隱伏溶洞對隧道圍巖應力及地表沉降的影響研究

摘要：貴州省降雨豐沛、河網密布的自然條件，常會在山體中形成溶洞，使得隧道施工更加困難。研究不同半徑、不同間距的溶洞對隧道地表沉降及圍巖應力的影響，主要得到了以下結論：溶洞的存在使得地表沉降顯著增加，且隨著比例系數β的減小地表沉降逐漸增大，且溶洞水平影響距離都僅限于4倍隧道直徑內； 當隧道下方出現隱伏溶洞時，其圍巖壓力會顯著增大，應力最大值出現在隧道邊緣位置，且圍巖壓力隨著比例系數β的減小而逐漸增大；當隧道下方存在不同大小、不同間距的溶洞時，隧道開挖對圍巖應力的影響主要集中于1倍直徑的范圍內。

關鍵詞：隱伏溶洞；地表沉降；圍巖應力；隧道開挖

0" "前言

貴州省提出在“十四五”期間，要建設以貴陽為中心的“127”高鐵快速交通圈，但貴州省“天無三日晴，地無三里平”的自然條件以及多山地的地形地貌，使得高鐵建設難度加大，故在貴州省修建高速鐵路時多采用隧道掘進的方案。由于貴州省降雨豐沛、河網密布的水文條件，使得山體中形成大大小小的溶洞，導致隧道施工更加困難[1-3]。

關于巖溶地貌對隧道的影響，多以研究溶洞位置、溶洞大小以及隧道直徑對隧道穩定性的影響，研究方法多采用模型試驗或者數值模擬的方式進行研究，并初步得出了溶洞頂板安全厚度預測模型[4-8]。但在實際工程建設中，不同的地層條件、不同的施工方式及不同的溶洞性狀，都會對隧道危巖應力的分布及位移產生重要影響。本文以某隧道為研究對象，建立模型試驗，以明確溶洞尺寸對隧道頂板沉降及危巖應力分布的影響，進一步研究頂板厚度對地表沉降的影響，可為在溶洞多見的貴州地區修建隧道時提供理論參考。

1" "模型建立

為了研究溶洞對隧道的影響，在隧道下方設置溶洞，隧道周圍布設土壓力盒，監測隧道圍巖壓力變化，地表布設位移傳感器監測地表位移的變化，模型建立如圖1所示。

2" "隱伏溶洞對隧道圍巖的影響研究

2.1" "溶洞直徑對地表沉降的影響

為了研究溶洞直徑對地表沉降的影響，保持隧道半徑大小為25cm不變，同時也保持溶洞頂端距隧道底端的距離始終保持為10cm，通過改變溶洞半徑大小來研究溶洞直徑對地表沉降的影響。研究隧道下方無溶洞，隧道下方溶洞的直徑分別為10cm、15cm、25cm，并定義一個衡量溶洞與隧道相對大小的比例系數β，如式1所示，β越小，表征溶洞大小與隧道大小越接近，β越大，表示溶洞遠小于隧道大小。

（1）

式中：

D ——隧道直徑；

d ——溶洞直徑。

地表沉降隨水平距離變化如圖1所示。由圖1可以看出，相較于無溶洞的狀況，溶洞的存在使得地表沉降顯著增加，且隨著比例系數β的減小地表沉降逐漸增大。這主要是由于存在于隧道下方的溶洞，使得圍巖對隧道的支撐減弱，且溶洞半徑越大，對圍巖支撐作用削弱地越多，圍巖的穩定性相應減弱，產生了更大的地表沉降。

由圖1還可看出，雖然溶洞大小不同，但地表沉降都隨著距隧道中心距離的增加在逐漸減小，地表沉降主要發生在距隧道中心2倍的距離內，在距隧道中心4倍直徑距離時，地表不會產生沉降，故雖然隱伏于隧道下方的溶洞會，顯著影響地表沉降的大小，但不同大小的溶洞水平影響距離都為4倍隧道直徑。

2.2" "溶洞與隧道間距對地表沉降的影響

為了研究溶洞與隧道間距對地表沉降的影響，保持持隧道直徑大小為25cm不變，溶洞直徑大小為15cm不變，即保持比例系數β為1.7不變，僅通過改變溶洞位置，來研究溶洞頂端距隧道底端之間距離（以下統稱為間距）的影響，故試驗設置間距分別為10cm、15cm、25cm來進行研究。

