隐伏溶洞群效应对隧道施工的影响分析

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隐伏溶洞群分布在隧道开挖轮廓线以外,给隧道施工带来较大的安全隐患。现有隐伏溶洞对隧道施工影响的研究多针对单个溶洞,与溶洞成群发育的实际情况有出入。以城开特长隧道为工程背景,从溶洞发育机理入手,先分析溶洞群在地层中的分布规律。再运用有限元软件Midas/gts,分析隧道穿越不同空间展布溶洞群时,围岩变形与支护结构受力特性,找出对隧道施工较为不利的溶洞群空间展布。然后针对不利于隧道施工安全的溶洞群空间展布,分析隧道不同开挖方法对隧道支护结构受力的影响,并对隧道注浆效果进行分析。考虑到地下岩溶水对隧道施工的影响,结合城开隧道工程背景,找出易发突水突泥区工程地质特征与隧道接近突水突泥区时地质环境的变化,以此为依据来指导施工。得到的主要结论如下:
  (1)溶洞群主要有垂直发育型、水平发育型与斜向发育型三种。垂直发育型溶洞群通常分布在近地表位置;斜向发育的溶洞群通常发育在水位线以上的可溶性岩层的断层面、岩层层面或大的节理面附近;水平发育的溶洞群通常出现在地下水位线附近的可溶性岩层中。城开隧道拟建位置主要以水平发育溶洞群为主,但在断层面附近会出现斜向发育溶洞群。
  (2)水平发育溶洞群位于隧道上部与下部时,对隧道施工时围岩变形与支护结构受力影响较小;当隧道横穿水平溶洞群时,围岩变形值及支护结构应力值均有较大增长;隧道穿越断层带斜向溶洞群与断层带斜向溶洞群位于隧道侧部两种工况下,受到断层带与溶洞群的共同作用,围岩变形值与支护结构应力值增长较大。因此,隧道横穿水平溶洞群、隧道穿越断层带斜向溶洞群与斜向溶洞群位于隧道侧部三种工况对隧道施工较为不利。
  (3)隧道横穿水平溶洞群时,台阶法开挖支护结构应力值较小,选用该法较为合理。断层带斜向发育溶洞群位于隧道侧部和隧道穿越断层带斜向发育溶洞群这两种工况下,若隧道下部无溶洞,采用CD法施工更安全;若隧道下部有溶洞,采用台阶法开挖更安全。
  (4)隧道横穿水平溶洞群时,支护结构拱脚位置应力值下降约45%,注浆效果较好。对于隧道穿越断层带斜向溶洞群与斜向溶洞群位于隧道侧部两种工况,注浆后拱脚位置应力下降17%,其它位置应力值下降不明显,注浆效果较差;必要时需增设钢拱架,增加衬砌厚度,从而达到施工安全的目的。
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