沪昆高铁朱砂堡隧道特大型岩溶稳定性模拟与评价

许胜,李嘉雨,张会刚,毛邦燕,喻洪平

(1.中铁二院劳模(专家)地质创新工作室，成都 610031;2中铁二院地勘院，成都 610031)

1 引言

我国岩溶分布广泛，岩溶区面积达1.37×106km2，占国土面积的21%，是世界上岩溶面积分布最大的国家之一[1]。而我国南方地区由于降雨充沛、新构造运动活跃、地表起伏大、植被丰富，导致我国南方大型岩溶时有发育。而随着西南山区大规模高速铁路与高等级公路建设的广泛开展，隧道工程将难免的通过这些岩溶强烈发育的地区[2-6]。而在这些岩溶区域，暗河变化多端、大型特大型岩溶时有发育、溶洞自身稳定性存疑，为高速铁路建设运营构成了很大挑战。特别是特大型岩溶溶洞处于岩溶演变的中后期(重力崩塌阶段)，常常发生难以预测的突发性掉块、落石、变形坍塌等[1,7-10]，而车辆运行引发的振动或活塞效应，常常会加剧岩体的坍落，影响高铁行车安全。

沪昆高铁是国家《中长期铁路网规划(2008年调整)》“四纵四横”客运专线网中重要的运输通道，沪昆客运专线贵州东段的朱砂堡二号隧道穿越罕见岩溶强烈发育区[11]。该隧道与地下暗河及特大型溶洞并行交叉，隧道及溶洞顶板稳定性存疑，对隧道的安全施工提出了挑战。此外，我国西南地区时有发生的铁路地质灾害常常严重影响铁路的运营效率和安全，并造成巨大经济损失[12]，溶洞稳定性不确定性对铁路的高效运营提出了挑战。根据以上两点原因，有必要对朱砂堡二号隧道特大型岩溶溶洞稳定性进行评价。

Ptbnbq.远古界板溪群清水江组；Zanc.震旦系下统南沱组；Zbd.震旦系上统灯影组；∈1n.寒武系下统牛蹄塘组；∈1m+∈1i. 寒武系下统金顶山组-明心寺组；∈1p. 寒武系下统杷榔组；∈1q.寒武系下统清虚洞组；∈2g.寒武系中统高台组；1.产状及倾角；2.实测正断层；3.实测及推测性质不明断层；4.新建沪昆高铁图1 研究区构造地质图

目前，对大型溶洞稳定性的评价主要有解析法、数值分析法、物理模拟方法、现场试验方法。解析法通常用于比较规则的圆形断面，对于轮廓多变的溶洞往往难以求解[13]；而物理模拟和现场试验方法不仅需要实验设备，还往往耗费大量人力物力[14]。随着计算机技术的发展和数值模拟理论、软件的不断成熟，目前许多报道已经证实了数值模拟的岩溶隧道变形破坏规律与工程实际有较高的相似性和可信性[15-17]。中国铁道部第二勘察设计研究院首先开展了沙坡隧道溶洞稳定性的有限元模拟分析[18]；此后，李宁等开展了乌江思林水电站地下厂房洞群的数值仿真分析[19]；吴梦军等开展了岩溶地区公路隧道施工力学响应研究[20]；李培楠等开展了溶洞对地铁隧道开挖稳定性影响的数值分析[21]。近年来，也有不少学者成功地开展了岩溶对隧道稳定性影响的数值模拟研究[17,22-23]，因此利用3DEC数值模拟软件对隧道穿越的特大型岩溶的稳定性进行评价是高效可行的。

本文在工程地质调查测绘的基础上，通过构建3DEC地质结构模型的方法对朱砂堡二号隧道特大型岩溶的溶洞大厅段、暗河平行段、暗河交叉段的稳定性开展了离散元数值模拟计算，评价了隧道底板及溶洞顶板的稳定性，为岩溶隧道与地下工程建设提供参考和指导，减少了岩溶地质灾害，保证了铁路的运营效率和安全。

2 朱砂堡二号隧道岩溶工程地质特征

2.1 研究区概况

研究区(图1)位于贵州省东部的黔东南州三穗县东北，属构造侵蚀-剥蚀中低山区，群峰起伏，山脉绵延，海拔高程约580～880 m。该区主要出露震旦系变质岩和寒武系碳酸盐岩、碎屑岩；岩性以灰岩、白云岩类可溶岩为主，相间分布板岩、泥岩、砂岩、页岩。该区属扬子地台构造单元梵净山拗陷褶皱带，构造作用强烈，褶皱断层发育，主要有界牌断裂、响水断裂和跃鹰咀断裂。区内褶皱形态发育不均衡，背斜宽展，向斜狭窄紧密，两翼不对称，构造线多为NE向，部分为NW向。

