近接溶洞對隧道開挖穩定性影響分析

摘 要：【目的】為了研究拱頂近接溶洞對隧道開挖穩定性的影響規律。【方法】本研究以西南地區某隧道工程為依托，采用數值模擬方法，對不同工況下的隧道開挖穩定性進行模擬分析。【結果】隧道拱頂處揭露小型溶洞時（近接距離gt;2 m），拱頂位移量及襯砌支護結構拉壓應力值皆減小，變化幅值與近接距離成反比，且均在10%以內；當隧道與溶洞近接距離小于2 m時，支護結構所承擔的拉壓應力雖減小，但拱頂位移量隨之增大，間距內的圍巖極易出現塑性區貫通現象，支護體系的完整性遭到破壞，須提前做好超前支護及開挖后的支護措施。【結論】研究成果可為類似巖溶地區支護設計及施工措施的優化提供參考。

關鍵詞：巖溶隧道；近接；應力重分布；塑性區

中圖分類號：P642" " " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0077-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.014

Analysis of the Stability Influence of the Nearby Karst Cave on the

Tunnel Excavation

ZHANG Ming

（China Railway 11th Group Fourth Engineering Co.， Ltd.，Wuhan" 430200， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the influence of the proximity of karst caves to tunnel arches on excavation stability. [Methods] A numerical simulation method was used to analyze the excavation stability of the tunnel under different working conditions， based on a tunnel project in the southwest region of China. [Findings] When small karst caves are exposed at the tunnel arch （proximity distance gt;2 m）， the displacement and tensile and compressive stress values of the lining support structure at the arch are reduced. The change pattern is inversely proportional to the proximity distance， and the amplitude is within 10%. When the distance between the tunnel and the cave is less than 2 m， the tensile and compressive stress borne by the tunnel support structure decreases， but the displacement of the arch increases. The surrounding rocks within the distance are prone to plastic zone breakthrough， and the integrity of the support system is damaged. Therefore， advanced support and post-excavation support measures should be taken. [Conclusions] The research results can provide reference for the optimization of support design and construction measures in similar karst areas.

Keywords： karst tunnel; nearby cave; stress redistribution; plastic region

0 引言

隨著我國交通網絡的不斷完善，隧道建設環境也變得更為復雜。尤其是在我國西南地區，特殊的地形地貌及復雜的巖溶地質環境，加大了隧道修建難度及運營風險［1］。在巖溶地質環境中，溶洞是隧道工程中不可忽略的風險因素。尤其是在隧道建設區域巖溶發育時，大量溶洞破壞了原有圍巖的整體性，使得隧道部分圍巖處于欠穩定狀態，對工程安全造成了極大的威脅［2］。基于此，大量學者針對復雜巖溶地質條件下的地下工程建設展開研究。

部分學者針對溶洞的形成及防治措施展開研究。蔣良文等［2］基于圓梁山隧道，研究溶洞的形成過程，發現該地區的大型溶洞是由于地下水在褶曲內部的流動、虹吸作用及長期沖刷共同作用下導致的。閆長虹等［3］通過大量的野外勘查，發現斷層裂縫是形成巖溶的有利地質條件。隧道穿越溶洞發育區時，由于隧道的開挖及復雜的地質環境，支護結構受力情況變得較復雜，采用傳統工法已不能滿足工程需求。劉旭斌等［4］依托于太平隧道工程，通過多維度對比施工技術，最終得出一種安全、經濟、高效的溶洞穿越方案。李鴻博等［5］基于大連某巖溶地段，通過實地勘察、設計及施工處理，構建了一套適用于盾構穿越巖溶地貌的施工措施。王少輝等［6］通過數值模擬軟件，研究了爆破開挖對巖溶地區隧道穩定性影響的規律，并據此優化施工措施。趙明階等［7］通過試驗及數值模擬分析，針對側面近接溶洞的隧道開挖進行穩定性分析，研究發現隧道在此工況下會受到嚴重的偏壓作用。綜上所述，學者多是針對巖溶隧道中溶洞的發展、處理措施的優化進行研究，而溶洞對隧道穩定性的影響規律研究尚不全面。因此，筆者基于西南某公路隧道工程，針對巖溶地區近接溶洞對隧道開挖圍巖穩定性的影響規律展開研究，探究了不同近接距離下圍巖應力分布規律，闡明了溶洞與隧道圍巖穩定性的一些內在聯系，可為類似巖溶隧道工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

本項目依托于西南某公路隧道工程，全長1.87 km，最大埋深155 m。巖溶地層為薄～中層狀灰巖、中層狀白云質粉晶灰巖。隧道圍巖多以Ⅲ類為主，局部巖溶空腔發育段落多為Ⅴ類圍巖。隧道凈寬13.6 m，開挖高度約10.3 m，洞內雙向行車道寬度為2×4.70 m。實際開挖過程中，拱頂上方揭露小型貧水類巖溶溶洞，近接距離遠近不一，平均洞寬約3 m。本研究根據實際工程背景，將近接距離作為主要影響因素，進行隧道開挖后圍巖穩定性分析，以此揭示特殊位置溶洞與隧道穩定性的內在聯系。

2 巖溶隧道有限元模型的建立

2.1 數值分析模型

基于設計資料及工程地質條件，充分考慮溶洞對隧道穩定性的影響程度，借助FLAC3D數值模擬軟件，依據現場實際工況構建模型，針對有無溶洞的不同工況進行隧道開挖穩定性計算分析。同時，如圖1所示，選取近接距離為2 m、4 m和6 m作為對比工況，分別對計算結果的應力場、位移場特征進行分析。

