高速公路岩溶隧道地质特征对施工安全的影响分析

李季晖

摘要 为保证高速公路岩溶隧道的安全施工，需精准分析岩溶地质特性及该特性对隧道施工安全的影响，因此，文章以某地区高速公路隧道工程为例，展开相关研究和分析。对研究工程的地质情况进行相关勘察，确定岩溶类别、位置、大小以及数量等，并结合勘察结果，分析岩溶发育特征；以特征分析结果为依据，采用FLAC3D软件建立隧道工程计算模型，分析岩溶特征对隧道开挖受力分布的影响以及岩溶对隧道极限剪应力的影响，为该类工程施工提供可靠、合理依据。

关键词 高速公路；岩溶隧道；地质特征；施工安全；影响分析；极限剪应力；开挖受力

中图分类号 U452文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0096-04

0 引言

岩溶是水对可溶性岩石进行化学溶蚀后形成的一种地质形态，我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，岩溶区域的地质条件尤为复杂[1]，增加了隧道施工的安全风险。如果隧道工程和岩溶发育区毗邻，则会降低隧道围岩的完整性[2]，其主要原因是隧道工程区域的地下水在流动过程中会对周围围岩进行长期侵蚀，导致隧道工程发生悬空现象[3]，并且岩溶发育的范围内，结构作用力较为复杂，变形控制难度较大[4]，甚至会导致隧道工程发生坍塌下沉以及严重的岩溶塌陷，极大程度降低隧道工程支护体系的安全性[5]。因此，为保证高速公路隧道工程的施工安全和质量，在分布岩溶地质的环境下施工时，须精准掌握岩溶地质特性[6]，并针对该特性分析岩溶对施工安全的影响水平，及时采取相应的处理措施，进而为隧道工程设计和施工提供可靠参考和理论支撑[7]。

文中以某地区的高速公路隧道工程为例，研究岩溶隧道的地质特征对施工安全的影响。

1 工程概况

该隧道工程位于我国广西的中西部地区，该地区分布大量的石灰岩山峰，通过地表进行岩溶勘测的可靠性较低，因此，隧道施工时极易遇到岩溶地质，存在较高的施工安全风险。该隧道工程设计时速为120 km/h，为单洞双线设计，隧道全长为1 316.8 m，最大埋深接近115 m，隧道入口和桥梁工程相连接，隧道出口和路基相连接。隧道内部线路纵坡为1 220 m的1.85%单面下坡，以及96.8 m的平坡。

该隧道工程的整个洞身均通过溶岩底层，并且岩溶发育明显，从地表即可看见溶洞、岩溶漏斗以及落水洞发育；除此之外，隧道内地下水主要为空隙潜水、岩溶水以及基岩裂隙水，因此，导致隧道施工过程中主要存在危岩落石、涌水突泥、塌方等风险。

隧道施工时，通过钻探勘测出的溶洞数量已经达到115个，其大小、位置、形态等均存在显著差异，岩溶的相对位置和发育走向详情如表1和表2所示。

通过上述统计结果可知，该隧道工程中的岩溶主要分布在隧道的拱顶、拱腰处，分布比例均在30%以上，拱脚和仰拱处的分布较少。在整个分布中，岩溶的发育主要是沿隧道纵向分布。岩溶的大小情况如表3所示。

2 岩溶发育特征

在上述勘测结果的基础上，对该工程范围内的岩溶发育特征进行分析，详细分析结果如下：

2.1 岩溶发育的成层性以及向深性

岩溶发育期的不同会导致岩溶的形态存在差异，例如等级为Ⅰ、Ⅱ时，主要表现为垂向岩溶，其次存在水平岩溶；等级为Ⅲ、Ⅳ时，主要表现为水平岩溶，其次存在垂直岩溶，说明岩溶的发育和底壳变化、岩溶水的情况存在直接关系。文中研究的隧道工程中溶洞口向内彼此连接，一旦发生大量降水，地下水会通过中间溶洞流出；底壳不发生运动时，水平岩溶发育显著、底壳发生运动时，垂直岩溶发育显著，因此，体现了岩溶发育的向深性。

2.2 岩溶发育的不均匀性

对该隧道工程岩溶水文地质情况进行勘察后得出，岩溶的发育存在显著的不均匀性，岩溶大小比例差距明显，因此，岩溶发育和地质岩层特向、地质构造之间存在直接关联，存在显著的不均匀性。

2.3 岩溶发育的垂向分带性

该隧道工程在近地表地带，存在明显的岩溶水交替循环现象，并且存在较多数量的大规模岩溶洞隙，同时地下深处地下水的交替运动较慢，只有小容隙和少数的容孔，形成明显的垂直分带特征，该特征的分带图如图1所示。

