不同类型岩溶分布对隧道稳定性影响分析

张峰 王建 胡英

(1.中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064;2.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

0 引言

中国喀斯特地貌分布广，其中以广西、贵州和云南东部所占的面积最大，是世界上最大的喀斯特区之一。随着我国西部大开发战略的实施，西南地区高速公路及铁路工程的建设日渐趋多，特别是隧道工程也相应增多。目前岩溶隧道的勘察、物探、预测预报等技术仍受到各种条件的限制，对隧道前方岩溶预测预报有一定作用，对隧道侧部岩溶预测效果不明显。

目前岩溶对隧道的影响研究主要是针对溶洞，例如谭代明［1］对侧部含有溶洞的隧道围岩的稳定性进行了数值模拟研究;王华牢［2］开展了隐伏岩溶群对公路隧道顶板承载力影响的三维数值敏感性分析研究;赵明阶［3，4］探讨了隧道顶部以及底部溶洞大小对围岩稳定性的影响;蒋颖［5］研究隧道周围无溶洞以及溶洞位于隧道侧部、顶部和底部4种工况。未考虑其他类型岩溶对隧道的影响。

本文以广西地区一已建成的岩溶隧道为研究对象，用有限差分软件FLAC3D分别对侧部分布溶洞或落水洞的隧道围岩稳定性进行数值模拟研究，并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析，通过研究岩溶隧道掘进中围岩变形和破坏的规律，以提前做好各种预防措施，可为岩溶地区同类隧道工程的设计、施工提供参考。

1 隧道工程概况及岩溶发育条件

1.1 工程概况

该隧道为分离式隧道，上行线长2 674 m，下行线长2 700 m，轴线坡度均为－2.05%，隧道设计标高分别为744.83 m～690.40 m和745.17 m～690.65 m，隧道穿越峰丛山岭，最大埋深约270 m。

1.2 岩溶

1.2.1 岩溶发育的岩性、构造条件

该地层的岩性为中厚层状灰岩、硅质灰岩夹薄层状硅质岩，碳酸盐矿物纯度较差，不利于岩溶发育;岩层总体倾向NE，倾角10°～30°，属缓倾斜的单斜地层，也不利于岩溶发育。隧道区上第三系(N)地层的岩性主要为硅质岩，非可溶岩，岩溶不发育。隧道区西南面及东北面岩层分别属石炭系上统(C3)和二迭系茅口组(P1m)，岩性为中厚～厚层状(甚至巨厚层状)灰岩，碳酸盐矿物纯度较高，对岩溶发育较为有利。受断层影响，沿断层带发育一连串溶洼(盆)，由此可见，NE向断裂对岩溶发育起到控制作用。

1.2.2 岩溶地貌特征

隧道区未见有漏斗、落水洞、溶沟、石牙、塌陷洼地等岩溶现象，出露地表的溶洞也不多见，岩溶发育程度较低。而隧道区西南面及东北面，特别是沿瑶寨断层带，溶洼(盆)呈串珠状分布，在瑶寨村及塘浪村的低洼处，常分布有消水溶洞、漏斗，裸露的岩壁也常见有岩溶洞穴，岩溶发育程度相对较高。

1.2.3 岩溶发育特征

该隧道所在谷地地下水水位深埋，隧道设计标高位于地表以下，最高地下水位以上的包气带，大气降水通过各种裂隙深入岩层中后，主要做垂直运动，因此以近垂直岩溶形态发育为主要形态，如岩溶漏斗、落水洞和竖井等。

根据隧道开挖施工过程中现场揭露的情况看，该隧道所在高程处岩溶主要以落水洞为主(9个)，其次为溶洞(5个)。落水洞规模比较大，一般直径大于半个掌子面大小，空间轴向近似垂直，其中6个有溶泥填充，3个为空腔;溶洞规模较小，最大直径约为1.0 m ～3.0 m，全为溶泥填充。

YK45+945左拱脚落水洞见图1，ZK45+901～ZK45+912左拱脚溶洞见图2。

图1 YK45+945左拱脚落水洞

图2 ZK45+901～ZK45+912左拱脚溶洞

综上所述，该隧道区岩溶具有以下特征:

1)岩溶发育主要为落水洞(约64%)，其次为溶洞(约36%)。

2)岩溶发育受岩性和构造控制，岩溶体以NE向展布为主，与隧道区主要构造线方向相同，与隧道呈大角度相交。

3)隧道沿线岩溶发育差异显著，通常于沟谷地段岩溶相对较发育，其余地段岩溶发育程度较低。

2 隧道施工的数值模拟

2.1 建立模型

该隧道岩溶发育主要为落水洞(约64%)，其次为溶洞(约36%)。因此在建模过程中建立两个模型，分别包含落水洞及溶洞，均在隧道的右侧，如图3，图4所示。

图3 隧道（落水洞）计算模型（1/2）

图4 隧道（溶腔）计算模型（1/2）

计算范围为:上边界(Z轴正方向)为70 m，下边界(Z轴负方向)为30 m，左边界(X轴正方向)为50 m，右边界(X轴负方向)为50 m。整个模型左右两侧施加水平方向约束边界条件;底部施加竖直方向约束边界条件;顶部为自由边界。模型沿Y轴方向开挖，Y轴总长为50 m，落水洞及溶洞中心位置在Y=24 m。落水洞的直径为10 m，隧道中心与落水洞中心距离为14.8 m，隧道与落水洞间围岩最短距离为4 m;溶洞的直径为10 m，隧道中心与溶洞中心距离为14.8 m，隧道与溶洞间围岩最短距离为4 m。

