隐伏溶洞与隧道安全距离多因素影响研究.pdf
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1、收稿日期:2023-01-16作者简介:赵新琛(1981-),男,山东省莒县人,工程师,研究方向铁路、公路施工及技术管理。31第22卷第2期石家庄铁路职业技术学院学报VOL.22 No.12023 年 6 月JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAYTECHNOLOGYJun.2023隐伏溶洞与隧道安全距离多因素影响研究隐伏溶洞与隧道安全距离多因素影响研究赵新琛(中铁十八局集团有限公司天津300222)摘要摘要:为避免溶洞对隧道造成不良影响,岩溶区的隧道与隐伏溶洞之间必须有足够的安全距离。而安全距离取决于溶洞和隧道的几何参数与力学参数。为此,本文依
2、托桑植隧道,通过 ADINA 建立隧道与溶洞模型,以塑性区是否贯通为评价标准,分析了溶洞在隧道顶部、右侧面和底部时溶洞几何参数、隧道埋深和岩体性质包含的八个主要因素对安全距离的影响规律。结果显示溶洞跨度、隧道埋深和重度与安全距离成正比,岩体粘聚力和内摩擦角与安全距离成反比,溶洞高跨比和岩体泊松比对安全距离的影响与溶洞和隧道的位置关系有关,岩体弹性模量的变化不会影响安全距离。关键词:关键词:多因素;空间分布;溶洞;安全距离;模拟中图分类号中图分类号:U455文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1673-1816(2023)02-0031-051引言引言岩溶区修建隧道容易导致隧道开挖过程发生
3、突水突泥、围岩变形、地表下沉等灾害1,为确保溶洞和隧道间保持足够的安全距离,众多学者通过理论分析、模型试验和数值模拟开展了相关研究工作。在理论方面,J.S.Yang等2基于随机介质理论研究了溶洞对隧道地表沉降的影响并推导了地表沉降运动方程;Pan YW等3等运用弹性模型分析了岩溶地质条件下开挖速度对隧道收敛的影响;师海等4基于弹性力学和突变理论,对掌子面与不同空间状态溶洞安全距离的影响因素进行了分析,给出了不同尺寸溶洞与掌子面斜交和正交时的安全距离计算公式。在模型试验方面,吴梦军5等通过相似实验探讨了溶洞的不同发育程度和不同位置对隧道围岩产生的影响规律;肖学仁6通过模型试验研究了溶洞注浆对隧道
4、围岩稳定性的影响;张楠7通过相似模型实验,模拟分析了溶洞在隧道的顶部,侧部和底部时隧道围岩应力和位移变化。在数值模拟方面,赵明阶8、史世雍9、李奎10和邱新旺11等以不同隧道为依托,运用ANSYS软件分析了不同尺寸和不同位置的溶洞对隧道围岩稳定性的影响;王勇12等基于弹塑性理论和数值模拟方法,分析了各因素对隧道底部溶洞顶板安全厚度的影响规律,利用多元线性回归方法得出了安全厚度预测模型;曹茜13和宋建禹14分别采用FLAC3D软件和ANSYS软件建立了溶洞与隧道的安全距离预测模型。从上述研究成果可以看出岩溶区隧道的稳定性受影响因素较多,不仅受到溶洞与隧道位置关系的影响,还与溶洞的形状、发育程度、
5、岩体性质和有无充填及充填物性质等因素有关。影响因素众多且分析手段多样决定了上述研究成果存在一定的局限性而无法直接用来解决实际工程面临的具体石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期32问题,因此非常有必要在借鉴上述研究成果的同时开展针对性的分析。为此,本文基于黔张常高速铁路的桑植隧道具体工程地质条件和隧道设计参数,建立溶洞和隧道的二维数值模型,分析溶洞位于隧道顶部、侧部和底部时,溶洞几何参数(跨度和高跨比)、隧道埋深以及岩体性质(弹性模量、泊松比、重度、内摩擦角和粘聚力)对溶洞与隧道间安全距离的影响规律。2有限元模型建立和参数设置有限元模型建立和参数设置桑植隧道位于黔张常铁路的QZCZQ
6、-I 标段,隧道长5058.25 m,横穿的山脉岩层总体沿N-S走向,穿越可溶性地层岩溶发育强烈,地质复杂。其横断面如图1所示。结合桑植隧道设计断面尺寸,模隧道开挖宽度和高度分别为13.32 m和11.48 m,隧道距离模型的周边按开挖宽度的5倍考虑,模型尺寸为150 m150 m(宽度高度),溶洞模型简化为无充填的圆形,隧道围岩按均匀介质考虑。溶洞位于隧道底部时的模型示意图见图2。岩体本构关系选用弹塑性模型,以隧道开挖引起溶洞与隧道间岩体的塑性区范围是否贯穿作为安全距离的判别标准。模型边界条件通过模型两侧施加水平约束和底部施加竖直约束和荷载实现。图1桑植隧道横道断面图(cm)图2隧道底部溶洞
