高速公路巖溶隧道地質(zhì)特征對施工安全的影響分析

李季暉

摘要 為保證高速公路巖溶隧道的安全施工，需精準(zhǔn)分析巖溶地質(zhì)特性及該特性對隧道施工安全的影響，因此，文章以某地區(qū)高速公路隧道工程為例，展開相關(guān)研究和分析。對研究工程的地質(zhì)情況進行相關(guān)勘察，確定巖溶類別、位置、大小以及數(shù)量等，并結(jié)合勘察結(jié)果，分析巖溶發(fā)育特征；以特征分析結(jié)果為依據(jù)，采用FLAC3D軟件建立隧道工程計算模型，分析巖溶特征對隧道開挖受力分布的影響以及巖溶對隧道極限剪應(yīng)力的影響，為該類工程施工提供可靠、合理依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高速公路；巖溶隧道；地質(zhì)特征；施工安全；影響分析；極限剪應(yīng)力；開挖受力

中圖分類號 U452文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0096-04

0 引言

巖溶是水對可溶性巖石進行化學(xué)溶蝕后形成的一種地質(zhì)形態(tài)，我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，巖溶區(qū)域的地質(zhì)條件尤為復(fù)雜[1]，增加了隧道施工的安全風(fēng)險。如果隧道工程和巖溶發(fā)育區(qū)毗鄰，則會降低隧道圍巖的完整性[2]，其主要原因是隧道工程區(qū)域的地下水在流動過程中會對周圍圍巖進行長期侵蝕，導(dǎo)致隧道工程發(fā)生懸空現(xiàn)象[3]，并且?guī)r溶發(fā)育的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)作用力較為復(fù)雜，變形控制難度較大[4]，甚至?xí)?dǎo)致隧道工程發(fā)生坍塌下沉以及嚴(yán)重的巖溶塌陷，極大程度降低隧道工程支護體系的安全性[5]。因此，為保證高速公路隧道工程的施工安全和質(zhì)量，在分布巖溶地質(zhì)的環(huán)境下施工時，須精準(zhǔn)掌握巖溶地質(zhì)特性[6]，并針對該特性分析巖溶對施工安全的影響水平，及時采取相應(yīng)的處理措施，進而為隧道工程設(shè)計和施工提供可靠參考和理論支撐[7]。

文中以某地區(qū)的高速公路隧道工程為例，研究巖溶隧道的地質(zhì)特征對施工安全的影響。

1 工程概況

該隧道工程位于我國廣西的中西部地區(qū)，該地區(qū)分布大量的石灰?guī)r山峰，通過地表進行巖溶勘測的可靠性較低，因此，隧道施工時極易遇到巖溶地質(zhì)，存在較高的施工安全風(fēng)險。該隧道工程設(shè)計時速為120 km/h，為單洞雙線設(shè)計，隧道全長為1 316.8 m，最大埋深接近115 m，隧道入口和橋梁工程相連接，隧道出口和路基相連接。隧道內(nèi)部線路縱坡為1 220 m的1.85%單面下坡，以及96.8 m的平坡。

該隧道工程的整個洞身均通過溶巖底層，并且?guī)r溶發(fā)育明顯，從地表即可看見溶洞、巖溶漏斗以及落水洞發(fā)育；除此之外，隧道內(nèi)地下水主要為空隙潛水、巖溶水以及基巖裂隙水，因此，導(dǎo)致隧道施工過程中主要存在危巖落石、涌水突泥、塌方等風(fēng)險。

隧道施工時，通過鉆探勘測出的溶洞數(shù)量已經(jīng)達到115個，其大小、位置、形態(tài)等均存在顯著差異，巖溶的相對位置和發(fā)育走向詳情如表1和表2所示。

通過上述統(tǒng)計結(jié)果可知，該隧道工程中的巖溶主要分布在隧道的拱頂、拱腰處，分布比例均在30%以上，拱腳和仰拱處的分布較少。在整個分布中，巖溶的發(fā)育主要是沿隧道縱向分布。巖溶的大小情況如表3所示。

2 巖溶發(fā)育特征

在上述勘測結(jié)果的基礎(chǔ)上，對該工程范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育特征進行分析，詳細分析結(jié)果如下：

