侧壁垂直发育板状溶洞隧道开挖围岩稳定性研究

吴明丽 卢超波 钟乃龙

(1.南宁职业技术学院；2.广西交通科学研究院；3.广西道路材料与结构重点实验室)

侧壁垂直发育板状溶洞隧道开挖围岩稳定性研究

吴明丽1卢超波2,3钟乃龙2,3

(1.南宁职业技术学院；2.广西交通科学研究院；3.广西道路材料与结构重点实验室)

针对喀斯特地貌中平行于隧道走向分布的垂直型板状溶洞岩体，采用数值试验的方法对隧道开挖后的围岩稳定性进行分析，得出以下结论：①相对于无溶洞岩体，有板状溶洞岩体模拟在隧道开挖后围岩位移的最大值增大了24%；②无溶洞岩体在隧道开挖后围岩的应力场表现出中心对称分布状，有板状溶洞岩体在隧道开挖后，隧道围岩的应力分布呈非对称状态；③与无溶洞岩体相比，有板状溶洞岩体在隧道开挖后的最大压应力、最大拉应力分别增加了26%、228%；④无溶洞岩体隧道开挖后围岩未出现明显的屈服破坏区域，而有板状溶洞岩体在底板中心偏溶洞方向处出现了拉伸破坏区域。上述结论可为确保隧道稳定性而进行的岩溶处理工作提供参考。

喀斯特岩溶 板状岩溶 围岩稳定性

喀斯特岩溶地貌分布广泛，随着工程建设速度的加快，在岩溶区修建的隧道数量越来越多，其所需要解决的问题也日益增加。对隧道穿越岩溶地区所面临的难题，张炜等分析了岩溶隧道涌突水原因，并探讨了治理技术[1]；赵明阶等对岩溶隧道侧分布溶洞对围岩稳定性影响进行数值模拟研究，并对岩溶尺寸对隧道围岩稳定性的影响进行了模型试验研究[2-3]；周雪铭[4]、谭代明等[5]对岩溶隧道开挖对溶洞结构的影响进行了数值模拟分析；臧守杰等[6]对喀斯特地区隧道施工中隧底岩层的稳定性进行了分析评价；李术才等[7]在综合超前地质预报方法的基础上，优化了综合超前地质预报的流程，并提出了隧道地质灾害四色预警机制，制定了相应的应急预案，研发了性能更强的具有自主知识产权的第三代陆地声纳仪，开发了具有自主知识产权的雷达数据处理软件；张民庆等[8-9]对岩溶隧道安全设计、施工与管理进行了分析，通过对宜万线岩溶地区岩溶特征进行研究，将施工中所遇到的岩溶按工程地质特征分为洞穴型、溶隙溶槽型、管道型、大型岩溶等4类，并按无充填型、半充填型、充填型、充水型、过水型、暗河型等水文地质特征进行了次级分类，给出了有针对性的治理措施。此外，对不同的岩溶类型，许多学者对岩溶导致的灾害机制以及处治施工技术亦进行了相关研究[10-12]。以常见的典型近侧壁板状溶洞对隧道开挖后围岩稳定性的影响进行数值模拟试验，探讨板状溶洞对隧道围岩稳定性的影响，为岩溶隧道的结构设计提供依据。

1 模型计算

1.1 模型简介

为了探讨板状溶洞对隧道围岩稳定性的影响，将模型进行了简化，将溶洞与隧道作为二维平面问题进行探讨。在数值计算中采用NULL单元模拟隧道以及溶洞。模型的位移边界条件为左右边界限制水平方向位移，底部边界限制垂直位移；模型的应力边界条件为左右边界施加1.0 MPa的水平应力，上部边界施加1.5 MPa的垂直应力。

1.2 力学模型及参数

将围岩假设为均匀介质，采用Mohr-Coulomb模型进行描述，模型介质的力学参数见表1。

表1 模型物理力学参数

1.3 数值试验计算流程

对有、无岩溶的数值模型首先进行应力平衡并将位移归零后进行隧道单元的一次性开挖，开挖后进行模型计算直至平衡，然后对计算结果进行处理分析。

2 计算结果分析

2.1 位移场特征

无溶洞岩体以及有板状溶洞岩体隧道开挖后围岩的位移场特征如图1所示。

图1 岩体位移场特征

由图1可知，板状溶洞的存在使得对称变形的巷道出现了非对称变形，这与许多现场实际工程存在溶洞的变形规律是一致的。由于板状溶洞的影响，造成隧道开挖后近溶洞侧隧道围岩由于溶洞造成的空洞无法有效限制隧道变形，在应力重新分布下，围岩向溶洞方向发生了位移，如图1(b)所示。经监测，无溶洞与有板状溶洞岩体隧道开挖后围岩的位移最大值分别为2.07，2.57 mm，因而溶洞使得隧道开挖后围岩的位移增大了24%。

