巖溶隧道圍巖穩定性研究現狀

郝瑞軍，郝永明

巖溶隧道圍巖穩定性研究現狀

郝瑞軍1，郝永明2

（1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.中交路橋南方工程有限公司，北京 100027）

在中國西南片區修建隧道會經常碰到溶洞，巖溶地質下隧道施工非常危險，容易造成落石、塌方、突水突泥等事故，嚴重影響施工工期及作業人員的安全。研究了巖溶隧道圍巖的穩定性，對既有對巖溶隧道從穩定性分析方法、穩定性影響因素、防治措施等方面進行總結。可見，目前穩定性分析方法主要為理論研究、數值模擬和現場試驗。穩定性影響因素主要有溶洞的空間位置、大小、充填情況。防治措施主要從地質超前預報、防突厚度及監測等方面考慮。簡要說明了巖溶隧道研究的總體現狀，并指出當前巖溶隧道研究所遇到的問題及未來研究的趨勢，為今后的研究提供參考。

巖溶隧道；爆破；圍巖；穩定性

1 前言

隨著經濟的不斷發展，中國公路、鐵路等基礎設施不斷完善，隧道及巖溶地區隧道建設項目也逐漸增多。尤其是在中國的西南地區，由于存在大量的石灰巖，并且降雨豐富，地形高低起伏，為溶洞發育創造了良好的條件，所以在西南片區修建隧道會經常碰到溶洞。溶洞具有尺寸大小不明確、是否充水不明確、位置不確定、地下水分布不明確、形狀不規則等特征，使隧道設計施工面臨諸多的不便。

通過總結和分析既有研究成果，筆者認為還存在以下一些不足：①未考慮復雜情況下溶洞對隧道圍巖穩定性的影響；②超前地質預報的準確度低；③針對巖溶隧道圍巖穩定性的計算方法及監測研究不足。

2 巖溶隧道圍巖穩定性的研究方法

圍巖是保障巖溶隧道安全施工及運營的基本要素，目前巖溶隧道圍巖穩定性分析方法主要有解析法、數值模擬和現場試驗。

2.1 解析法

理論研究主要從數學、力學的角度出發，研究支護與圍巖的相互關系，早期認為支護為了抵抗圍巖的變形，后面逐漸認識到圍巖具有自承能力。駱帥伶等[1]認為解析方法主要針對圓形洞室，對于其他形式的洞室可以用復變函數法求近似解，認為解析法現在有較好的理論基礎，得出的結果可獲得規律性的認識。但計算較復雜，在實際應用時受到限制。另外，張倬元[2]等對含有軟弱結構面的的巖體和拱頂圍巖有單獨塊體穩定性分析方法進行了詳細分析。

在進行巖溶隧道圍巖穩定性分析時，圍巖應力與變形的關系通常采用復變函數進行計算，得到彈性解析解，但這種方法適用于規則的圓形斷面。非規則斷面時，通常需要簡化處理，會帶來誤差。當巖體應力應變超過極限值時，解析法就不再適用了，對于實際工程圍巖各向異性，目前解析法是無法解決的，可以運用數值模擬進行求解。

2.2 數值模擬法

模擬研究法可以分為數值模擬和物理模擬，目前有限元法是使用最多的數值模擬方法，用來求解彈性、塑性、彈塑性等問題[3]。龔美等[4]用數值模擬的方法模擬了某巖溶隧道的坍塌機理，認識了碎石土塌陷破壞，地面出現塌陷的整個過程，采取了適當開挖、支護方式，保證了隧道安全通過巖溶地區。趙明階等[5]對某巖溶隧道進行數值模擬，得出隧道圍巖穩定性隨著溶洞距離增大而增大，同時會引起偏壓現象，整體像溶洞區靠攏。張峰等[6]用有限差分軟件模擬某巖溶隧道開挖過程，根據圍巖變形和破壞規律，提前做好預防措施，保障隧道施工順利進行。

2.3 現場試驗法

模擬研究和理論計算有可能不符合實際工程情況，所以現場監測與試驗顯得很重要。隧道圍巖穩定性現場試驗主要有圍巖應力、應變測值、巖體物理參數測量。王本碩應用鋼筋應力計（如圖1所示）和多點位移計（如圖2所示）等對某隧道的應力和位移進行了監測[7]。

圖1 鋼筋應力計

圖2 多點位移計

通過以上文獻分析，目前大多數學者運用理論分析、數值分析、現場測試來進行巖溶隧道的圍巖穩定性分析，但仍然存在很多不足，比如理論分析簡化了很多條件，數值分析沒有真正的仿真，現場測試沒有廣泛的適用性，所以還需要努力研究發展。

