巖溶區隧道受隱伏溶洞影響的數值模擬研究

中圖分類號：U457+.2 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.024

文章編號：1673-4874（2025）03-0082-04

0 引言

隨著公路隧道的不斷發展，大量隧道將在巖溶地區中修建，而隧道與隱伏巖溶構造之間相互影響，由此引起的巖層失穩、垮塌甚至是突水涌泥災害會造成重大安全隱患和經濟損失。當施工過程中發現隧道周圍一定范圍內存在隱伏溶洞時，該隱伏溶洞將對隧道造成多大的影響及是否會引發地質災害，是當前擺在設計與施工單位面前的一個重要問題。一般認為，當隧道與溶洞距離較近時，隧道結構的應力狀態及受力特性將受到一定的影響，進而導致隧道產生變形最終引起隧道工程事故[1-3]。因此，研究巖溶區隧道受隱伏溶洞影響的規律對于確保圍巖穩定，規避巖溶災害具有重要的現實意義。

賴金星等4采用數值模擬的方式研究了不同位置的隱伏溶洞對隧道周邊收斂、拱頂沉降的影響規律。張京亮等[5采用有限差分法和現距等因素對隧道開挖應力場的影響進行分析。郭而東6依托工程實例，通過地質雷達探測和開挖驗證的手段研究了巖溶洞穴所處位置對隧道圍巖穩定性的影響規律，得到了巖溶洞穴穩定性評價方法。

從目前國內外的研究文獻來看，當前對于這一問題的認識并沒有達成統一，且各個研究的結論差異較大，適用范圍較小[7-11]。本研究以謝家峒隧道為依托，利用MidasGTS軟件對周邊隱伏溶洞在不同位置和不同規模下的隧道位移場及應力場進行模擬計算，為實際隧道施工提供理論基礎。

1工程概況

謝家峒隧道位于宜州市龍頭鄉境內，左線長 1267m 右線長 1322m ，左、右線起訖樁號分別為 2×27+735～ 2×29+002.9×27+735～?1lt;29+057 。隧道斷面為單心圓曲墻式斷面，半徑 R=5. 85 m₀ 隧道建筑限界凈寬為10.75m，凈高為5 m （204號隧址區巖溶發育較強烈，地表巖溶形態主要為落水洞、地下河出口洞等，深部巖溶形態主要表現為溶洞及溶蝕裂隙，左、右線隧道在掘進的過程中遇到諸多溶洞，施工開挖過程中發生過塌方、初支大變形、地表塌陷等災害。

2 計算模型

2.1 幾何模型

（1）溶洞形態千奇百怪，但大多數為橢球形、方體等形狀，因此本文采用簡化后的橢圓作為隱伏溶洞模型。

（2）利用MidasGTS軟件對謝家峒隧道進行 1：1 計算模型建立，隧道模型斷面為單心圓，跨度 B=12.6m 高 ，埋深為50m，考慮溶洞分別位于隧道頂部，隧道底部和隧道側部3種情況，隧道與隱伏溶洞之間的巖層厚度 L=6m ，溶洞橫徑 a=16m ，取隱伏溶洞高跨比 K=b/a=0.25，0.5，0.75，1，1.25 進行研究。溶洞隧道及溶洞斷面尺寸如圖2所示。

（3）隧道計算過程不考慮水壓力。

2.2邊界條件

研究資料顯示，隧道內遭遇溶洞多于V級圍巖中，且不同圍巖條件下的隱伏溶洞對隧道的影響僅是影響程度和影響范圍不同，其規律相似[12，因此，取謝家峒隧道N級圍巖的物理、力學參數進行研究。采用Mohr一Coulomb本構模型，梁單元模擬初期支護，梁單元厚度為0.28m 。模擬材料力學參數如表1所示。

3 結果分析

3.1頂部隱伏溶洞對隧道的影響

為研究隱伏溶洞位于隧道頂部時溶洞對于隧道的影響，在隧道拱頂上方6m處分別建立 K=0.25 K=

0.5、 K=0 75、 K=1，K=1. 25的溶洞進行詳細的受力分析，對比各布置參數對隧道應力場及位移場的影響，模型圖及計算結果分別如圖3、圖4所示。

由圖4可知，當隱伏溶洞位于隧道頂部時，隨著溶洞高跨比 K 的增大，位于隧道頂部與溶洞底部之間的塑性區范圍變大，說明大規模的溶洞對于隧道的受力特性影響更大，且主要影響隧道頂部區域的圍巖穩定性。因此，當隧道頂部存在隱伏溶洞時，應注意加強隧道頂部圍巖的穩定性。

