岩溶隧道围岩稳定性研究现状

郝瑞军，郝永明

岩溶隧道围岩稳定性研究现状

郝瑞军1，郝永明2

（1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交路桥南方工程有限公司，北京 100027）

在中国西南片区修建隧道会经常碰到溶洞，岩溶地质下隧道施工非常危险，容易造成落石、塌方、突水突泥等事故，严重影响施工工期及作业人员的安全。研究了岩溶隧道围岩的稳定性，对既有对岩溶隧道从稳定性分析方法、稳定性影响因素、防治措施等方面进行总结。可见，目前稳定性分析方法主要为理论研究、数值模拟和现场试验。稳定性影响因素主要有溶洞的空间位置、大小、充填情况。防治措施主要从地质超前预报、防突厚度及监测等方面考虑。简要说明了岩溶隧道研究的总体现状，并指出当前岩溶隧道研究所遇到的问题及未来研究的趋势，为今后的研究提供参考。

岩溶隧道；爆破；围岩；稳定性

1 前言

随着经济的不断发展，中国公路、铁路等基础设施不断完善，隧道及岩溶地区隧道建设项目也逐渐增多。尤其是在中国的西南地区，由于存在大量的石灰岩，并且降雨丰富，地形高低起伏，为溶洞发育创造了良好的条件，所以在西南片区修建隧道会经常碰到溶洞。溶洞具有尺寸大小不明确、是否充水不明确、位置不确定、地下水分布不明确、形状不规则等特征，使隧道设计施工面临诸多的不便。

通过总结和分析既有研究成果，笔者认为还存在以下一些不足：①未考虑复杂情况下溶洞对隧道围岩稳定性的影响；②超前地质预报的准确度低；③针对岩溶隧道围岩稳定性的计算方法及监测研究不足。

2 岩溶隧道围岩稳定性的研究方法

围岩是保障岩溶隧道安全施工及运营的基本要素，目前岩溶隧道围岩稳定性分析方法主要有解析法、数值模拟和现场试验。

2.1 解析法

理论研究主要从数学、力学的角度出发，研究支护与围岩的相互关系，早期认为支护为了抵抗围岩的变形，后面逐渐认识到围岩具有自承能力。骆帅伶等[1]认为解析方法主要针对圆形洞室，对于其他形式的洞室可以用复变函数法求近似解，认为解析法现在有较好的理论基础，得出的结果可获得规律性的认识。但计算较复杂，在实际应用时受到限制。另外，张倬元[2]等对含有软弱结构面的的岩体和拱顶围岩有单独块体稳定性分析方法进行了详细分析。

在进行岩溶隧道围岩稳定性分析时，围岩应力与变形的关系通常采用复变函数进行计算，得到弹性解析解，但这种方法适用于规则的圆形断面。非规则断面时，通常需要简化处理，会带来误差。当岩体应力应变超过极限值时，解析法就不再适用了，对于实际工程围岩各向异性，目前解析法是无法解决的，可以运用数值模拟进行求解。

2.2 数值模拟法

模拟研究法可以分为数值模拟和物理模拟，目前有限元法是使用最多的数值模拟方法，用来求解弹性、塑性、弹塑性等问题[3]。龚美等[4]用数值模拟的方法模拟了某岩溶隧道的坍塌机理，认识了碎石土塌陷破坏，地面出现塌陷的整个过程，采取了适当开挖、支护方式，保证了隧道安全通过岩溶地区。赵明阶等[5]对某岩溶隧道进行数值模拟，得出隧道围岩稳定性随着溶洞距离增大而增大，同时会引起偏压现象，整体像溶洞区靠拢。张峰等[6]用有限差分软件模拟某岩溶隧道开挖过程，根据围岩变形和破坏规律，提前做好预防措施，保障隧道施工顺利进行。

2.3 现场试验法

模拟研究和理论计算有可能不符合实际工程情况，所以现场监测与试验显得很重要。隧道围岩稳定性现场试验主要有围岩应力、应变测值、岩体物理参数测量。王本硕应用钢筋应力计（如图1所示）和多点位移计（如图2所示）等对某隧道的应力和位移进行了监测[7]。

图1 钢筋应力计

图2 多点位移计

通过以上文献分析，目前大多数学者运用理论分析、数值分析、现场测试来进行岩溶隧道的围岩稳定性分析，但仍然存在很多不足，比如理论分析简化了很多条件，数值分析没有真正的仿真，现场测试没有广泛的适用性，所以还需要努力研究发展。

