頂部溶洞對圍巖應力影響規律分析

呂金明

（中交路橋南方工程有限公司，北京226300）

巖溶地區的隧道施工不僅需要注意施工過程中突發的涌水、突泥情況，更需要解決隧道圍巖的變形與失穩問題，而圍巖的變形與失穩常會導致隧道工程施工中發生坍塌、掉塊、落石事故。在以往的巖溶隧道地質災害事故中，由于隱伏的溶洞沒有經過工程揭露而難以事先采取措施，遭到的破壞往往難以估量，埋下了較為嚴重的安全隱患。當前，對于巖溶地區橋隧工程建設的研究仍處于較低水平[1-2]。所以研究隱伏溶洞對隧道工程的影響，并對其影響規律進行探討，便于施工過程中對隱伏溶洞進行預處理，確保巖溶地區隧道工程順利開展，降低溶巖隧道地區的地質災害發生概率，為巖溶區隧道和地下工程的建設提供必要的技術支持。下面將結合具體實例對隧道工程中頂部溶洞對圍巖應力的影響規律進行分析。

1 隧道圍巖應力分析

隧道圍巖的受力狀態通過圍巖應力表現出來，圍巖應力是評價圍巖穩定性的重要標準。由于隧道工程的施工，隧道周邊的巖石因為開挖而改變了其應力狀態，如果圍巖所受應力大于巖體承受的極限強度時，巖體將由韌性狀態變為塑性狀態，引起圍巖失穩。圍巖中應力因隧道開挖的變化程度可以用應力集中系數來表示。隧道開挖時產生的應力與未開挖時該點的初始應力的比值稱為應力集中系數[3]。考慮到巖體的抗拉強度遠遠低于巖體的抗壓強度，巖體中拉應力的出現將使圍巖的應力狀態惡化，導致圍巖因拉應力過大而破壞。因此，圍巖中拉應力分布是描述圍巖應力狀態的變化的又一參量。

2 隧道工程概況

白巖隧道進口位于重慶市萬州區新田鎮高家村三組，出口位于鹽井社區龍池村三組，距萬州城區約40 km，距鹽井社區約3.0 km，進出口均無公路相通，交通不便。進口段為自然斜坡，地形坡度較大，呈階狀，坡角為20°～35°。從進口到出口，隧道以30°～45°的軸線方向與巖層走向呈20°～35°的角度相交，洞身段地形總體為鞍部一側的斜坡（西高東低），洞軸線位于斜坡中下都。

本隧道圍巖可分為Ⅳ、Ⅴ級，組成Ⅳ級圍巖的地層巖性主要為洞身段頁巖，此類巖以較軟巖為主，巖體較完整，層間結合較好～一般。Ⅴ級圍巖的地層巖性主要為洞口段頁巖、砂巖洞身段泥質粉砂巖、頁巖。巖質多軟弱，以軟巖為主，風化裂隙較發育，強風化帶較厚，層間結合多一般，巖體受地質枃造及風化作用影響較重，裂隙較發育，呈碎、裂狀，松散結構易坍塌，圍巖無自穩能力，隧道的洞頂存在溶洞。根據前述實例分析，頂部溶洞應力影響主要分析隧道周邊應力集中系數的變化和圍巖中拉應力的變化情況。通過相關的數值試驗，分析頂部溶洞影響下隧道周邊圍巖應力的變化[4-6]。數值試驗結果分析表明，頂部溶洞的存在將導致隧道周邊巖體中的應力場特件發生變化，在隧道頂拱附近圍巖中拉應力將增加，隧道中部圍巖中壓應力將降低，而隧道底部圍巖中壓應力將增加。根據頂部溶洞影響的這一特征，可將隧道周邊劃分為拉應力升高區、壓應力升高區和壓應力降低區三個影響區。其中，頂拱120°范圍內為拉應力升高區，隧道中部為壓應力降低區，隧道底部為壓應力升高區。將此三區內應力的變化情況進行分析。

2.1 隧道頂部拉應力分析

受頂部溶洞影響時，隧道頂拱120°范圍內巖體中的拉應力將增加，而壓應力將相應地減小。但此時隧道頂拱附近拉應力分布深度將有所減小，且在洞周的分布范圍將有所增加。在此范圍內，以隧道頂拱中部拉應力變化最大。該點應力變化的數值試驗結果如表1 所示。

該點拉應力的變化有如下特征：拉應力量值將隨著溶洞洞徑的增加而增加，隨著溶洞距隧道間距離的增加而減小；在溶洞間徑比（溶洞距隧道間的距離/溶洞洞徑）小于0.5 時，如溶洞洞徑大于隧道洞徑，則該點拉應力集中系數將增加為無溶洞時的2 倍以上；在洞徑比為2.0 時，頂部拉應力將增加到2.5 倍；但在洞徑比小于0.5 時，頂部溶洞對隧道拉應力的影響將小于20%；在洞徑比小于0.5 或溶洞距隧道間的距離大于1.5 倍溶洞洞徑時，頂部溶洞對隧道頂部拉應力的影響將小于10%。

表1 隧道頂拱中點應力變化的數值試驗結果

2.2 隧道中部壓應力的變化特征分析

受頂部溶洞影響．隧道中部圍巖中的切向應力將減小，分析隧道中點切向應力的變化特征。點應力隨溶洞洞徑和洞間距變化的數值試驗結果如表2 所示。由此可見，受頂部溶洞的影響，隧道中部圍巖中的壓應力將減小；隨著溶洞洞徑的增加，隧道中部切向應力將進一步降低，在溶洞洞徑大于隧道洞徑時，該點切向應力將減小20%以上；隨著溶洞距隧道間距離的增加，隧道切向應力將逐漸增加，在洞間距大于1 倍的溶洞洞徑時，切向應力將增加到無溶洞影響時應力的90%，即此時頂部溶洞對隧道切向應力的影響將降低到10%以下；在洞間距小0.5 倍隧道洞徑時，如溶洞洞徑大于1.5隧道洞徑，則隧道中部切向應力將減小30%左右，在洞徑比大于1.0 且隧道間徑比大于1.0 時，隧道中部圍巖應力將降低約10%以下[7]。

表2 隧道頂拱中點切向應力變化的數值試驗結果

3 結語

中國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，全國有超過1/3 的面積分布著可溶巖層，遍布所有的省、市、自治區。巖溶地區修建隧道工程的首要問題就是解決巖溶問題，由于巖溶的危害較大，已發生了很多起工程事故。而近些年來中國基礎設施建設速度加快，在鐵路、公路施工中常會遇到巖溶地區的涌水、突泥事故，其中隧道頂部溶洞的充填物坍塌問題則影響最為嚴重。本文對隧道圍巖應力的特點進行分析，以重慶市萬州區白巖隧道為例，介紹了隧道圍巖地質情況，并分析了隧道頂部拉應力、隧道中部壓應力及隧道底拱壓應力等三種情況特點。在溶洞隧道施工中遇到的溶洞形式多種多樣，溶洞相似時采取的處理方法也基本一致，需要通過研究隧道主線與溶洞的相交位置、溶洞規模大小等，通過方案的技術、經濟比較，從施工的難易程度、安全風險、施工成本等方面綜合考慮，擬定合理的處理方案。