溶洞形态对隧道围岩稳定性影响研究进展

梁超恒 1 覃都都 2 杨涛 3 陈营州 4 曹权 5

1.2.3.4中建八局南方公司 深圳 518038

5广西新祥高速公路有限公司 南宁 530029

摘要：近年来，随着社会发展，我国交通运输业的快速发展和科学技术的日益革新，隧道方案如今在全国范围内得到广泛应用，大量隧道穿越岩溶地区，岩溶隧道在我国西南地区十分常见，极易发生突水突泥灾害。在系统收集整理了国内外关于岩溶隧道的资料与文献后，分析了溶洞位置、形状对隧道围岩应力、变形和位移的影响，讨论了溶洞间距对开挖段围岩的影响，分析了含不同类型充填物岩溶的失稳特性。总结得出，溶洞分布位置的不同对隧道围岩的主应力及塑性区影响较大，溶洞的大小和与隧道间的间距对围岩的竖向沉降影响较大，而充填物中黏土含量越高，岩溶管道发生破坏所需的水力梯度也就越大。同时，分析了目前修建岩溶隧道的不足之处，如在数值模拟研究过程中，没有考虑围岩工程性质和结构变化的影响,在今后的研究中应更加符合实际的工程情况来开展，并对未来的发展方向进行猜想与规划，对今后在岩溶地区施工遇到同类情况起到参考借鉴作用，以降低隧道开挖及后期运营过程中的安全风险。

关键词：岩溶隧道；溶洞大小；溶洞位置；围岩稳定性

引言

地下工程包括隧道、巷道、隧洞、洞室、洞库等多种地下岩土工程，在国内外已有几千年的建造历史，主要依据工程经验和工程类比法来建设工程。从20世纪初，人们逐渐依据力学理论进行稳定分析，最早引入的是压力拱理论，俄罗斯、前苏联与我国一般采用普氏理论，而欧美采用太沙基理论；随着数值分析方法的发展，大致在20世纪70年代前后，欧美国家开始采用有限元数值分析方法进行岩质隧道的稳定性分析，这种方法能考虑岩石的塑性，21世纪初，我国公路部门也开始引入数值计算方法。但上述两种方法都无法确定隧道是否进入整体破坏，因而也无法得到岩土工程中设计所需的工程稳定安全系数。分析其原因是对于承载力控制的，即破坏控制的岩土工程问题，需要采用基于弹塑性强度理论的极限分析方法，这是土力学中传承至今的主要理论方法，而上述两种方法都没有引入极限分析方法，致使两种方法都难以获得定量的理论解答。

1溶洞位置对隧道应力、变形的影响

在进行岩溶隧道的施工过程中，通过仪器等检测设备不能精准掌握到每一处溶洞所处的位置、直径尺寸、发育程度，有可能会随时发生无法预估的突水、突泥等灾害。因此，需要采用超前地质预报，以做到精准掌握溶洞的各项参数情况，保障施工过程的安全性。但因为溶洞分布没有规律性，并且在不同地形地貌下的发育程度也不尽相同，所以在关于溶洞对隧道围岩、位移、变形等方面的影响还需要开展进一步的研究。关于软件数值模拟的情况，用FLAC3D软件，模拟溶洞分别位于隧道的顶部、底部、中间水平位置、外侧水平位置、中间顶部、外侧顶部、中间底部和外侧底部8个位置，用多组数据来探究其对隧道围岩变形等的影响，得出以下主要结论：溶洞处于隧道中间偏上位置时，隧道围岩及洞壁附近拉应力最大；当溶洞处于隧道的水平位置及外侧顶部时，隧道洞壁处附近的拉应力最小；当溶洞位于隧道中间偏上的位置时，隧道位移的最大值最大。溶洞位于隧道顶部时围岩的拉应力图和溶洞位于隧道外侧水平方向时围岩的最大主应力。利用ABAQUS软件分析了隧道底部有溶洞时，洞的大小、洞与隧道长轴的关系及洞距对隧道施工过程中隧道结构应力的影响，并对隧道施工过程中隧道围岩的位移进行了分析，结论为：在施工隧道下部出现隐伏溶洞，施工过程会改变隧道周边围岩应力的分布。利用FLAC3D软件研究了隧道周围无溶洞、隧道侧面出现溶洞、隧道顶部溶洞和隧道底部溶洞4种工况下的围岩稳定性。分析认为，对隧道围岩稳定性最不利的位置是溶洞位于隧道拱腰处。