2.2 模型參數及邊界條件

根據現場地勘資料及室內巖土體力學強度試驗結果，模型參數取值見表1。如圖2所示，模型以隧道軸線為Y軸，水平面上以垂直于洞軸線為X軸。為保證計算的可靠性，在水平面X軸方向上計算邊界取距離隧道邊界3倍洞徑（約45 m），水平Y軸隧道開挖方向上取1 m，豎直方向上選取實際覆蓋土層厚度，約32 m，模型尺寸為100 m×1 m×80 m（長×寬×高）。計算過程中，對模型底部及四周法向位移、速度進行約束，頂部設定為自由面。

3 結果分析及討論

3.1 近接溶洞對隧道支護結構受力分布影響

隧道拱頂位置處揭露溶洞時，不同工況（近接距離分別為2 m、4 m、6 m）下支護受力情況如圖3所示。襯砌支護結構整體處于受壓狀態，最大壓應力出現在拱腳內側位置，為9.0～9.2 MPa；拱頂出現拉應力，量值不到0.1 MPa。分析可知，在現有支護條件下，隧道襯砌均處于較穩定狀態，對于以上模擬工況均能起到較好的支護作用。

對支護受力情況以及位移量值進行統計分析，如圖4至圖5所示。當隧道附近無溶洞時，隧道支護結構最大拉應力為0.067 MPa，最大壓應力為9.25 MPa，拱頂最大位移約12.03 mm。當溶洞空腔位于隧道拱頂2 m處時，隧道支護結構最大拉應力減小了8.26％，約0.061 MPa，最大壓應力減小了0.76％，約9.18 MPa，拱頂最大位移量增加了0.25%，約12.06 mm。當溶洞位于隧道拱頂4 m處時，隧道支護結構最大拉應力減小了6.47％，約0.062 MPa，最大壓應力減小了0.62％，約9.19 MPa，拱頂最大位移量減小了2.41%，約11.74 mm。當溶洞位于隧道拱頂6 m處時，隧道支護結構最大拉應力減小了4.92％，約0.063 MPa，最大壓應力減小了0.55％，約9.20 MPa，拱頂最大位移量減小了2.00%，約11.79 mm。

3.2 近接溶洞對隧道影響規律分析

綜上統計，無溶洞工況隧道建設過程中，支護結構出現拉壓應力最值；當溶洞與隧道近接距離小于2 m時，支護結構拉壓應力減小幅度明顯，但拱頂沉降略有增大；當溶洞與隧道近接距離大于2 m時，隨著近接距離的增大，支護結構拉壓應力值及拱頂位移值逐步增大，但量值仍小于無溶洞工況。圍巖應力場演變示意如圖6所示，由圖6分析可知：常規隧道開挖支護過程中，由于破壞了原有的圍巖體應力場，圍巖應力得到釋放，圍巖體發生應力重分布，此時隧道支護結構需承擔圍巖形變荷載及起輔助巖體承載的作用，維持圍巖穩定。當巖體內揭露有小型溶洞空腔時，隧道開挖前圍巖應力已得到一定程度釋放并整體趨于穩定，溶洞上部圍巖荷載已分散到溶洞兩側。隨著隧道開挖及支護結構的施作，圍巖應力得到進一步釋放，但整體應力值變化幅值有所減小，支護結構最終承擔的圍巖荷載有所減弱。溶洞對上部圍巖自重荷載的分散程度隨著近接距離的增大而減弱。值得注意的是，當溶洞與隧道的近接距離減小到一定程度時（小于2 m），雖然隧道支護結構承受的應力有所減弱，但溶洞與隧道間的圍巖體難以達到自穩狀態，易出現塑性區貫通現象，支護結構難以達到支撐效果，破壞了支護體系的完整性。由此表明：溶洞與隧道距離過近時，隧道上部容易出現坍塌等工程事故，需格外關注，開挖后應及時進行相關支護的施作。

4 結論與展望

基于近接巖溶隧道開挖的數值模擬分析，針對不同工況下圍巖穩定性進行計算，并對其位移場、應力場特征進行統計分析，得出以下結論。

①隧道開挖建設過程中，拱頂上部揭露溶洞（近接距離大于2 m）時，由于溶洞對上部圍巖荷載的分散作用，相對于無溶洞隧道，支護結構所承受的圍巖應力與拱頂位移皆減小，且幅度均在10%以內，減小幅度均隨著近接距離的增大而減小。

②當隧道與近接溶洞距離小于2 m時，雖然支護結構所承受的圍巖壓力會有所減小，但極易造成開挖面與溶洞間圍巖出現塑性區貫通，拱頂位移增大，發生塌方等工程事故。

③當巖溶地區新建隧道工程時，應及時進行地質勘探，查明鄰近溶洞空腔的位置、大小及近接距離等。當溶洞空腔位于拱頂位置處，且近接距離小于2 m時，應在隧道開挖前施作超前支護，必要時進行特殊支護設計。

參考文獻：

［1］稅偉.軟弱圍巖隧道變形段單側壁導坑施工技術研究［J］.工程建設與設計，2020（1）：267-268.

［2］蔣良文，王科，黃潤秋，等.圓梁山隧道毛壩向斜段深部承壓巖溶水系統淺析［J］.成都理工學院學報，2001（2）：125-129.

［3］閻長虹，王玉英，羅國煜，等.壓性構造對巖溶發育的控制作用：以貴州普定地區為例［J］.地質論評，2008（3）：343-347.

［4］劉旭斌，王樂琛，王延寧.公路隧道穿越特大型溶洞施工處治技術：以太平隧道為例［J］.現代隧道技術，2022，59（S1）：892-902.

［5］李鴻博，賈峰，李靖，等.大連地鐵5號線跨海隧道設計關鍵技術［J］.巖土力學，2017，38（S1）：395-401.

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［7］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.