3 巖溶隧道圍巖穩定性的影響因素

巖溶的位置、尺寸、形狀、是否偏壓等因素會影響巖溶隧道圍巖穩定性，很多國內外學者對其進行了研究。趙明階等[8]以某巖溶隧道為依托，運用二維彈塑性理論分析了巖溶隧道頂部不同尺寸、距離對圍巖穩定性的影響，并得出結論。蔣穎[9]運用數值分析軟件對溶洞分布位置對隧道穩定性影響進行研究。趙明階等[10]研究了巖溶尺寸對巖溶隧道的穩定性影響并且做了模型試驗。陶志平根據巖溶的位置及尺寸對隧道基底沉降的影響進行了研究。劉招偉等以某隧道為工程依托，對該巖溶地區進行工程地質分析，應用室內試驗、數值模擬等方法對巖溶隧道的突水過程、突泥過程以及對應的規律和特點進行研究，同時初步解釋了該巖溶隧道突水突泥的機理，并把隧道的空間位置與巖溶結構兩者之間的關系分為不同的地質模式，但是雖然模式不同，其巖溶發生突水的機制是相同的。并總結了巖溶隧道突水的原因和影響因素，以及如何預防突水的措施和支護措施，為巖溶隧道的施工提供了技術指導[11]。

綜上可知，許多學者研究了巖溶的尺寸、大小、防突厚度對巖溶隧道圍巖穩定性的影響，大部分研究都比較單一，沒有把幾種影響因素綜合考慮，且在周圍環境復雜條件下的研究較少。

4 結語

隧道圍巖穩定性分析方法主要有工程地質判別法、解析法、數值模擬。最早人們用工程地質判別法與自身工程經驗相結合，隨著數學的發展，人們對圍巖壓力認識不斷深化，從最開始荷載結構理論到后來的充分發揮圍巖的自承能力的思想，大大節省物力財力。隨著計算機的發展，大量的模擬軟件可以真實反映建筑物各個地方應力應變，分析其穩定性，提高人們的工作效率。

大多數學者對巖溶隧道的三個方面進行研究：針對地質條件的超前勘測技術，圍巖穩定性，巖溶隧道對環境的影響。目前對巖溶隧道的研究停留在如何治理和施工方法的研究和圍巖應力分析上，而沒有更深層次的研究，存在的問題有：①沒有精確地對巖溶的空間位置、含水量、尺寸進行了解。②研究的范圍比較大，針對性不是特別強，可能研究的成果只適用于依托工程這種隧道，比簡單一。③復雜條件下的巖溶隧道研究較少，例如考慮地震區、極小凈距巖溶隧道施工以及富含各種不良地質現象的地區，如斷層、滑坡、泥石流等；對環境有要求的地區；有重要保護對象的地區等。④數值模擬過程中網格簡化了，沒有貼近真實情況，與實際工程還在存在差別。筆者認為，隨著研究者認識的提高和計算機的發展，力學、數學、系統學、計算機科學等理論將會越來越多運用于穩定性理論的發展。未來對于復雜條件下的巖溶隧道將會用有限元軟件進行模擬，網格劃分更加貼近真實情況，研發出一套針對巖溶隧道的計算方法和模擬軟件。模擬各種不同條件下的情況，為設計、施工提供參考。隨著科技發展，今后研究肯定也會轉向溶洞精確勘測，在設計的時候就能充分考慮溶洞的影響，提前避開或保持安全距離，這將大大節省財力物力。

［1］駱帥伶，蔣美蓉，金豐年.地下洞室圍巖穩定性分析方法探討［J］.隧道及地下工程，2009，15（3）：56-59．

［2］張倬元，王仕天，王蘭生.工程地質分析原理［M］.北京：地質出版社，1994．

［3］許傳華，任青文，李瑞.地下工程圍巖穩定性分析方法研究進展［J］.金屬礦山，2003（2）：34-37.

［4］龔美，黃曉燕.遵畢高速尖山巖溶隧道坍塌數值模擬與施工控制［J］.公路工程，2013，38（3）：42-47.

［5］趙明階，王學軍，劉緒華，等.隧道側巖溶分布對圍巖穩定性影響的數值模擬研究［J］.土木建筑與環境工程，2003，25（1）：6-11.

［6］張峰，王建，胡英.不同類型巖溶分布對隧道穩定性影響分析［J］.山西建筑，2014，40（15）：65-67.

［7］王本碩.鈣質泥巖大斷面隧道圍巖穩定性分析與控制方法及工程應用［D］.濟南：山東大學，2017.

［8］趙明階，劉緒華，敖建華，等.隧道頂部巖溶對圍巖穩定性影響的數值分析［J］.巖土力學，2016，24（3）：445-449.

［9］蔣穎.溶洞分布部位對隧道穩定性影響的數值分析［J］.鐵道標準設計，2009（9）：67-70.

［10］趙明階，敖建華，劉緒華，等.巖溶尺寸對隧道圍巖穩定性影響的模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004（2）：213-217.

［11］劉招偉，何滿潮，王樹仁.圓梁山隧道巖溶突水機理及防治對策研究［J］.巖土力學，2006，27（2）：228-232.

U451

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.056

2095－6835（2019）18－0133－02

〔編輯：嚴麗琴〕