2隧道二次支护时间的确定

隧道的二次支护及时与否，对于围岩能否充分发挥其自承能力起到重要的作用。围岩由于支护时间过晚，而造成隧道围岩在流变作用下产生了松土压力，这样就会增加二次衬砌的负荷，甚至引起了隧道围岩的坍塌，造成不可逆转的损失。因此，确定合理地二次衬砌的施做时间，对充分发挥围岩的自承能力来达到隧道围岩的稳定性起到了非常重要的作用。

3定性与指标结合的分级方法与人为量化分级方法比较

围岩定性分级方法与定量分级方法相比存在三个缺点：一是定性分级只能针对一种洞跨隧道的围岩分级，而定量分级可以对应多个洞跨隧道的围岩分级；二是定性分级难以将围岩分级数量增多，一般只能分为五级，而定量分级取决于评分标准，因而容易将围岩分级数量增多；三是定性分级有可能是围岩等级降低，这是因为定性分级采用岩石坚硬程度与岩体完整性两个指标，例如定性分级中，Ⅰ级围岩岩石坚硬性与岩体完整性均为90分以上为优，对于处在Ⅰ、Ⅱ级围岩之间的岩体，如果两者都取90分，则定为Ⅰ级围岩，若取一个90分，一个89分，则定为Ⅱ级围岩，对处于Ⅰ、Ⅱ级之间的岩体，这是符合实际的，但如果两者都定为89分，按定性分级，围岩定为Ⅲ级，相差两分就使围岩等级相差两级，显然不合理，从而导致围岩等级偏低，而定量分级按分评定等级，不可能出现这种情况。本文以定量分级为准，并使定量与定性方法分级协调一致。

结语

基于当前岩溶参数对隧道围岩稳定性、应力、位移及变形等的影响的研究现状和发展趋势，从理论到实验以及数值模拟等方面对现有成果进行分析总结，岩

溶参数主要包括3个方面，岩溶的尺寸大小及间距、岩溶的分布位置、不同类型充填物的岩溶,从分析结果可以得知,洛洞位置的不同，其对分离式隧道的应力、位移及塑性变形等因素的影响程度也不尽相同,主要对隧道围岩的竖向位移及最大主应力影响较大;而在岩溶尺寸与间距方面,其主要对隧道的竖直沉降最及围若的水平变形量影响较大;不同炎型的填料具有不同的结构失稳特征,充填物中平均水力梯度随着永压水压力的增加均星现逐渐增加的超势。目前对岩溶隧道的研究主要还停留在如何防治及对施工技术的改进和隧道围岩稳定性分析上,却没有开展更深层次的讨论,主要存在的向题有：①没有更加精确地针对岩溶所处的空间位置、富水程度、溶洞数量等因素进行调查与研究。②研究的范围太广，而不具备普遍性，可能研究的成果只适用于依托的隧道工程,而针对其他不同情况的岩溶时就不再有适用性。③对于较为复杂的地质条件下的岩溶隧道研究较少，例如考虑建筑抗震设防烈度有特殊要求的地段、有影响工程的多层地下水、岩溶裂隙水等其他水文地质复杂的条件，需专门研究的场所、不良地质作用强烈发育，如崩塌、滑坡、泥石流等。④數值模拟过程中对网格进行了简化,但没有贴近实际地质情况，与实际工程还存在着较大差异。随着越来越多研究专家们理论知识的提高和计算机技术的发展应用，工程力学、数学、统计学、计算机科学、自然科学等理论会更加适用于复杂岩溶地区隧道的建设发展。在不久的将来，岩溶隧道地区的施工将采用更加精细化的计算与施工模拟，模拟各种工与复杂地质条件，为设计和施工取得依据，以降低施工风险缩短工期，大大减少人力物力。

参考文献

[1] 胡文清, 郑颖人, 钟昌云. 木寨岭隧道软弱围岩段施工方法及数值分析[J]. 地下空间, 2004, 24(2): 194-197.

[2] 郑颖人. 岩土数值极限分析方法的发展与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(7): 1297-1316.