通过图1可看出，该隧道施工环境中，从地表向下主要包含垂向洞隙带、水平管道带以及深部空隙带。

3 岩溶特征对施工安全的影响

通过上述小节的分析可知，岩溶存在多种特征，为保证隧道的安全施工，须精准掌握这些特征对施工安全的影响。文中通过FLAC3D软件建立计算模型，分析岩溶特征对施工安全的影响，主要从两个方向进行分析：一是对隧道开挖受力分布的影响，二是对隧道极限剪应力的影响。

FLAC3D软件主要是以有限差分为基础，对隧道塑性破坏过程进行更为精准地分析和模拟，确保分析结果的可靠性和合理性。有限差分法的核心是采用离散化方式对差分网格进行处理，完成非线性问题的简化处理，使其形成导数问题，可降低运算复杂程度，同时保证问题结果的真实性。该软件在分析过程中，主要针对隧道最大埋深施工段进行分析，该施工段中，隐伏岩溶较多，并且沿隧道纵向发育，其断面主要为圆形或者椭圆形，绝大部分岩溶均属于季节性干溶洞，降雨后会发生径流水。分析时构建的隧道模型尺寸为100 m×150 m×2 m，埋深为100 m，隧道前后端以及地面均设置约束，其顶部为自由面，不对其施加荷载。设置的围岩密度为2 400 kg/m3，弹性模量为12 GPa，泊松比为0.27，黏聚力为1.1，内摩擦角为45°，初期支护结构厚度为32 cm。通过上述参数设置后，进行岩溶地质特征对隧道施工安全的影响分析。

3.1 隧道开挖受力分布的影响

隧道开挖的过程中会涉及地下岩体和土壤的受力分布。在岩溶地质条件下，受力分布呈现出独有的特征，对隧道设计和施工产生重大影响。隧道开挖后，拱顶通常会承受明显的拉应力。这是因为在开挖过程中，岩层会失去原有的支撑，导致拱顶处的岩体出现拉应力，试图抵抗拱顶坍塌的趋势。同时，隧道底部周围的围岩会产生隆起，形成一定的压力。这种受力分布是典型的隧道開挖现象，需要在设计中考虑拱顶和底部的支撑及加固，以确保施工的安全性。隧道开挖后，主应力通常会向两侧拱脚逐渐扩散。这是因为隧道的开挖会改变地下岩体的受力状态，导致主应力重新分布。这种主应力的扩散可能会对隧道周围的围岩产生影响，因此需要在设计中预测和控制主应力的传播路径。

如果隧道开挖范围内存在岩溶地质，情况会更加复杂。岩溶地质通常包括溶洞和地下空间，它们在隧道开挖过程中会表现出特殊的受力行为。溶洞底部可能会发生轻微的拉裂现象，而溶洞顶部和隧道拱顶可能会受到明显的拉应力。此时，围岩与溶洞之间的相互作用也需要特别关注，因为围岩可能会发生明显的位移。隧道开挖范围内的岩溶特征距离隧道拱腰越近，受力分布可能会更为复杂。在这种情况下，应力较小，因此围岩可能会集中对隧道侧壁进行作用，导致隧道的变形。同时，拱顶处和边墙处可能会受到较大的拉应力和压应力。这需要在设计和施工中采取适当的措施来保持隧道的稳定性。岩溶地质条件下的隧道开挖需要精心设计和提前制定施工策略，包括考虑支护结构、围岩加固、地下水的控制等方面。对岩溶地质特征的深入了解和建立合适的模型是至关重要的，以便能够准确预测受力分布和围岩行为。隧道开挖是一个风险高且复杂的工程任务，综合风险管理是确保隧道工程成功完成的关键因素，包括定期监测岩体和围岩的变化，及时采取措施来减轻潜在的风险，以确保施工的安全性和隧道的可靠性。有溶洞和无溶洞两种情况下，拉应力的变化情况如图2所示。

通过图2的分析结果可知，隧道施工范围内如果邻近溶洞，会导致岩溶隧道受到的极限拉应力显著提升，两者距离越近，提升越显著，即隧道的位移变形越显著。因此，岩溶对于隧道施工会造成变形和位移的影响。

3.2 岩溶对隧道极限剪应力的影响

隧道在施工过程中，岩溶的存在会导致围岩发生隆起，并且会形成剪切破坏，通过FLAC3D分析岩溶对隧道极限剪应力的影响。

实际工程施工时，围岩会受到三向作用力，其极限剪切应变用ηf表示，实际工程三相作用力下的ηf会大于单向作用力下的极限剪切应变ηg，依据FLAC3D中弹性极限应变ηh，采用应变偏张量第二不变量进行表述，则ηh的计算公式为：

