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随着西部基础建设的大力发展,越来越多的隧道工程穿越岩溶发育区域。由于岩溶发育段存在复杂的工程地质和水文地质条件,在岩溶地区修建隧道所面临的最常见的问题是隧道围岩稳定问题。本文以杭瑞高速公路鸡口山岩溶隧道为研究对象,结合施工现场地质调查和监控量测,采用野外调查和室内理论分析相结合对鸡口山岩溶隧道围岩稳定性进行分析评价,具体内容如下:
(1)鸡口山隧道工程地质和水文地质条件研究。总结了隧道区岩溶发育特征,影响岩溶发育因素,以及鸡口山隧道岩溶发育规律;
(2)鸡口山岩溶隧道围岩稳定性影响因素及围岩分级研究,定性评价了各段围岩稳定性;
(3)隧道围岩稳定性评价数值模拟研究。利用ANSYS和FLAC3D软件模拟分析了ZK82+140断面处在侧部存在隐伏溶洞情况下,模拟隧道开挖时围岩的位移分布、应力分布及塑性区分布状况,评价了该段隧道围岩稳定性,并分析比较了溶洞不同分布位置对隧道围岩稳定性的影响。
(4)结合现场监控测量数据(拱顶和周边位移图),分析了ZK82+140段隧道开挖后围岩稳定性,并与数值模拟结果进行比对。
针对以上研究内容,本文主要得出以下结论:
(1)隧道区内出露10个溶洞(并有几处隐伏溶洞未揭露),其中4个位于隧道线路左侧,4个位于隧道中部,2个位于隧道右侧;4条断层破碎带与隧道相交,为地下水的运移、储藏提供了良好的通道及场所,对隧道开挖引起的围岩失稳以及地面沉降带来不利的影响;
(2)从地层岩性、地质构造、水动力条件分析了鸡口山隧道岩溶发育特征,岩溶发育具有不均匀性和分带性。通过建立岩溶发育指标,考虑岩溶因素对隧道围岩稳定性的影响,结合公路隧道围岩分级,半定量评价了鸡口山隧道围岩稳定性;鸡口山隧道围岩以Ⅲ类和Ⅳ类围岩为主(两者合计总比例达77%),围岩整体较破碎,处于比较稳定~较不稳定状态,但是在溶洞、断层破碎带以及地下水的联合作用下,不及时支护易出现失稳破坏;
(3)选取ZK82+120~ZK82+150段(隧道左侧存在隐伏溶洞)为研究对象,通过数值模拟计算,在隧道左侧有隐伏溶洞存在情况下隧道开挖支护后,水平方向最大位移2.6mm,竖直方向最大位移9.1mm,隧道开挖支护后隧道和溶洞中间区域,塑性区贯通,左拱腰处应力值最大。结合无溶洞存在和顶部存在溶洞的数值模拟结果,可以出以下结论:①当溶洞位于隧道侧部时,靠近溶洞一侧的拱腰到拱肩处水平位移(向隧洞内收敛)较另一侧大,而当溶洞位于隧道顶部时和无溶洞时,位移云图两侧呈对称状;②各种工况下,拱腰处最大主应力值最大,拱顶和拱底处最大主应力较小;③当溶洞位于隧道侧部时,靠近溶洞侧的拱腰和拱肩的塑性区明显增加,并与溶洞左侧部塑性区完全连通,拱顶也出现塑性区,靠近隧道一侧的塑性区分布较多。当溶洞位于隧道顶部时,拱顶和仰拱底两处塑性区面积增加;在隧洞周已揭露溶洞情况下,如开挖不及时支护,易产生大变形,甚至垮塌。
(4)结合现场监控测量数据,根据回归分析得出:根据位移速度时间曲线,表明该处围岩正趋于稳定状态,最终拱顶下沉量为12.8mm,周边收敛为3.6mm,位移值均在隧道稳定范围内;与数值模拟结果相比,水平位移较接近,竖直位移相差3mm。