2.2 应力场分布特征

无溶洞岩体以及有板状溶洞岩体隧道开挖后围岩的应力场分布特征如图2所示。

图2 应力场分布特征

无溶洞岩体在隧道开挖后围岩应力场表现出中心对称分布状，其最大主应力为压应力，近似平行于隧道的圆周方向，围岩大部分区域的最小主应力为压应力，垂直于隧道的径向，并在隧道拱顶以及底板局部区域出现了拉应力。有板状溶洞岩体在隧道开挖后，隧道周边围岩的应力分布呈非对称状，与无溶洞岩体隧道开挖后的应力分布状态相比，最小主应力区域内出现拉应力的区域增加，如图2(b)中虚线区域所示，其拱顶出现拉应力分布的区域向溶洞一侧发生了偏移，并在隧道底板出现了大面积的拉应力区域，如图2(b)中的实线区域所示。此外，有溶洞岩体在隧道开挖后最大主应力和最小主应力的最大值均有大幅度增加，无溶洞岩体的最大压应力由4.96 MPa增大到6.25 MPa，最小拉应力由0.30 MPa增加到0.99 MPa，分别增加了26%、230%。

2.3 围岩屈服单元分布特征

无溶洞岩体以及有板状溶洞岩体隧道开挖后围岩的屈服单元分布特征见图3。

图3 围岩屈服单元分布特征

由图3可知，无溶洞岩体隧道开挖后围岩未出现明显的屈服破坏区域，而有溶洞岩体在底板中心偏溶洞方向出现了拉伸破坏区域。因此，随着隧道围岩埋深的增加，在地应力较大时，底板出现拉伸破坏区域的风险增加，可能导致隧道近溶洞侧围岩存在沿板状溶洞底部方向形成类似于滑坡的灾害。

综上所述，为了保障围护结构的稳定性，可在探测溶洞后施工联络道，并在板状溶洞施工钢筋混凝土水平梁支撑柱，从而抑制隧道近侧壁围岩向溶洞空间的水平位移，确保隧道结构的稳定性。

3 结 语

通过Mohr-Coulomb模型对无溶洞及有板状溶洞岩体的位移场与应力场分布特征以及屈服单元分布特征进行了深入分析，并给出了溶洞空间水平位移的防治措施，为维护隧道结构的稳定性提供参考。

[1] 张 炜，李治国，王全胜.岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨[J]. 隧道建设，2008， 28(3)：257-262.

[2] 赵明阶，敖建华，刘绪华，等.岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响 的模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(2)：213-217.

[3] 赵明阶，王学军，刘绪华，等.隧道侧岩溶分布对围岩稳定性影响的数值模拟研究[J]. 重庆建筑大学学报，2003，25(1)：6-10.

[4] 周雪铭，刘 辉，彭 川，等.岩溶隧道开挖对溶洞处治结构影响的数值模拟分析[J]. 岩土力学，2011(1)：269-275.

[5] 谭代明，漆泰岳，莫阳春. 侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究[J].岩石力学与工程学报，2009(S)：3497-3503.

[6] 臧守杰，綦彦波，程建铝. 喀斯特地区隧道施工中隧底岩层稳定性评价研究[J].水利与建筑工程学报，2007(3)：43-45.

[7] 李术才，薛翊国，张庆松，等.高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(7)：1297-1307.

[8] 张民庆，黄鸿健，田四明. 岩溶隧道安全设计、施工与管理[J].铁路工程学报，2007(5)：75-77.

[9] 张民庆，黄鸿健，苗德海，等.宜万线隧道工程岩溶治理技术与工程实例[J]. 铁道工程学报，2008(1)：26-36.

[10] 吕 强. 铁路隧道穿越岩溶群区施工控制技术研究[J].现代隧道技术，2005(4)：32-36.

[11] 夏卫国，张兴来，钟云健. 大董岭隧道穿越大型溶洞处治方案设计[J]. 公路交通术，2008(4)：108-113.

[12] 尚寒春. 华蓥山隧道东口岩溶分析及溶洞处理[J]. 铁道工程学报，2007(8)：58-60.

2015-01-06)

吴明丽 (1981—)，女，工程师，硕士，530007 广西壮族自治区南宁市高新区高新二路6号。