2.1 巖溶發(fā)育的成層性以及向深性

巖溶發(fā)育期的不同會導(dǎo)致巖溶的形態(tài)存在差異，例如等級為Ⅰ、Ⅱ時，主要表現(xiàn)為垂向巖溶，其次存在水平巖溶；等級為Ⅲ、Ⅳ時，主要表現(xiàn)為水平巖溶，其次存在垂直巖溶，說明巖溶的發(fā)育和底殼變化、巖溶水的情況存在直接關(guān)系。文中研究的隧道工程中溶洞口向內(nèi)彼此連接，一旦發(fā)生大量降水，地下水會通過中間溶洞流出；底殼不發(fā)生運動時，水平巖溶發(fā)育顯著、底殼發(fā)生運動時，垂直巖溶發(fā)育顯著，因此，體現(xiàn)了巖溶發(fā)育的向深性。

2.2 巖溶發(fā)育的不均勻性

對該隧道工程巖溶水文地質(zhì)情況進行勘察后得出，巖溶的發(fā)育存在顯著的不均勻性，巖溶大小比例差距明顯，因此，巖溶發(fā)育和地質(zhì)巖層特向、地質(zhì)構(gòu)造之間存在直接關(guān)聯(lián)，存在顯著的不均勻性。

2.3 巖溶發(fā)育的垂向分帶性

該隧道工程在近地表地帶，存在明顯的巖溶水交替循環(huán)現(xiàn)象，并且存在較多數(shù)量的大規(guī)模巖溶洞隙，同時地下深處地下水的交替運動較慢，只有小容隙和少數(shù)的容孔，形成明顯的垂直分帶特征，該特征的分帶圖如圖1所示。

通過圖1可看出，該隧道施工環(huán)境中，從地表向下主要包含垂向洞隙帶、水平管道帶以及深部空隙帶。

3 巖溶特征對施工安全的影響

通過上述小節(jié)的分析可知，巖溶存在多種特征，為保證隧道的安全施工，須精準(zhǔn)掌握這些特征對施工安全的影響。文中通過FLAC3D軟件建立計算模型，分析巖溶特征對施工安全的影響，主要從兩個方向進行分析：一是對隧道開挖受力分布的影響，二是對隧道極限剪應(yīng)力的影響。

FLAC3D軟件主要是以有限差分為基礎(chǔ)，對隧道塑性破壞過程進行更為精準(zhǔn)地分析和模擬，確保分析結(jié)果的可靠性和合理性。有限差分法的核心是采用離散化方式對差分網(wǎng)格進行處理，完成非線性問題的簡化處理，使其形成導(dǎo)數(shù)問題，可降低運算復(fù)雜程度，同時保證問題結(jié)果的真實性。該軟件在分析過程中，主要針對隧道最大埋深施工段進行分析，該施工段中，隱伏巖溶較多，并且沿隧道縱向發(fā)育，其斷面主要為圓形或者橢圓形，絕大部分巖溶均屬于季節(jié)性干溶洞，降雨后會發(fā)生徑流水。分析時構(gòu)建的隧道模型尺寸為100 m×150 m×2 m，埋深為100 m，隧道前后端以及地面均設(shè)置約束，其頂部為自由面，不對其施加荷載。設(shè)置的圍巖密度為2 400 kg/m3，彈性模量為12 GPa，泊松比為0.27，黏聚力為1.1，內(nèi)摩擦角為45°，初期支護結(jié)構(gòu)厚度為32 cm。通過上述參數(shù)設(shè)置后，進行巖溶地質(zhì)特征對隧道施工安全的影響分析。

3.1 隧道開挖受力分布的影響

隧道開挖的過程中會涉及地下巖體和土壤的受力分布。在巖溶地質(zhì)條件下，受力分布呈現(xiàn)出獨有的特征，對隧道設(shè)計和施工產(chǎn)生重大影響。隧道開挖后，拱頂通常會承受明顯的拉應(yīng)力。這是因為在開挖過程中，巖層會失去原有的支撐，導(dǎo)致拱頂處的巖體出現(xiàn)拉應(yīng)力，試圖抵抗拱頂坍塌的趨勢。同時，隧道底部周圍的圍巖會產(chǎn)生隆起，形成一定的壓力。這種受力分布是典型的隧道開挖現(xiàn)象，需要在設(shè)計中考慮拱頂和底部的支撐及加固，以確保施工的安全性。隧道開挖后，主應(yīng)力通常會向兩側(cè)拱腳逐漸擴散。這是因為隧道的開挖會改變地下巖體的受力狀態(tài)，導(dǎo)致主應(yīng)力重新分布。這種主應(yīng)力的擴散可能會對隧道周圍的圍巖產(chǎn)生影響，因此需要在設(shè)計中預(yù)測和控制主應(yīng)力的傳播路徑。

