摘要：本文以高陵高速公路凤凰掌隧道为背景，以方形溶洞为例，主要利用三维有限元的测量方法，就侧部溶洞对隧道围岩的稳定性影响状况进行深入的分析，实验证明，随着隧道开挖深度的不断推进，其右拱脚的附近竖直方向上的位移与最大主应力将有非常明显的变化，即又大幅度的增加。
关键词：侧部溶洞；隧道围岩；稳定性；研究
Abstract: This article take the expressway of Gaoling Phoenix palm tunnel as the background, with a square limestone cave as an example, mainly by three-dimensional finite element method for measuring, on the side of the cave to tunnel surrounding rock stability influence situation of an in-depth analysis, experiments show that, as the tunnel excavation depth furthered, his right foot arch near the vertical direction the displacement and the maximum principal stress will have very obvious changes, which also greatly increased.
Key words: side Cave Tunnel Surrounding Rock; stability; research;
中图分类号：TU-0 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
据调查显示，岩溶在国内的分布范围非常的广泛，受勘查的局限性，经常会在石灰岩岩溶地带开挖和建造隧道。据统计数据显示，当前我国西部地区已建成的公路隧道中，大约有一半以上的隧道位于岩溶地区。已建高速公路隧道，如中梁山隧道、大宝山隧道、石门坳隧道、砒霜坳隧道、朝东岩隧道等，均遇到了不同程度的岩溶工程地质问题，且其严重影响了隧道的安全及快速施工。隧道线路的侧部存在溶洞时，改变了一定范围内岩体的应力状态，往往会对围岩产生不利影响。同时，支护时机也将随之改变。因此，寻找和确定最佳支护时机，成为地下工程支护技术的核心。从实践来看，岩溶这种天然的不良地质现象如果长期的存在下去，则很可能会对隧道的开挖以及相关的产业运营安全带来非常严重的威胁。在当前的形势下，加强侧部溶洞对隧道围岩稳定性的研究，具有非常重大的现实意义。
模型与参数计算
在数值分析过程中，首先应当对溶洞的形状进行假设，一般默认为是正六面体，但是模型计算中的隧道断面尺寸一定要严格按照实际情况来确定其尺寸大小，同时其岩体材料通常采用的是莫尔--库伦模型。实践中，可以利用MIDAS-GTS软件所提供的单元激活、钝化处理功能，来模拟隧道开挖实际情况。在此过程中，为了能够真实地认识到隧道的侧部溶洞对围岩所造成的影响程度和范围，则可以建立一个无溶洞模型，并对二者实施对比分析，从而可以得出这两种情况下的距垂直溶洞边界2D、1.5D、lD、0.5D、0.2D以及0.1D（其中D代表隧道的实际直径）的隧道拱顶、拱脚、拱肩以及拱底特征及其对应点的位移，通过对应力结果进行分析，可以得出其特征。一般而言，随着隧道开挖过程中断面位置处的溶洞尺寸从小到大的渐渐变化，隧道的周围每一个重要部位点的位移收敛值也会随之由小变大。尤其是靠近溶洞侧部的隧道拱顶、拱肩以及拱腰位置处的位移，其收敛值要大的多，与此相反，远离溶洞侧部的相应位置处，其位移收敛值要小的多。下沉位移的增加量分析：隧道的拱顶位置处增加量最大，其数值可达0．4毫米，其次是拱肩位置处的增加量，其数值可达0．2至0．3毫米；拱腰位置处的增加量是最小的，其数值大约在O．1至O．2毫米左右。水平位移增加量分析：右拱腰位置处的增加量是最大的，其数值大约为O．6 毫米，右拱肩位置处的增量则次之，其数值大约在0．3 毫米左右，而隧道拱顶位置处的增加量则是最小的，其数值大约在0．1毫米左右。
