S”形,但相较于前两者来说,拱底隆起的曲线趋势更陡峭,说明拱底隆起更快地达到了最大值,因此,拱底变化对隧道开挖更敏感,充填型溶洞的存在对拱底的影响较大.围岩应力场分析为了分析隧道开挖过程中围岩的应力变化规律,提取开挖至 m处围岩的最大主应力,有、无充填型溶洞时隧道围岩的应力变化对比如图所 示,其 中 压 应 力 为 负 值,拉 应 力 为正值.(a)拱顶沉降变化(b)拱腰位移变化(c)拱底隆起变化图各监测点位移变化(a)有充填型溶洞时的围岩应力(b)无充填型溶洞时的围岩应力图最大主应力图由图可知,围岩的最大主应力呈现出左右对称的状态,有充填型溶洞时,隧道拱顶、拱腰处围岩以压应力为主,拱底处围岩以拉应力为主,最大应力值为 k N/m,拱脚处出现以压应力为主的应力集中现象.无充填型溶洞时,隧道拱底处围岩以拉应力为主,最大应力值为 k N/m,随着离隧道轴向距离逐渐变远,拉应力逐渐转变为压应力且逐渐增大,拱脚处存在集中应力,以压应力为主.有充填型溶洞时围岩的应力值大于无溶洞时围岩的应力值,溶洞对围岩应力的影响比较大.结论依托实际工程,对充填型溶洞的形成机理进行了分析,并利用有限元软件模拟隧道开挖过程,对比有、无充填型溶洞时围岩的位移、应力场变化情况,得到以下结论.()充填型溶洞的形成是受水文气象、地层岩性、地形地貌和构造运动等因素长期影响的结果.()在本工程地质条件下,充填型溶洞的存在对隧道开挖存在影响,相较于拱顶和拱腰,拱底竖向隆起值更大,位移变化曲线的趋势更陡,这表明拱底处围岩对隧道开挖更为敏感.()隧道围岩的最大主应力左右对称,隧道拱顶、拱腰处围岩以压应力为主,拱底处围岩以拉应力为主,拱脚处出现应力集(下转第 页)第期马玉青,冯永亮:基于GM(,)模型的唐山市职工医保基金收支预测研究集中带量采购、D I P支付方式改革等工作,加强医疗费用管控,提高成本意识,并不断改进管理方式、提升服务水平.()加强医保基金风险预判和风险监管.强化医保基金运行统计分析,加强基金收支的科学测算,掌握基金运行趋势,及时发现风险问题,并建立健全风险评估机制,以加强防范.参考文献:吴岚怡,王前基于GM(,)模型我国基本医疗保险基金结余预测分析J中国卫生经济,():刘晓祥人口老龄化对江西省城镇职工基本医疗保险基金可持续发展的影响研究D南昌:江西财经大学,吴彬,罗仁夏,曹建平等维新息灰色系统GM(,)模型在福建省医保统筹基金风险预测中的应用J中国卫生统计,():邓聚龙灰色系统理论教程M上海:华中理工大学出版社,:张之弘灰色离散GM(,)优化模型及其应用D重庆:重庆大学,(责任编校:李秀荣)(上接第 页)中现象.存在充填型溶洞的围岩应力值大于无溶洞的围岩应力值,充填型溶洞对围岩应力的影响较大.参考文献:陈峰,吴绍明,王林枫,等富水地区溶洞对深基坑开挖稳定性影响J地下空间与工程学报,():武兴亮,罗平,赵应武引水隧洞充填型溶洞发育机理及处理措施探讨J陕西水利,():罗文艺黔张常铁路高山隧道巨型溶洞发育特征 及 工 程 评 价 J铁 道 标 准 设 计,():管鸿浩充水溶洞隧道围岩位移特征及影响因素研究J铁道工程学报,():常洲,魏研博,冷浩,等隐伏充填型溶洞对隧道 稳 定 性 影 响 与 防 治 技 术 J公 路,():郑小敏,覃爽兴文县溶洞特征、成因及演化研究J四川地质学报,(S):孙江涛,李志堂,袁敬强,等隧道穿越大型充填溶洞超前综合探测与处治技术J现代隧道技术,(S):邓朝燕,刘顺四川省康定市金汤地区一种新型溶洞及其发育机制J内蒙古科技与经济,():(责任编校:冯兆娜)(上接第 页)赵剑曦 G e m i n i表面活性剂的研究与发展方向J精细与专用化学品,():伊梦娇 G e m i n i表面活性剂功能离子液晶的构 筑 及 性 能 研 究 D济 南:山 东 大学,杜西刚新型烷基苯磺酸盐G e m i n i表面活性剂的合成及性能研究D北京:中国科学院研究生院理化技术研究所,杜 西 刚,路 遥,李 玲,等烷 基 苯 磺 酸 盐G e m i n i表面活性剂与非离子表面活性剂C E 混合溶液的胶团化J物理化学学报,():杜 西 刚,路 遥,李 玲,等烷 基 苯 磺 酸 盐G e m i n i表 面 活 性 剂 的 结 构 与 界 面 性 质J精细化工,():孟君,路遥,吴会觉,等 N a C l对烷基苯磺酸盐G e m i n i表面活性剂水溶液性质的影响J化学通报,():周丹丹醇对烷基咪唑G e m i n i表面活性剂的性质影响研究D东营:中国石油大学(华东),(责任编校:冯兆娜)