如果隧道開挖范圍內(nèi)存在巖溶地質(zhì)，情況會更加復(fù)雜。巖溶地質(zhì)通常包括溶洞和地下空間，它們在隧道開挖過程中會表現(xiàn)出特殊的受力行為。溶洞底部可能會發(fā)生輕微的拉裂現(xiàn)象，而溶洞頂部和隧道拱頂可能會受到明顯的拉應(yīng)力。此時，圍巖與溶洞之間的相互作用也需要特別關(guān)注，因為圍巖可能會發(fā)生明顯的位移。隧道開挖范圍內(nèi)的巖溶特征距離隧道拱腰越近，受力分布可能會更為復(fù)雜。在這種情況下，應(yīng)力較小，因此圍巖可能會集中對隧道側(cè)壁進行作用，導(dǎo)致隧道的變形。同時，拱頂處和邊墻處可能會受到較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。這需要在設(shè)計和施工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３炙淼赖姆€(wěn)定性。巖溶地質(zhì)條件下的隧道開挖需要精心設(shè)計和提前制定施工策略，包括考慮支護結(jié)構(gòu)、圍巖加固、地下水的控制等方面。對巖溶地質(zhì)特征的深入了解和建立合適的模型是至關(guān)重要的，以便能夠準(zhǔn)確預(yù)測受力分布和圍巖行為。隧道開挖是一個風(fēng)險高且復(fù)雜的工程任務(wù)，綜合風(fēng)險管理是確保隧道工程成功完成的關(guān)鍵因素，包括定期監(jiān)測巖體和圍巖的變化，及時采取措施來減輕潛在的風(fēng)險，以確保施工的安全性和隧道的可靠性。有溶洞和無溶洞兩種情況下，拉應(yīng)力的變化情況如圖2所示。

通過圖2的分析結(jié)果可知，隧道施工范圍內(nèi)如果鄰近溶洞，會導(dǎo)致巖溶隧道受到的極限拉應(yīng)力顯著提升，兩者距離越近，提升越顯著，即隧道的位移變形越顯著。因此，巖溶對于隧道施工會造成變形和位移的影響。

3.2 巖溶對隧道極限剪應(yīng)力的影響

隧道在施工過程中，巖溶的存在會導(dǎo)致圍巖發(fā)生隆起，并且會形成剪切破壞，通過FLAC3D分析巖溶對隧道極限剪應(yīng)力的影響。

實際工程施工時，圍巖會受到三向作用力，其極限剪切應(yīng)變用ηf表示，實際工程三相作用力下的ηf會大于單向作用力下的極限剪切應(yīng)變ηg，依據(jù)FLAC3D中彈性極限應(yīng)變ηh，采用應(yīng)變偏張量第二不變量進行表述，則ηh的計算公式為：

式中，σc、σ3——單軸抗壓強度和圍巖壓力；v——泊松比；E——彈性模量；φ——內(nèi)摩擦角。

通過公式（1）可知，ηh會隨著σ3的增加而增加，并且ηf和ηh之間存在一定線性關(guān)聯(lián)，其公式為：

ηf=ηg+kσ3 （2）

式中，k——線性系數(shù)。

依據(jù)上述公式即可分析相對應(yīng)圍巖級別和圍巖壓力下的極限剪切應(yīng)變，并通過數(shù)值模擬計算進行分析，如果模型分析的剪切應(yīng)變大于或者等于極限剪切應(yīng)變，則表示隧道發(fā)生破壞；如果模型分析的剪切應(yīng)變小于極限剪切應(yīng)變，表示隧道施工較為安全，沒有發(fā)生破壞。

4 施工過程中巖溶隧道的探測方法

通過分析巖溶隧道的地質(zhì)特征和受力分析，在施工巖溶隧道的過程中，結(jié)合相應(yīng)的巖溶隧道探測方法，采取具體的防范措施，避免發(fā)生安全事故。