该地区属于亚热带湿润气候，降雨主要集中在4～8月，年均降雨量1 100 mm。地下水为大气降雨入渗式和注入式补给，沿地表溪沟径流和地下岩溶管道排泄。

2.2 场地工程地质条件

朱砂堡二号隧道位于沪昆高铁贵州段铜仁南站至三穗站区间，隧道全长505 m，埋深48～58 m。

该区地面高程575～650 m，自然坡度10°～35°，局部陡峻，植被发育。地表分布溶沟、溶槽、岩溶洼地、暗河等岩溶现象，其中岩溶洼地及落水洞最为典型。

下伏地层岩性为寒武系下统清虚洞组(∈1q)薄层浅灰色灰岩；隧道内未见断裂、褶皱，地层单斜，岩层层面产状N43°E /19°S，发育两组优势节理产状：N45°E/90°、N47°W/90°。

隧道穿越常年流水的克麻塘暗河(图2)，该暗河汇水面积达7.74 km2；暗河入口位于D2K473+996 m处左侧27. 5 m，洞口高15～20 m，宽4～8 m，暗河入口测时(2011.05.12)流量6 m3/s；暗河出口位于D2K473+300右36.3 m附近，洞口高20～250 m，宽6～10 m，测时(2011.05.11)流量8 m3/s。地下水总体上由南部向北部径流，即线路左侧往右侧方向径流。

2.3 隧道岩溶的工程地质分区

根据岩溶发育的形态特征，同时考虑洞穴及暗河与线路的交切关系，将隧道沿线岩溶分为：溶洞大厅段、暗河平行段、暗河交叉段(图2、表1)，各段岩溶发育特征如下：

表1 朱砂堡2# 隧道岩溶工程地质特征分区

2.3.1 溶洞大厅段

1#溶洞大厅(图3)埋深约24 m，底部纵向长约90 m，横向宽约53 m，溶洞呈“梨”状，向上收窄变小，高约58 m，容积约32×104m3，溶腔内无水，溶洞上部洞壁围岩线路左侧岩体较破碎且极易坍落，右侧岩体较为完整。隧道靠近该溶洞边顶部通过，隧底距溶洞底部约45 m。溶洞底部有部分坍落的碎块土堆积物，且覆盖约15 m厚碎块石土，洞底D2K473+570～+616段右侧23～47 m为大斜坡，大斜坡往下为落水洞，直径13～25 m，向下约45 m与暗河相通(图2)。暗河沿溶洞大厅底部从大里程侧由左向右、再向小里程方向流过。D2K473+538右48 m发育一支溶洞，溶洞长约44 m，宽约26 m，高约15 m。

2.3.2 暗河平行段

隧道里程D2K473+630～+720处与暗河大致平行，为暗河平行段。溶腔埋深约87 m，溶腔最宽约40 m，最高约78 m。经进洞调查，暗河水流湍急(图4)，洞壁岩体节理裂隙发育，部分地段呈倒悬状，受隧道施工放炮影响洞壁易掉块。

图2 溶洞与隧道位置平面关系图

图3 溶洞大厅段溶洞穹顶

图4 朱砂堡二号隧道下伏暗河

2.3.3 暗河交叉段

暗河在隧道里程D2K473+720～+805大致与线路斜交67°通过，为暗河交叉段。暗河溶蚀形成的形状不规则的2#溶洞大厅。溶腔埋深约53 m，顺线路方向最宽约80 m，隧道仰拱平面顺线路方向溶腔宽约42 m，垂直线路方向最宽约120 m(溶洞底部)，溶腔最大深度91 m，线路方向最大深度79.3 m，溶洞横线路方向成三角型、上窄下宽，顺线路方向呈“啤酒肚”型，溶洞埋深约40 m，隧道二衬拱顶标高与溶洞顶标高基本持平。从溶洞下部情况看，洞壁(图5)岩体破碎，表层易坍落，底部有部分坍落的碎块土堆积，部分地段呈倒悬状。

图5 暗河交叉段溶洞洞壁

3 岩溶区地质模型的构建

根据隧道岩溶的工程地质分区，依次选取溶洞大厅段(里程：D2K473+575)、暗河平行段(里程D2K473+670)、暗河交叉段(里程：D2K473+765)的3处典型不利横断面(图6、图8、图10)，构建地质结构模型(图7、图9、图11)，并设置模型四周及底部为固定边界条件。

