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1、侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析?144?路基工程2009年第4期(总第145期)侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析黎代仁(中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063)摘要结合宜万铁路大支坪隧道施工,利用FLAC如软件对侧部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩变形特征进行了数值模拟研究,并与现场实测结果进行比较.计算及监测结果表明:隧道开挖后,靠近溶洞的隧道右侧向内水平位移,远大于远离溶洞的隧道左侧的水平位移,是最有可能发生围岩突水失稳的区域.关键词隧道工程水压充填型溶洞围岩变形
2、特性数值模拟0引言隧道岩溶突水一直被认为是世界性的难题.近年来不少学者对隧道岩溶突水进行了大量的研究工作,在隧道岩溶水探测,发育和分布规律,突水来源和特征及治理措施等方面取得较多的研究成果,解决了许多工程问题.但对岩溶隧道围岩突水失稳的机理方面研究较少.本文利用FLAC软件进行数值模拟,并与实测结果进行比较.1地质条件及工程概况宜万铁路大支坪隧道,位于DK5+632.5一DK6+997.6段,全长l365m.隧道开挖宽度为13.10m,高度为11.88In.隧区内主要地层为灰色,深灰色中厚层至薄
3、层状白云岩和泥质白云岩夹角砾状白云岩细晶结构,岩溶,裂隙发育.在DK5+868.5一+897.7段发现一高压充水溶洞;溶洞横断面类似椭圆形,纵断面(沿隧道轴向)类似足球场形状.溶洞走向基本上与隧道平行且在隧道的右侧部.溶洞与隧道大致在同一水平面上;该溶洞内充满岩溶水,经测定水压力约为0.933MPa.溶洞的纵向跨度(沿隧道轴向)约l9.53—19.57m,溶洞的其它尺寸和隧道断面见图1.充水溶图1岩溶隧道截面图(单位:hi)2隧道围岩变形特征的数值分析2.1溶洞简化处理及模型建立对溶洞的勘察资料
4、进行分析,把溶洞简化为半椭球+椭圆柱+半椭球形状.在建模时取竖直方向:一20≤z≤22nl,隧道轴向:0≤Y≤54in,水平方向:一30≤≤45m.计算模型见图2.其约束条件为:两侧边界水平方向约束,垂直方向自由;底部边界垂直黎代仁,男,工程师.方向约束,水平方向自由;顶部为自由表面,受上部围岩自重作用.图2隧道计算模型图I112)2.2计算参数确定围岩采用Mohr—Coulomb理想弹塑性模型.初期支护和二次衬砌均采用实体单元,其本构模型均为弹性.溶洞内水压取为0.933MPa,沿溶洞内表面径
5、向施加.围岩和支护材料物理力学参数见表1.表1围岩和支护结构参数表2.3目标断面选取由于),=27in断面(DK5+882.8断面)对应的充水溶洞空间最大,且与隧道侧壁净距最小,故选取Y=27m断面为目标断面进行分析.3围岩变形特征分析表2为目标断面隧道周边特征位置最终位移计算值;图3为目标断面围岩水平方向位移云图.表2隧道周围特征位置位移计算值表mm(1)由表2和图3看出:隧道开挖后,围岩向临空面发生回弹变形,总体上表现为:拱顶下沉和底板鼓起的位移较大,靠近溶洞的拱腰和拱肩向隧道内的水平位移较
6、大,远离溶洞的拱腰水平位移较小且有可能向背离隧道方向变形.T黎代仁:侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析?145?图3目标断面水平方向位移等值线图(单位:衄)(2)竖向位移:拱顶竖向位移最大,其值为一8.225mm;右拱肩下沉位移为一7.113mm,要比左拱肩下沉位移一6.218mill大;右拱腰下沉位移为一2.371mm,要比左拱腰下沉位移～0.953mm大.(3)水平位移:右拱腰(一9.504mm)>右拱肩(一6.929mm)>拱顶(一3.399mm)>拱底(一2.662
7、咖),远离溶洞的左拱肩和左拱腰两处的水1斗O51530456075901O5时间,d(a)水平位移平位移最小,其值分别为一1.223mm和0.481mm.以上分析说明,侧部含有水压充填的岩溶隧道,在水压力作用下,整个隧道向背离溶洞方向发生位移,尤其是靠近溶洞的隧道右拱腰位置,会发生较大的水平位移.当该处位移达到某一值时,有可能引起该处围岩突水失稳.4围岩变形现场测试分析4.1监测断面的布设根据侧部充水溶洞的位置及溶洞的形状,增设三个监测断面,即DK5+870.2,+882和+894.8三个断面,
8、分别量测各断面隧道特征位置的下沉位移和水平位移.4.2监测结果与分析通过对该隧道三个断面为期105天的现场量测,取得施工全过程中三个断面的围岩变形数据.限于篇幅,在此只列出DK5+882断面(对应数值分析中的目标断面)现场量测结果,见图4.O5153045607590105时间,d(b)竖向位移图4DK5+8s2断面现场监控量测结果图现场测试结果表明:拱顶下沉位移最大,右拱肩下沉位移大于左拱肩下沉位移,右拱腰下沉位移大于左拱腰下沉位移;右拱腰水平位移比左拱腰大,右拱肩水平位移比左拱肩大,这与数值