7、有限元模型局部放大图表 1各参数的基本不变量重度/(kNm-3)弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/粘聚力/MPa溶洞跨度/m溶洞高跨比隧道埋深/m23.04.00.32350.5101150表 2各参数的取值范围溶洞跨度/m溶洞高跨比隧道埋深/m弹性模量/GPa粘聚力/MPa泊松比内摩擦角/重度/(kNm-3)60.5751.00.20.303322.5081.01002.00.30.313423.00101.51253.00.40.323523.50122.01504.00.50.333624.00142.51755.00.60.343724.50163.02006.00.70.3518250
8、20300第 2 期赵新琛隐伏溶洞与隧道安全距离多因素影响研究333数据及结果分析数据及结果分析当溶洞与隧道空间位置不同时,分别考虑溶洞跨度和高跨比,隧道埋深、岩体弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角和重度等8个参数对溶洞与隧道间安全距离的影响。当分析某个参数变化对安全距离的影响时,其他7个参数为基本不变量(取值见表1),变化参数的取值范围见表2。不同位置时各参数变化对安全距离的影响规律如图3所示。a 溶洞跨度与安全距离关系曲线b 溶洞高跨比与安全距离关系曲线c 隧道埋深与安全距离关系曲线d 岩体弹性模量与安全距离关系曲线e 岩体粘聚力与安全距离关系曲线f 岩体泊松比与安全距离关系曲线石家庄铁路
9、职业技术学院学报2023 年第 2 期34g 岩体内摩擦角与安全距离关系曲线h 岩体重度与安全距离关系曲线图3溶洞位于隧道底部时各因素与安全距离关系3.13.1溶洞位于隧道底部时的安全距离分析溶洞位于隧道底部时的安全距离分析由图3可以看出,溶洞跨度、隧道埋深、泊松比和岩体重度与安全距离的关系呈现出正比关系,且为近似的线性递增关系。溶洞跨度从6 m增加至20 m时,安全距离由3.4变化至6.73 m,几乎增加了1倍(图3(a),隧道埋深从75 m增加到300 m时,安全距离从1.9 m增大到8.58 m,增幅达到352%(图3(c),随着泊松比由0.3增至0.35,安全距离从4.08 m变化至5
10、.61 m,增幅约32%(图3(f),岩体重度由22.5kN/m3增至24.5 kN/m3时,安全距离对应由4.59 m增至5.03 m,增幅近10%(图3(h);岩体粘聚力和内摩擦角与安全距离呈反比关系,且内摩擦角与安全距离近似线性递减关系。粘聚力由0.2 MPa增加到0.7 MPa时,安全距离从10.28 m减小到2.99 m,减小幅度为71%(图3(e),而随着内摩擦角由33增至37,安全距离从5.2 m减小到4.21 m,减小幅度为19.04%(图3(g)。另外,随着溶洞高跨比的增加,安全距离先减小后增大,最后趋向于5 m的定值。高跨比代表着溶洞的形状,当高跨比接近于1时,意味着溶洞的
11、形状从扁平状向圆形变化,而溶洞接近圆形时安全距离最小(接近4.7 m),随着高跨比的增加,溶洞的形状呈现出“瘦高”状,引起安全距离的逐渐增加但增加幅度减缓,最终趋向于一个定值(5 m);与其他参数对安全距离的影响不同,弹性模量的变化不改变安全距离的大小。3.23.2溶洞位于隧道侧部时的安全距离分析溶洞位于隧道侧部时的安全距离分析分析此工况时,除了隧道埋深取值范围在表2基础上增大外,其余因素的取值范围不变。分别考虑了隧道埋深在40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300 m时对安全距离的影响。当溶洞位于隧道侧部时,溶洞跨度、隧道埋深、岩体重度和溶洞高跨比成正比,且溶
12、洞跨度、溶洞高跨比和岩体重度与安全距离为近似线性递增关系。当溶洞跨度从6 m增加到20 m时,安全距离从4.1 m增大到7.27 m,增幅为77%(图3(a),随着隧道埋深由40 m增至300 m,安全距离对应由3.28 m增至11.95 m,增幅为264%(图3(c),岩体重度从22.5kN/m3增加到24.5 kN/m3时,安全距离从5.02 m增大到5.39 m,增幅为7.37%(图3(h)。与溶洞位于隧道底部不同的是,溶洞高跨比也与安全距离呈正比关系,高跨比由0.5变化至3时,对应的安全距离也由4.66 m增加到7.14 m,增加了53%。与溶洞位于隧道底部相同的是,岩体粘聚力和内摩擦
13、角与安全距离成反比关系。岩体粘聚力从0.2 MPa增加到0.7 MPa时,安全距离从10.08 m减小到3.78 m,减小幅度为62.5%;内摩擦角从33增大到37时,安全距离减从5.65 m减小到4.65 m,减小幅度为17.7%。与溶洞位于隧道底部相反是,第 2 期赵新琛隐伏溶洞与隧道安全距离多因素影响研究35岩体泊松比与安全距离成反比且影响较小,泊松比由0.3变化至0.34时安全距离由5.16 m减小至5.11m,减小幅度1%。另外,岩体弹性模量的改变不影响安全距离的变化。3.33.3溶洞位于隧道顶部时的安全距离分析溶洞位于隧道顶部时的安全距离分析当溶洞位于隧道顶部时,各参数与安全距离的
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