图6 D2K473+575溶洞大厅段横断面图

图7 溶洞大厅段模型

图8 D2K473+670暗河平行段溶洞横断面图

图9 暗河平行段模型

图10 D2K473+765暗河交叉段溶洞横断面图

图11 暗河交叉段模型

由于溶洞洞壁均为薄层状灰岩，岩层较为平缓，岩层节理裂隙发育，岩体受节理切割及卸荷作用影响，洞壁岩体极为破碎，受结构面影响易坍落。故根据岩层产状(N43°E/19°S)和两组垂直优势结构面(N45°E/90°、N47°W/90°)对模型进行节理化，充分体现原型的结构面特征。

而后，根据试验获得的岩体及结构面参数(表2、表3)，通过离散单元法采用理想弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb 屈服准则进行计算，迭代1 000步至最大不平衡力稳定后，将原有位移清零，计算模拟隧道开挖后溶洞的变形位移云图和岩体掉块规模。

表2 岩体物理力学参数取值

表3 岩体结构面物理力学参数取值

4 岩溶区模拟结果与分析

4.1 模拟结果

4.1.1 溶洞大厅段

计算结果表明1#溶洞大厅顶板岩体在自重应力下发生了明显的塌落(图12a)。位移量云图显示模型迭代了4万步后，塌落块体最大位移量达36.21 m。此外，监测A点向X正方向最终位移量为0.17 mm，向Z负方向最终位移量为2.99 mm；监测B点向X正方向最终位移量为0.01 mm，向Z负方向最终位移量为0.78 mm；监测C点向X正方向最终位移量为0.07 mm，向Z负方向最终位移量为0.41 mm。通过A、B、C点的位移监测对比，可以发现隧道开挖后，隧道底板溶洞悬空处的变形最大，Z轴负方向产生最大为2.99 mm的位移(图12b)。根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)[24]，正线轨道静态铺设精度高低允许偏差为2 mm，溶洞大厅段隧道底板变形量超过允许值，隧道底板不稳定。

4.1.2 暗河平行段

计算结果表明，暗河平行段溶洞在自重应力下未发生明显塌落(图13a)，隧道开挖后，隧道右侧出现轻微蠕变，隧底出现轻微的上拱(图13b)，且满足《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)要求。监测点D点向X正方向上的最终位移量为0.21 mm，向Z负方向最终位移量为0.13 mm；监测点E点向X正方向上的最终位移量为0.01 mm，向Z负方向最终位移量为0.04 mm；可以说暗河平行段溶洞顶板仅发生忽略不计的变形，故溶洞顶板是稳定的。

图12 溶洞大厅段数值模拟结果

分区名称溶洞顶板变形量/mm隧道底板变形量/mm变形区面积/m2预计塌落距离/m预计坍塌体积(m3/100 m)稳定性溶洞大厅段-0.78-2.991 02136.2192.5差暗河平行段-0.04-0.13194//好暗河交叉段-1.64/1 73638.85332.5差

图13 暗河平行段数值模拟结果

图14 暗河交叉段数值模拟结果

4.1.3 暗河交叉段

计算结果表明暗河交叉段的2#溶洞大厅左侧支溶洞在自重应力下发生了明显的层状塌落，而右侧支溶洞仅发生了轻微塌落(图14a)。位移量云图显示模型迭代了4万步后，塌落块体最大位移量达38.85 m。而监测点F点向X正方向上的最终位移量为0.25 mm，向Z负方向最终位移量为0.58 mm；监测点G点向X正方向上的最终位移量为0.07 mm，向Z负方向最终位移量为0.26 cm；监测点H点向X正方向上的最终位移量为0.05 cm，向Z负方向最终位移量为0.12 mm。从暗河交叉段Z方向位移量云图(图14b)，变形量最大的为左侧支溶洞洞顶，变形量达到了56.52 mm，并且将会进一步诱发右侧倒悬崖发生变形；其次，隧道右侧的主溶洞洞顶变形量达到了1.64 mm，隧道洞顶左侧变形量为右侧变形量的61%。

4.2 讨论与分析

以上计算结果表明朱砂堡特大型岩溶在隧道开挖后变形量很小，从宏观上朱砂堡2#隧道溶洞顶板围岩总体处于稳定状态，但溶洞大厅段、暗河交叉段溶洞顶板会产生变形区且表层会发生坍塌掉块。

而表4归纳了各段岩溶变形和坍塌量计算结果的统计值。从表4可以看出：溶洞顶板变形量、坍塌量最大的为暗河交叉段，预计洞顶变形面积1 736 m2，坍塌体积为332.5 m3/100 m；其次，为溶洞大厅段预计洞顶变形面积1 021 m2，坍塌体积为92.5 m3/100 m；暗河平行段变形最小，也不会发生块体坍塌。尽管暗河交叉段坍塌量大于溶洞大厅段，但坍塌主要发生在左侧支洞。因此，在施工前需对溶洞大厅段和暗河交叉段不稳定危石、孤石清除，并采用锚喷防护对洞壁进行加固。施工后，可在隧道内修建厚2 m的C25混凝土护拱。