提取各工況隧道開挖后拱頂位移進行對比，如表2和圖5所示。由表2和圖5可以看出，與隧道頂部無溶洞時相比，隧道頂部存在溶洞時拱頂沉降量更小，說明當隧道頂部存在一定規模的隱伏溶洞時，對隧道有一定的卸載作用，能減小開挖時圍巖的變形，且隨著溶洞 K 值的逐漸增加，隧道的豎向位移有增大趨勢，逐漸接近無溶洞時隧道的豎向位移，說明溶洞對隧道的卸載作用在減弱。

圖及計算結果分別如圖6和圖7所示。

3.2底部隱伏溶洞對隧道的影響

為研究隱伏溶洞位于隧道底部時溶洞對于隧道的影響，在隧道拱底下方6m處分別建立 K=0. 25、 K= 0.5，K=0.75，K=1，K=1.25 的溶洞進行詳細受力分析，對比各布置參數對隧道應力場及位移場的影響，模型

由圖7可知，當隱伏溶洞位于隧道底部時，隨著溶洞高跨比 K 的增大，隧道與溶洞間的塑性區大小和范圍也逐漸變大，而且圍巖變形量較大的位置都在隱伏溶洞頂端和隧道拱底附近，所以應對隧道與溶洞之間的巖層進行適當的加固處理。

提取各工況下最大沉降和最大隆起匯總于表3。由表3可見，當隱伏溶洞的 K=0.25 時，溶洞周邊圍巖沉降值要大于 K=0.5 和 K=0. 75的工況，說明若隱伏溶洞形狀太扁時，原先穩定的地應力場和位移場受到隧道開挖的破壞后，不容易形成拱效應而穩定，從而變形更大。

3.3側部隱伏溶洞對隧道的影響

為研究隱伏溶洞位于隧道側部時溶洞對于隧道的影響，在隧道右側6m處分別建立 K=0. 25、 K=0.5 K=0.75，K=1，K=1.25 的溶洞進行詳細受力分析，對比各布置參數對隧道應力場及位移場的影響，模型圖及計算結果分別如圖8和圖9所示。

由圖9可知，當隱伏溶洞位于隧道右側時，隧道發生向溶洞側的偏斜，表現出明顯的偏壓現象，且隨著溶洞K 值的增加，隧道偏壓效果越明顯，周邊圍巖變形越大。

提取各工況下最大沉降和最大隆起匯總于表4。由表4可知，隨著溶洞 K 值的增加，隧道與溶洞間的塑性區大小和范圍也逐漸變大，而且圍巖變形量較大的位置都在隱伏溶洞頂端和隧道拱底附近，所以應對隧道與溶洞之間的巖層進行適當的加固處理。

提取各工況隧道開挖后隧道右拱腰位移進行對比如圖10所示。由圖10可以看出，隨著溶洞跨度 K 的增加，隧道拱頂的沉降也逐漸變大，右拱腰（靠近溶洞側）的水平位移先增加后減小，說明溶洞形狀接近圓形時，有更好的受力形態，較快地形成拱效應，達到穩定，阻止圍巖繼續變形。

4結語

通過以上研究，得到以下結論：

（1）隱伏溶洞的存在將影響隧道的受力和變形狀況，隨著隱伏溶洞尺寸的增加，隧道在施工時的應力場與位移場受到的影響逐漸變大。（2）相同條件下，側部隱伏溶洞對隧道的影響最大，底部溶洞次之，頂部溶洞最小。（3）隧道頂部存在溶洞時，圍巖變形量相對無溶洞時更小，說明當隧道頂部存在一定規模的隱伏溶洞時，對隧道有一定的卸載作用，能減小開挖時圍巖的變形。（4）隧道底部存在溶洞時，圍巖大變形主要集中在隧道仰拱與溶洞的相隔地帶，所以應采取加固中間地帶、加強仰拱支護參數等措施。（5）隧道側部存在溶洞時，對隧道施工造成的影響最大，且隧道表現出明顯的偏壓特征，圍巖變形主要表現在水平方向上，靠近溶洞的一側圍巖變形量遠大于另一側。

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