設(shè)計線路的優(yōu)化避讓，某隧道工程線穿越山體外側(cè)的大型堆積體，需先加固堆積體再進行橋梁施工，安全風(fēng)險大、費用高。優(yōu)化線避讓堆積體，但現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道位于富水區(qū)，頂部存在5個大型的消水洞，最終選定最優(yōu)線，既避讓了堆積體也避開了山體富水帶，預(yù)測單洞涌水量由210 000 m3/d降至80 000 m3/d。施工過程中未出現(xiàn)大量的涌水。從現(xiàn)場實際施工看，選線是非常正確的。

超前地質(zhì)鉆探，是隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報最直接、最有效的方法，也是對其他探測手段成果的驗證和補充，通過鉆孔鉆進速度及對巖芯的分析，以及相關(guān)試驗，獲取掌子面前方一定距離巖石的強度指標(biāo)、地層巖性資料、地下水、巖溶等方面的資料。

隧道地震波反射法超前預(yù)報（TSP）是利用地震波在巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會產(chǎn)生地震反射波，利用儀器設(shè)備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過相關(guān)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實現(xiàn)對隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達到地質(zhì)超前預(yù)報的目的。通過計算機軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及掌子面的距離，并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)以供參考。某隧道超前地質(zhì)鉆孔的具體應(yīng)用，預(yù)測到了地下大型溶洞，與現(xiàn)場實際揭示的較為符合，為施工提供了可靠的依據(jù)，采取了相應(yīng)的措施，避免了損失。

地質(zhì)雷達是一種工程地球物理方法，被廣泛用于工程質(zhì)量檢測、場地勘察以及隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作。以其高分辨率和強大的探測能力在地質(zhì)領(lǐng)域備受青睞。該文將詳細探討地質(zhì)雷達的原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及在深埋隧道、富水地層和溶洞發(fā)育地區(qū)的重要性。地質(zhì)雷達工作原理類似于聲納，但它使用無線電波而不是聲波。地質(zhì)雷達通過發(fā)射短脈沖的電磁波，然后測量這些波在地下反射的時間和強度。反射的波形提供了地下結(jié)構(gòu)和地層變化的信息，包括土壤、巖石、水位和空隙等。因為地質(zhì)雷達的工作頻率很高，所以它具有出色的分辨率，能夠探測到地下非常細小的特征。

在深埋隧道和富水地層的工程中，地質(zhì)雷達具有獨特的優(yōu)勢。這些地區(qū)通常存在復(fù)雜的地質(zhì)條件，如高壓水位、斷裂帶、破碎帶等。地質(zhì)雷達的高分辨率和強大的穿透能力使其成為一種非常有用的工具。地質(zhì)雷達可用于確定地下水位、水文地質(zhì)條件和含水帶的位置。這對于隧道施工和水文地質(zhì)研究至關(guān)重要。在富水地層和斷裂帶區(qū)域，地質(zhì)雷達可以識別地下的斷層帶。這有助于工程師采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣響?yīng)對地質(zhì)變化和降低風(fēng)險。在溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達可以探測并識別地下空洞，這有助于規(guī)劃和施工過程中的安全性，以及防止隧道或其他工程受到不穩(wěn)定地下空間的影響。地質(zhì)雷達在深埋隧道、富水地層和溶洞發(fā)育地區(qū)的應(yīng)用需要綜合風(fēng)險管理，包括將地質(zhì)雷達的信息與其他地質(zhì)數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果和工程方案相結(jié)合，以綜合評估潛在風(fēng)險，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣泶_保工程的成功。

5 結(jié)論

巖溶是我國分布較為廣泛的一種地質(zhì)特征，其發(fā)育類型較多、分布情況較為復(fù)雜，對于隧道工程的施工安全會造成較大影響。在施工過程中，會導(dǎo)致隧道發(fā)生突水涌泥、坍塌、位移以及變形等情況，引發(fā)一系列的隧道施工安全問題。因此，隧道工程施工時，為保證施工安全，須對巖溶的地質(zhì)特性進行相關(guān)分析，結(jié)合多種隧道巖溶的探測手段，掌握隧道地質(zhì)特性，進而保證施工安全。文中以某地區(qū)的高速公路隧道工程為例，分析高速公路巖溶隧道的地質(zhì)特征及相關(guān)的探測手段，并且通過模擬軟件，研究該特征對隧道施工過程中安全的影響，結(jié)合探測成果，采取相應(yīng)的施工措施，為相關(guān)工程施工提供合理依據(jù)。

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