式中，σc、σ3——单轴抗压强度和围岩压力；v——泊松比；E——弹性模量；φ——内摩擦角。

通过公式（1）可知，ηh会随着σ3的增加而增加，并且ηf和ηh之间存在一定线性关联，其公式为：

ηf=ηg+kσ3 （2）

式中，k——线性系数。

依据上述公式即可分析相对应围岩级别和围岩压力下的极限剪切应变，并通过数值模拟计算进行分析，如果模型分析的剪切应变大于或者等于极限剪切应变，则表示隧道发生破坏；如果模型分析的剪切应变小于极限剪切应变，表示隧道施工较为安全，没有发生破坏。

4 施工过程中岩溶隧道的探测方法

通过分析岩溶隧道的地质特征和受力分析，在施工岩溶隧道的过程中，结合相应的岩溶隧道探测方法，采取具体的防范措施，避免发生安全事故。

设计线路的优化避让，某隧道工程线穿越山体外侧的大型堆积体，需先加固堆积体再进行桥梁施工，安全风险大、费用高。优化线避让堆积体，但现场调查发现隧道位于富水区，顶部存在5个大型的消水洞，最终选定最优线，既避让了堆积体也避开了山体富水带，预测单洞涌水量由210 000 m3/d降至80 000 m3/d。施工过程中未出现大量的涌水。从现场实际施工看，选线是非常正确的。

超前地质钻探，是隧道施工期超前地质预测预报最直接、最有效的方法，也是对其他探测手段成果的验证和补充，通过钻孔钻进速度及对岩芯的分析，以及相关试验，获取掌子面前方一定距离岩石的强度指标、地层岩性资料、地下水、岩溶等方面的资料。

隧道地震波反射法超前预报（TSP）是利用地震波在岩体传播过程中，在声阻抗界面会产生地震反射波，利用仪器设备采集隧道岩体中地震波传播的信息，通过相关处理系统进行数据处理，结合已有的地质资料综合分析，实现对隧道前方地质条件的推断，达到地质超前预报的目的。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状況等，最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。某隧道超前地质钻孔的具体应用，预测到了地下大型溶洞，与现场实际揭示的较为符合，为施工提供了可靠的依据，采取了相应的措施，避免了损失。

地质雷达是一种工程地球物理方法，被广泛用于工程质量检测、场地勘察以及隧道超前地质预报工作。以其高分辨率和强大的探测能力在地质领域备受青睐。该文将详细探讨地质雷达的原理、应用领域以及在深埋隧道、富水地层和溶洞发育地区的重要性。地质雷达工作原理类似于声纳，但它使用无线电波而不是声波。地质雷达通过发射短脉冲的电磁波，然后测量这些波在地下反射的时间和强度。反射的波形提供了地下结构和地层变化的信息，包括土壤、岩石、水位和空隙等。因为地质雷达的工作频率很高，所以它具有出色的分辨率，能够探测到地下非常细小的特征。

在深埋隧道和富水地层的工程中，地质雷达具有独特的优势。这些地区通常存在复杂的地质条件，如高压水位、断裂带、破碎带等。地质雷达的高分辨率和强大的穿透能力使其成为一种非常有用的工具。地质雷达可用于确定地下水位、水文地质条件和含水带的位置。这对于隧道施工和水文地质研究至关重要。在富水地层和断裂带区域，地质雷达可以识别地下的断层带。这有助于工程师采取适当的措施来应对地质变化和降低风险。在溶洞发育地区，地质雷达可以探测并识别地下空洞，这有助于规划和施工过程中的安全性，以及防止隧道或其他工程受到不稳定地下空间的影响。地质雷达在深埋隧道、富水地层和溶洞发育地区的应用需要综合风险管理，包括将地质雷达的信息与其他地质数据、实验结果和工程方案相结合，以综合评估潜在风险，并采取适当的措施来确保工程的成功。

5 结论

岩溶是我国分布较为广泛的一种地质特征，其发育类型较多、分布情况较为复杂，对于隧道工程的施工安全会造成较大影响。在施工过程中，会导致隧道发生突水涌泥、坍塌、位移以及变形等情况，引发一系列的隧道施工安全问题。因此，隧道工程施工时，为保证施工安全，须对岩溶的地质特性进行相关分析，结合多种隧道岩溶的探测手段，掌握隧道地质特性，进而保证施工安全。文中以某地区的高速公路隧道工程为例，分析高速公路岩溶隧道的地质特征及相关的探测手段，并且通过模拟软件，研究该特征对隧道施工过程中安全的影响，结合探测成果，采取相应的施工措施，为相关工程施工提供合理依据。

参考文献

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