此外，溶洞大厅段隧道底板变形过大，是暗河平行段的23倍。且超过《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)标准约1 mm，不满足行车要求，建议修建C20混凝土圬工边坡对隧道顶板进行支撑，其余空洞用弃渣边坡回填。而暗河交叉段隧道底板稳定性符合规范要求，不需采取进一步措施。

5 结论

综上所述，本文通过工程地质调查和3DEC离散单元法构建地质模型，研究了朱砂堡2#隧道内特大型岩溶的稳定性，得到如下结论：

(1) 溶洞大厅段隧道底板变形量超过设计标准1 mm，不满足行车要求，需修建C20混凝土圬工边坡对隧道顶板进行支撑，其余空洞用弃渣边坡回填。

(2) 溶洞大厅段、暗河交叉段溶洞顶板表层岩体会发生层状坍塌，施工前需对溶洞大厅段和暗河交叉段不稳定危石、孤石清除，并采用锚喷防护对洞壁进行加固。施工后，可在隧道内修建厚2 m的C25混凝土护拱。

(3) 暗河平行段溶洞顶板表层岩体仅发生忽略不计的变形，且不会发生显著坍塌，隧道底板稳定，可不采取工程措施。

致谢:在此特别感谢郑光老师对本文修改的意见和指导。

[1] 任美锷，刘振中.岩溶学概论[M].北京：商务印书馆,1983.

[2] 李学东，程久胜，马来秋，等.朱家岩隧道特大型溶洞处治方案探讨[J].中外公路，2007,27(5):179-183.

[3] 黄坤全，张琳.大型岩溶路基勘察与稳定性评价[J].交通科技.2011,(2):74-76.

[4] 苗德海.宜万铁路云雾山隧道“+852”溶洞发育特征及技术对策[J].铁道勘察，2012，(4):21-25.

[5] 李元海，杨苏，喻军，等.大型溶洞对隧道开挖稳定性的影响分析[J].现代隧道技术，2016，53(4):52-60.

[6] 杨为民，杨昕，袁永才，等.隧道前方大型溶洞对隧道围岩稳定性影响[J].科学技术与工程，2017，17(8):239-243.

[7] 张延，陈中.隧道岩溶处理面面谈[J].现代隧道技术，2001，38(1):60-64.

[8] 光耀华.岩溶地区工程地质研究的若干新进展概述[J].中国岩溶，1998，17(4):70-75.

[9] 李彪，梁富清.高速公路隧道施工中岩溶的研究[Z].中国成都:20005.

[10] 程建铝，宋战平.喀斯特地区铁路隧道工程地质灾害研究初探——以宜(昌)万(州)铁路金子山岩溶隧道为例[J].水利与建筑工程学报，2006，4(3):18-21.

[11] 张营旭，张会刚，毛邦燕，等.沪昆客专朱砂堡2#隧道岩溶发育特征与形成机理及工程地质评价[J].路基工程，2017，(5):218-222.

[12] 李嘉雨，陈亮，蒋良文，等.川黔线裁缝岩滑坡灾害的基本特征与初步研究[J].地质灾害与环境保护，2016，27(4):1-7.

[13] 彭川.岩溶隧道围岩与结构稳定性分析[D].长沙理工大学,2009.

[14] 李嘉雨.岩土边坡及支护结构土工离心机模型制作方法的研究[J].中国水运(下半月)，2014，14(11):336-338.

[15] 赵明阶，刘绪华，敖建华，等.隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析[J].岩土力学，2003，24(3):445-449.

[16] 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，2011，32(1):269-275.

[17] 宋战平，杨腾添，张丹锋，等.溶洞对隧道(洞)稳定性影响的数值试验及现场监测分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2014，46(4):484-491.

[18] 铁道部第二勘察设计院.岩溶工程地质[M].北京：中国铁道出版社，1984.

[19] 李宁，段庆伟，杨志伟，等.乌江思林水电站地下厂房洞群的数值仿真分析[J].水力发电学报，1996，(1):43-50.

[20] 吴梦军，许锡宾，赵明阶，等.岩溶地区公路隧道施工力学响应研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(9):1525-1529.

[21] 李培楠，刘俊，苏锋.溶洞对地铁隧道开挖稳定性影响的数值分析[J].路基工程，2013，(4):76-81.

[22] 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，2011，32(1):269-275.

[23] Zhang Y, Tong W Q.Numerical Simulation Analysis of Deformation Character of the Surrounding Rock Masses of Forked Tunnel Concerning the Influence of Concealed Karst Caverns[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2013,18:3195-3208.

[24] 中国铁道出版社.高速铁路设计规范(TB10621-2014)[S].北京：2014.