隧底溶洞对结构稳定影响的正交试验
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摘要：依据正交试验原理，采用弹塑性有限元方法，运用MIDAS NX有限元软件，系统分析了溶洞大小、距离对隧道结构位移和轴力的影响，计算得出不同径跨比情况下位移和轴力随溶洞上壁距隧道底板的垂直距离变化规律和函数关系，从而确定各径跨比条件下隧底溶洞的非安全距离，并绘制隧道非安全距离包络图。结果表明：隧道各部位位移受径跨比影响显著；在径跨比一定的情况下，随着溶洞上壁距隧道底板垂直距离的增加，位移变化趋势符合对数函数规律；仰拱中心轴力受隧底溶洞影响较大且随垂直距离呈对数变化趋势；根据隧道结构竖向位移得出的隧底溶洞非安全距离较大，根据水平位移和轴力得出的非安全距离较小，出于安全考虑，应将竖向位移得出的隧底溶洞非安全距离作为溶洞处置的主要依据。
关键词：隧道；溶洞；正交试验；数值分析；位移；轴力；非安全距离；包络图
中图分类号：P642；U451文献标志码：AEffects of Bottom Karst Caves on Tunnel Structure
Stability Using Orthogonal TestLAI Jinxing1， WANG Ke1， GUO Chunxia2， LIU Bangzhe2
（1. School of Highway， Changan University， Xian 710064， Shaanxi， China； 2. School of Science，
Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China）Abstract： Based on orthogonal test and elastic plastic finite element method， the effect of the size and distance of karst cave on displacement and axial force of tunnel structure were discussed with MIDAS NX finite element software； the changes and function relationships of displacement and axial force to vertical distance from the top of karst cave to the bottom of tunnel under the conditions of different span ratios were calculated； nonsafety distances of karst cave beneath the tunnel under the conditions of different span ratios were calculated； nonsafety distance envelope diagrams of tunnel were drawn. The results show that the displacements of different parts of tunnel are significantly influenced by span ratios； when the span ratio is certain， the changes of displacement to the increase of vertical distance from the top of karst cave to the bottom of tunnel are logarithmic function； axial force of inverted arch center is significantly influenced by karst cave beneath the tunnel， and is logarithmic function of vertical distance； nonsafety distance calculated by the vertical displacement of tunnel structure is large， while nonsafety distance calculated by the horizontal displacement and axial force is small， so that the former should be taken as the main basis for the karst cave treatment because of the safety.
Key words： tunnel； karst cave； orthogonal test； displacement； stress； nonsafety distance； envelope diagram
0引言
中国岩溶地区分布广泛，碳酸盐类岩石在各省区均有分布，西南以桂、黔和滇东地区分布较为集中，湘西、鄂西、川东、鲁、晋等地分布面积也较广[1]。有关隧道穿越溶洞的问题，已有较多文献进行了介绍[23]。目前，国内外关于隧道与溶洞之间安全距离的研究有3种分析方法：定性分析法、半定量评价法和定量评价法[1]。定性分析法大多以某具体工程为背景，主要包括综合分析法[45]、经验比拟法[67]，针对溶洞位置、溶洞跨度、围岩条件等不同情况对隧道与溶洞围岩的应力场、位移场、破坏区等进行定性的对比分析，得到溶洞对隧道围岩稳定性影响的一般规律；半定量评价法大都将隧道与溶洞间的岩柱简化为结构力学模型，采用顶板厚度跨比法、结构力学近似分析法[8]、散体理论分析法、试验测试法[9]，得出溶洞距隧道的临界安全距离；定量评价法采用稳定系数法、普氏压力拱理论[10]和数值模拟方法[1112]，通过定性分析可以得到临界距离与各影响因素之间的关系，为半定量计算和定量计算提供理论依据。