3 岩溶隧道围岩稳定性的影响因素

岩溶的位置、尺寸、形状、是否偏压等因素会影响岩溶隧道围岩稳定性，很多国内外学者对其进行了研究。赵明阶等[8]以某岩溶隧道为依托，运用二维弹塑性理论分析了岩溶隧道顶部不同尺寸、距离对围岩稳定性的影响，并得出结论。蒋颖[9]运用数值分析软件对溶洞分布位置对隧道稳定性影响进行研究。赵明阶等[10]研究了岩溶尺寸对岩溶隧道的稳定性影响并且做了模型试验。陶志平根据岩溶的位置及尺寸对隧道基底沉降的影响进行了研究。刘招伟等以某隧道为工程依托，对该岩溶地区进行工程地质分析，应用室内试验、数值模拟等方法对岩溶隧道的突水过程、突泥过程以及对应的规律和特点进行研究，同时初步解释了该岩溶隧道突水突泥的机理，并把隧道的空间位置与岩溶结构两者之间的关系分为不同的地质模式，但是虽然模式不同，其岩溶发生突水的机制是相同的。并总结了岩溶隧道突水的原因和影响因素，以及如何预防突水的措施和支护措施，为岩溶隧道的施工提供了技术指导[11]。

综上可知，许多学者研究了岩溶的尺寸、大小、防突厚度对岩溶隧道围岩稳定性的影响，大部分研究都比较单一，没有把几种影响因素综合考虑，且在周围环境复杂条件下的研究较少。

4 结语

隧道围岩稳定性分析方法主要有工程地质判别法、解析法、数值模拟。最早人们用工程地质判别法与自身工程经验相结合，随着数学的发展，人们对围岩压力认识不断深化，从最开始荷载结构理论到后来的充分发挥围岩的自承能力的思想，大大节省物力财力。随着计算机的发展，大量的模拟软件可以真实反映建筑物各个地方应力应变，分析其稳定性，提高人们的工作效率。

大多数学者对岩溶隧道的三个方面进行研究：针对地质条件的超前勘测技术，围岩稳定性，岩溶隧道对环境的影响。目前对岩溶隧道的研究停留在如何治理和施工方法的研究和围岩应力分析上，而没有更深层次的研究，存在的问题有：①没有精确地对岩溶的空间位置、含水量、尺寸进行了解。②研究的范围比较大，针对性不是特别强，可能研究的成果只适用于依托工程这种隧道，比简单一。③复杂条件下的岩溶隧道研究较少，例如考虑地震区、极小净距岩溶隧道施工以及富含各种不良地质现象的地区，如断层、滑坡、泥石流等；对环境有要求的地区；有重要保护对象的地区等。④数值模拟过程中网格简化了，没有贴近真实情况，与实际工程还在存在差别。笔者认为，随着研究者认识的提高和计算机的发展，力学、数学、系统学、计算机科学等理论将会越来越多运用于稳定性理论的发展。未来对于复杂条件下的岩溶隧道将会用有限元软件进行模拟，网格划分更加贴近真实情况，研发出一套针对岩溶隧道的计算方法和模拟软件。模拟各种不同条件下的情况，为设计、施工提供参考。随着科技发展，今后研究肯定也会转向溶洞精确勘测，在设计的时候就能充分考虑溶洞的影响，提前避开或保持安全距离，这将大大节省财力物力。

［1］骆帅伶，蒋美蓉，金丰年.地下洞室围岩稳定性分析方法探讨［J］.隧道及地下工程，2009，15（3）：56-59．

［2］张倬元，王仕天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京：地质出版社，1994．

［3］许传华，任青文，李瑞.地下工程围岩稳定性分析方法研究进展［J］.金属矿山，2003（2）：34-37.

［4］龚美，黄晓燕.遵毕高速尖山岩溶隧道坍塌数值模拟与施工控制［J］.公路工程，2013，38（3）：42-47.

［5］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］.土木建筑与环境工程，2003，25（1）：6-11.

［6］张峰，王建，胡英.不同类型岩溶分布对隧道稳定性影响分析［J］.山西建筑，2014，40（15）：65-67.

［7］王本硕.钙质泥岩大断面隧道围岩稳定性分析与控制方法及工程应用［D］.济南：山东大学，2017.

［8］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，2016，24（3）：445-449.

［9］蒋颖.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析［J］.铁道标准设计，2009（9）：67-70.

［10］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（2）：213-217.

［11］刘招伟，何满潮，王树仁.圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究［J］.岩土力学，2006，27（2）：228-232.

U451

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.056

2095－6835（2019）18－0133－02

〔编辑：严丽琴〕