2.2 确定计算参数

围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，岩体的初始地应力场只考虑自重应力的影响。

在施工的过程中，锚喷初期支护和围岩加固注浆措施是通过在数值模拟中适当地提高围岩加固区的参数来实现的，如表1所示。

表1 围岩和支护结构力学参数

2.3 模拟开挖方案

施工中采用台阶法施工，以2 m为一个爆破循环进尺进行掘进，同时整个隧道断面也分为上下台阶分步开挖进行模拟。上台阶开挖后，立即在隧道的拱部喷射20 cm厚的素混凝土;下台阶开挖后，在边墙和隧道底部也喷射同厚度的素混凝土。二次衬砌滞后于初次支护3 m长度，即一个步长。

3 模拟结果与分析

3.1 位移场特征

图5，图6为y=12 m，16 m，20 m，24 m断面位置围岩竖向位移云图。其中，y=12 m，16 m断面为隧道侧部还未出现落水洞、溶洞;y=20 m断面为隧道侧部已出现落水洞、溶洞，但非极大值处;y=24 m断面为隧道侧部落水洞、溶洞断面最大位置。表2为4个典型隧道断面以及落水洞、溶洞周边特征位置位移最终值。

由图5，图6及表2可以得知随着隧道的掘进，溶洞(落水洞)周围的位移值也在发生改变，越靠近落水洞或者溶洞的隧道的拱顶、拱肩和拱腰处围岩的垂直收敛位移值比远离的相应位置的值要大。

图5 落水洞型岩溶隧道典型断面竖直方向位移云图

图6 溶洞型岩溶隧道典型断面竖直方向位移云图

对于y=24 m的断面(靠近落水洞最大尺寸)，水平位移达到最大值:左拱腰处位移(4.76 mm)＞左拱肩处位移(2.182 mm)＞右拱肩处位移(－1.949 mm)＞拱顶处位移(－0.782 mm)＞右拱腰处位移(－0.33 mm)。与此同时，下沉位移也达到最大值:拱顶处位移(－19.94 mm)＞右拱肩处位移(－17.72 mm)＞左拱肩处位移(－16.73 mm)＞右拱腰处位移(－3.867 mm)＞左拱腰处位移(－2.236 mm)。

对于y=24 m的断面(靠近溶洞最大尺寸)，水平位移达到最大值:右拱腰处位移(－12.38 mm)＞左拱腰处位移(10.91 mm)＞右拱肩处位移(－5.289 mm)＞左拱肩处位移(3.656 mm)＞拱顶处位移(－1.323 mm)。与此同时，下沉位移也达到最大值:拱顶处位移(－25.00 mm)＞右拱肩处位移(－23.31 mm)＞左拱肩处位移(－20.03 mm)＞右拱腰处位移(－4.25 mm)＞左拱腰处位移(－2.852 mm)。

表2 隧道和溶洞周围特征位置位移计算值 mm

图7 落水洞型岩溶隧道典型断面围岩塑性区

3.2 塑性区分布特征

从图7，图8可以清晰看出，隧道开挖后，溶洞或落水洞两类岩溶的存在，影响着隧道周围塑性区的分布。随着隧道右侧从无落水洞(溶洞)(y=12 m，16 m)逐渐变化到有落水洞(溶洞)(y=20 m，24 m)，以及落水洞(溶洞)规模由小变大(y=20 m，24 m)，隧道拱顶、拱底、左拱肩和左拱腰处的塑性区范围变化不大;相反，隧道右拱肩、右拱腰、落水洞(溶洞)左侧塑性区范围逐渐变大，岩溶与隧道间围岩的塑性区有沿垂直方向不断扩张的趋势，其中隧道侧部岩溶为落水洞最明显。

图8 溶洞型岩溶隧道典型断面围岩塑性区

4 结语

1)不同类型岩溶隧道，侧部为溶洞的隧道的拱顶、拱肩和拱腰处围岩的收敛位移值要比侧部为落水洞的隧道的拱顶、拱肩和拱腰处围岩的收敛位移值大。

2)隧道开挖后，溶洞或落水洞两类岩溶的存在，影响着隧道周围塑性区的分布。

3)对侧部分布溶洞或落水洞的隧道围岩稳定性数值模拟研究，以提前做好各种预防措施，可为岩溶地区同类隧道工程的设计、施工提供参考。

［1］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(9):11-12.

［2］王华牢，张 鹏，李 宁.隐伏岩溶洞群对公路隧道顶板承载力影响的研究［J］.公路交通科技，2010(3):25-26.

［3］赵明阶，徐 容，刘绪华，等.隧道顶部溶洞影响围岩稳定性的模型试验研究［J］.地下空间，2003(6):47-48.

［4］赵明阶，敖建华，刘绪华，等.隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析［J］.重庆交通学院学报，2003(6):33-34.

［5］蒋 颖.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析［J］.隧道/地下工程，2009(9):29.

［6］宋战平，党宏斌，李 宁.既有溶洞对隧道围岩位移特征影响的数值试验［J］.长江科学院院报，2008(10):7-9.