2、右拱脚在竖直方向上的位移
据调查显示，多数的隧道右拱脚层都会在竖直方向上产生位移，并且随着施工步的变化而变化。在隧道开挖过程中，在距溶洞的垂直边界位置1D、O.5D、0．2D和0.1D（其中D代表隧道的实际直径）位置处，右拱脚竖直方向上所产生的位移会随着时间的推移而逐渐的有所增加。若将其与无溶洞比较，则自开挖开始至各断面的形成，其右拱脚的总竖直方向上所发生的位移也有非常明显的变化，即大幅度的增加。1D、O.5D、0.2D和0.1D位置处的总位移量以及位移的差异量差值，都处于变化之中。经数据分析可知，距溶洞垂直边界位置lD以内的位置，右拱脚竖直方向上的位移会随之显著的增加；由于侧部溶洞会对隧道的右拱脚附近位置处的围岩产生非常不利的影响，因此笔者建议在实际施工过程中尤其是lD位置处作业时，一定要对隧道的前方围岩位置与侧部的溶洞位置进行认真的的处理。
3、水平位移
（1）拱顶
隧道开挖过程中，距溶洞垂直边界2D、1．5D、lD、0，5D、0．2D、0．1D处，没有溶洞时，水平位移几乎为零；有侧部溶洞时，有水平位移且朝有溶洞方向位移。2D、1．5D、1D、0．5D、0．2D、0．1D处总位移量。距溶洞垂直边界2D以内，拱顶水平位移增加，侧部溶洞对隧道拱顶附近围岩造成不利影响，所以建议施工到2D时，要对隧道前方围岩和侧部溶洞及时进行处理。
（2）拱底
没有溶洞时，隧道开挖过程中，距溶洞垂直边界2D、1．5D、lD、0．5D、0．2D、0．1D处，拱底的水平位移趋于零；有侧部溶洞时，拱底的水平位移逐渐减少，且朝有溶洞方向位移。2D、1．5D、lD、O．5D、0．2D、0．1D处总位移量。距溶洞垂直边界2D以内，拱底水平位移增加。侧部溶洞对隧道拱底附近围岩稳定性不利，所以建议施工到2D时，要对隧道前方围岩及溶洞及时进行处理。
4、右拱脚最大主应力
隧道开挖过程中，距溶洞垂直边界lD、0．5D、O．2D、0．1JD处，右拱脚的最大主应力的绝对值呈现增加的趋势。特别是施工到各断面时，最大主应力绝对值剧增。1D、O．5D、O．2D、0．1D处最大主应力及最大主应力的差异。应力不利，所以建议对溶洞垂直边界1D以内前方围岩和侧部溶洞及时进行处理。
结论：通过分析侧部溶洞对隧道围岩稳定性的影响，得出隧道侧部溶洞对隧道围岩的影响主要表现在以几个方面：
(1)靠近溶洞侧的隧道拱顶、拱肩和拱腰处围岩变形大，而远离溶洞侧的对应位置处的围岩变形相对要小得多。溶洞的存在以及其大小变化对远离溶洞侧
的隧道围岩塑性区变化影响较小；而对靠近溶洞侧的隧道相应位置处的塑性区影响较大。
（2）隧道开挖后，拱腰处产生较高的应力集中区。隧道与溶洞之间的围岩由于应力集中可能使围岩产生过大的变形和岩体破坏，结合岩体结构不利组合的因素，其稳定性还要给予特别重视。通过对比现场量测结果与数值分析结果可以看出，二者较为接近，说明数值模拟采用的参数是合适的，仿真所得到的围岩变形规律可以用以指导工程施工。
（3）与没有侧部溶洞相比，凤凰掌隧道右拱脚竖向位移增加比较明显。没有侧部溶洞时，拱顶、拱底几乎没有水平位移；但有侧部溶洞时，有水平位移且朝有溶洞方向位移。右拱肩和右拱脚水平位移也朝有溶洞的方向位移。
（4）与没有侧部溶洞相比，凤凰掌隧道右拱脚最大主应力明显增加，侧部溶洞的存在对右拱脚附近围岩稳定性不利。侧部溶洞的影响界限约为2D，随着位移及应力积累增加，对距溶洞垂直边界lD以内围岩产生不利影响，因此建议及时对1D内的围岩及侧部溶洞进行处理。
参考文献：
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