不同間距時沉降隨水平位移變化如圖3所示。由圖3可知，地表沉降隨著距離隧道中心距離的增加在逐漸減小，地表沉降以隧道中心為對稱軸呈對稱分布，相較于沒有隱伏溶洞的情況，不同間距的隱伏溶洞都使得地表沉降顯著增大，且隨著間距的增加，地表沉降在逐漸減小。當間距與隧道直徑大小相當時，地表沉降減小至無溶洞時的兩倍以內，故在實際工程建設中，當間距大于隧道直徑時，地表沉降可以得到顯著控制。

由圖3還可以看出，雖然溶洞與隧道的間距不同，但溶洞與隧道間距對地表沉降的影響主要集中在距隧道中心兩倍隧道直徑的范圍內。當距隧道中心4倍隧道直徑時，溶洞的存在及隧道的開挖都不會產生影響，故溶洞對地表沉降的影響僅限定于4倍隧道直徑的范圍內。

2.3" "溶洞直徑對圍巖壓力的影響

為了研究溶洞直徑對圍巖壓力的影響，保持隧道半徑大小為25cm不變，同時也保持溶洞頂端距隧道底端的距離始終保持為10cm，通過改變溶洞半徑大小來研究溶洞直徑對圍巖壓力的影響，將溶洞直徑依然設置為10cm、15cm、25cm，土壓力提取位置為隧道右面10cm、15cm、25cm處。

溶洞直徑對圍巖壓力的影響如圖4所示。由圖4可知，當隧道下方出現隱伏溶洞時，其圍巖壓力會出現顯著增大，且隨著溶洞半徑的增加（β逐漸減小），在相同位置處其圍巖壓力會逐漸增大。這主要是由于隨著溶洞的出現，削弱了隧道下方圍巖的穩定性，降低了圍巖的支撐能力，故在其他位置處的圍巖內部要承受更大的壓力，才能維持隧道的穩定性。當隧道下方出現溶洞時，其右面的圍巖應力會顯著提高。同樣隨著下伏溶洞半徑的增大，對隧道下方圍巖的支撐能力削弱就越顯著，其他方位處的圍巖就得承受更大的應力，故隨著溶洞半徑的增大，圍巖應力在逐漸減小。

由圖4還可看出，圍巖壓應力最大值出現在隧道邊緣位置，且隨著距離隧道邊緣距離的增加，圍巖的應力在逐漸減小。由此可以說明，由于隧道開挖造成應力重分布，在隧道圍巖處存在拱形應力圈，該種拱形應力圈使得隧道圍巖更加穩定。

2.4" "溶洞與隧道間距對圍巖應力的影響

為了研究溶洞與隧道間距對圍巖應力的影響，保持隧道直徑大小為25cm不變，溶洞直徑大小為15cm不變，即保持比例系數β為1.7不變，僅通過改變溶洞位置來研究溶洞頂端距隧道底端之間距離的影響。

不同間距圍巖應力隨水平距離變化如圖5所示。由圖5可以看出，不同間距時，圍巖應力隨著距隧道邊緣距離的增加都呈減小趨勢，同樣反映出隧道開挖后形成了拱形應力圈來維持隧道圍巖的穩定。當隧道下方出現溶洞時，其圍巖應力都會顯著增加，且圍巖應力隨著間距的增加在逐漸減小。這主要是由于隨著間距的減小，對隧道下方圍巖的穩定性削弱越顯著，圍巖的支撐能力降低也越顯著，故水平位置處的圍巖內部要承受更大的壓力，才能維持隧道的穩定性，所以圍巖應力隨著間距的增加在逐漸減小。

由圖4還可知，隧道開挖對圍巖的影響主要集中在距隧道邊緣一倍直徑范圍內，超過一倍直徑時，其應力重分布不顯著，圍巖應力增加也不顯著。

由圖4和圖5可知，溶洞大小不同，間距不同時，隧道開挖對圍巖應力的影響主要集中于1倍直徑的范圍內，超過一倍直徑時，由于隧道開挖造成的圍巖應力增加并不顯著。

3" "結論

本文通過研究半徑不同、間距不同的隱伏溶洞對地表沉降及隧道圍巖應力的影響，主要得到了以下結論：

溶洞的存在使得地表沉降顯著增加，且隨著比例系數β的減小地表沉降逐漸增大，且溶洞水平影響距離都僅限于4倍隧道直徑內。

當隧道下方出現隱伏溶洞的時候，其圍巖壓力會顯著增大，應力最大值出現在隧道邊緣位置，且圍巖壓力隨著比例系數β的減小而逐漸增大。

當隧道下方存在不同大小、不同間距的溶洞時，隧道開挖對圍巖應力的影響主要集中于一倍直徑的范圍內。

參考文獻

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