巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

郝瑞軍，郝永明

巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

郝瑞軍1，郝永明2

（1.中交路橋建設(shè)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(qū)修建隧道會經(jīng)常碰到溶洞，巖溶地質(zhì)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(yán)重影響施工工期及作業(yè)人員的安全。研究了巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性，對既有對巖溶隧道從穩(wěn)定性分析方法、穩(wěn)定性影響因素、防治措施等方面進(jìn)行總結(jié)。可見，目前穩(wěn)定性分析方法主要為理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)。穩(wěn)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(zhì)超前預(yù)報、防突厚度及監(jiān)測等方面考慮。簡要說明了巖溶隧道研究的總體現(xiàn)狀，并指出當(dāng)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(wěn)定性

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，隧道及巖溶地區(qū)隧道建設(shè)項目也逐漸增多。尤其是在中國的西南地區(qū)，由于存在大量的石灰?guī)r，并且降雨豐富，地形高低起伏，為溶洞發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件，所以在西南片區(qū)修建隧道會經(jīng)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(guī)則等特征，使隧道設(shè)計施工面臨諸多的不便。

通過總結(jié)和分析既有研究成果，筆者認(rèn)為還存在以下一些不足：①未考慮復(fù)雜情況下溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；②超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確度低；③針對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的計算方法及監(jiān)測研究不足。

2 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的研究方法

圍巖是保障巖溶隧道安全施工及運(yùn)營的基本要素，目前巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法主要有解析法、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)。

2.1 解析法

理論研究主要從數(shù)學(xué)、力學(xué)的角度出發(fā)，研究支護(hù)與圍巖的相互關(guān)系，早期認(rèn)為支護(hù)為了抵抗圍巖的變形，后面逐漸認(rèn)識到圍巖具有自承能力。駱帥伶等[1]認(rèn)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(fù)變函數(shù)法求近似解，認(rèn)為解析法現(xiàn)在有較好的理論基礎(chǔ)，得出的結(jié)果可獲得規(guī)律性的認(rèn)識。但計算較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用時受到限制。另外，張倬元[2]等對含有軟弱結(jié)構(gòu)面的的巖體和拱頂圍巖有單獨(dú)塊體穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。

在進(jìn)行巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析時，圍巖應(yīng)力與變形的關(guān)系通常采用復(fù)變函數(shù)進(jìn)行計算，得到彈性解析解，但這種方法適用于規(guī)則的圓形斷面。非規(guī)則斷面時，通常需要簡化處理，會帶來誤差。當(dāng)巖體應(yīng)力應(yīng)變超過極限值時，解析法就不再適用了，對于實(shí)際工程圍巖各向異性，目前解析法是無法解決的，可以運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行求解。

2.2 數(shù)值模擬法

模擬研究法可以分為數(shù)值模擬和物理模擬，目前有限元法是使用最多的數(shù)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(shù)值模擬的方法模擬了某巖溶隧道的坍塌機(jī)理，認(rèn)識了碎石土塌陷破壞，地面出現(xiàn)塌陷的整個過程，采取了適當(dāng)開挖、支護(hù)方式，保證了隧道安全通過巖溶地區(qū)。趙明階等[5]對某巖溶隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得出隧道圍巖穩(wěn)定性隨著溶洞距離增大而增大，同時會引起偏壓現(xiàn)象，整體像溶洞區(qū)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(jù)圍巖變形和破壞規(guī)律，提前做好預(yù)防措施，保障隧道施工順利進(jìn)行。

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)法

模擬研究和理論計算有可能不符合實(shí)際工程情況，所以現(xiàn)場監(jiān)測與試驗(yàn)顯得很重要。隧道圍巖穩(wěn)定性現(xiàn)場試驗(yàn)主要有圍巖應(yīng)力、應(yīng)變測值、巖體物理參數(shù)測量。王本碩應(yīng)用鋼筋應(yīng)力計（如圖1所示）和多點(diǎn)位移計（如圖2所示）等對某隧道的應(yīng)力和位移進(jìn)行了監(jiān)測[7]。

圖1 鋼筋應(yīng)力計

圖2 多點(diǎn)位移計

通過以上文獻(xiàn)分析，目前大多數(shù)學(xué)者運(yùn)用理論分析、數(shù)值分析、現(xiàn)場測試來進(jìn)行巖溶隧道的圍巖穩(wěn)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(shù)值分析沒有真正的仿真，現(xiàn)場測試沒有廣泛的適用性，所以還需要努力研究發(fā)展。

3 巖溶隧道圍巖穩(wěn)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(wěn)定性，很多國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了研究。趙明階等[8]以某巖溶隧道為依托，運(yùn)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(wěn)定性的影響，并得出結(jié)論。蔣穎[9]運(yùn)用數(shù)值分析軟件對溶洞分布位置對隧道穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。趙明階等[10]研究了巖溶尺寸對巖溶隧道的穩(wěn)定性影響并且做了模型試驗(yàn)。陶志平根據(jù)巖溶的位置及尺寸對隧道基底沉降的影響進(jìn)行了研究。劉招偉等以某隧道為工程依托，對該巖溶地區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)分析，應(yīng)用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對巖溶隧道的突水過程、突泥過程以及對應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行研究，同時初步解釋了該巖溶隧道突水突泥的機(jī)理，并把隧道的空間位置與巖溶結(jié)構(gòu)兩者之間的關(guān)系分為不同的地質(zhì)模式，但是雖然模式不同，其巖溶發(fā)生突水的機(jī)制是相同的。并總結(jié)了巖溶隧道突水的原因和影響因素，以及如何預(yù)防突水的措施和支護(hù)措施，為巖溶隧道的施工提供了技術(shù)指導(dǎo)[11]。

綜上可知，許多學(xué)者研究了巖溶的尺寸、大小、防突厚度對巖溶隧道圍巖穩(wěn)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(huán)境復(fù)雜條件下的研究較少。

4 結(jié)語

隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法主要有工程地質(zhì)判別法、解析法、數(shù)值模擬。最早人們用工程地質(zhì)判別法與自身工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展，人們對圍巖壓力認(rèn)識不斷深化，從最開始荷載結(jié)構(gòu)理論到后來的充分發(fā)揮圍巖的自承能力的思想，大大節(jié)省物力財力。隨著計算機(jī)的發(fā)展，大量的模擬軟件可以真實(shí)反映建筑物各個地方應(yīng)力應(yīng)變，分析其穩(wěn)定性，提高人們的工作效率。

大多數(shù)學(xué)者對巖溶隧道的三個方面進(jìn)行研究：針對地質(zhì)條件的超前勘測技術(shù)，圍巖穩(wěn)定性，巖溶隧道對環(huán)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(yīng)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(jìn)行了解。②研究的范圍比較大，針對性不是特別強(qiáng)，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(fù)雜條件下的巖溶隧道研究較少，例如考慮地震區(qū)、極小凈距巖溶隧道施工以及富含各種不良地質(zhì)現(xiàn)象的地區(qū)，如斷層、滑坡、泥石流等；對環(huán)境有要求的地區(qū)；有重要保護(hù)對象的地區(qū)等。④數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格簡化了，沒有貼近真實(shí)情況，與實(shí)際工程還在存在差別。筆者認(rèn)為，隨著研究者認(rèn)識的提高和計算機(jī)的發(fā)展，力學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等理論將會越來越多運(yùn)用于穩(wěn)定性理論的發(fā)展。未來對于復(fù)雜條件下的巖溶隧道將會用有限元軟件進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分更加貼近真實(shí)情況，研發(fā)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(shè)計、施工提供參考。隨著科技發(fā)展，今后研究肯定也會轉(zhuǎn)向溶洞精確勘測，在設(shè)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(jié)省財力物力。

［1］駱帥伶，蔣美蓉，金豐年.地下洞室圍巖穩(wěn)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(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994．

［3］許傳華，任青文，李瑞.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法研究進(jìn)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(shù)值模擬與施工控制［J］.公路工程，2013，38（3）：42-47.

［5］趙明階，王學(xué)軍，劉緒華，等.隧道側(cè)巖溶分布對圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究［J］.土木建筑與環(huán)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(wěn)定性影響分析［J］.山西建筑，2014，40（15）：65-67.

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［10］趙明階，敖建華，劉緒華，等.巖溶尺寸對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)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(jī)理及防治對策研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（2）：228-232.

U451

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.056

2095－6835（2019）18－0133－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