岩溶地区隧道施工对既有隧道工程的影响研究

岩溶地区隧道施工对既有隧道工程的影响研究

宫喜旺

深圳地铁运营集团有限公司 广东深圳518000

摘要：我国碳酸盐岩分布广泛，岩溶面积约占我国国土面积的1/3，由于这些不利的地质条件对工程建设存在很大威胁，例如在具有岩溶的隧道施工时，常常会发生突泥或突水等地质灾害，同时在进行新建筑物的建造时也常会遇到既有建筑物，这类工程越来越复杂，必须解决新建建筑物对既有建筑物的相互影响问题，尤其是在岩溶区域内。本文在现有研究成果基础上，通过实际工程结合FLAC3D有限元软件，研究在不同的岩溶条件下新建隧道的开挖对既有隧道开挖的影响。

关键词：岩溶地区隧道施工；既有隧道工程；影响

为研究在不同岩溶条件下新建隧道开挖对既有隧道的影响，通过实际工程结合FLAC3D有限元软件进行研究。研究结果表明：溶洞的存在对既有隧道存在不利影响，会使既有隧道的围岩应力与位移增大。因此，应加固隧道洞口及衬砌结构，以降低岩溶隧道对既有隧道的影响。

1岩溶相关介绍

岩溶的形成是水对可溶性岩石进行化学溶蚀的结果。岩溶发育的基本条件包括可溶性岩石、岩溶水以及岩溶水的循环交替。可溶性岩石与岩溶水是岩溶发育的物质基础，而岩溶水的循环交替则是岩溶发育的根本条件。

1.1可溶性岩石

可溶性岩石一般为碳酸盐岩，是指由沉积形成的碳酸盐矿物组成的岩石的总称。碳酸钙经过亿万年的沉积，形成了石灰岩、白云岩等可溶性岩石。

1.2岩溶水

岩溶水是指含游离二氧化碳的水，它能与石灰岩中的碳酸钙产生化学反应，从而起到溶蚀作用。游离二氧化碳一般来源于废气排放、微生物的分解、动植物的呼吸等。岩溶水的溶蚀程度往往与游离二氧化碳的溶解度有关，游离二氧化碳溶解度越大，岩溶水的溶蚀作用越强。在地壳相对稳定的区域，游离二氧化碳的溶解度往往随着深度的增加而降低。

1.3岩溶水的循环交替

岩溶发育的充分必要条件是岩溶水的循环交替。在可溶岩广泛分布且水的循环交替条件较好的地区，岩溶水对碳酸盐岩造成的溶蚀作用通常比较大，而且岩溶水的类型、运动状态和水动力带的不同会导致岩溶形态的不同。

1.4岩溶的形成

水循环交替条件受到地形地貌、地质构造、新构造运动等条件的影响，在接受补给后，岩溶水顺着原生、次生裂隙径流，在径流过程中与碳酸盐岩类发生化学反应，使碳酸盐矿物溶解到岩溶水中，并在水头的作用下不断侵蚀碳酸盐岩。在补径排条件较好的情况下，碳酸盐岩的溶解和岩石的溶蚀形成正循环，使得溶蚀空间不断增大形成溶洞。随着溶蚀作用的进一步增强，溶洞顶板被溶蚀后，在地下水位频繁变化等侵蚀作用下，其上覆土层逐渐被掏空，进而形成土洞。岩溶的规模往往会受到地壳间歇性升降运动的影响，水循环交替条件也会随着地壳运动发生相应变化。当地壳处于相对稳定期时，水循环交替条件同样相对稳定，岩溶水能对碳酸盐岩进行长时间溶蚀作用，有形成规模巨大的水平溶洞和暗河系统的趋势；当地壳抬升且区域侵蚀基准面不变时，地表水和地下水的向下侵蚀作用增强，岩溶形态通常表现为垂直形态的溶隙和管道；当地壳下降时，岩溶水循环交替条件减弱，岩溶作用也相对减弱，但该区域仍会保留之前的岩溶现象。

2上下交叉隧道施工影响分析

本工程是在原有的公路隧道下开挖铁路隧道，因此，属于上下交叉的两条隧道。围岩的应力重分布与隧道工程施工有关，因此，对新建隧道在上既有隧道在下，还是新建隧道在下既有隧道在上，对新建隧道和既有隧道都有不同的影响，当新建隧道在上既有隧道在下时，此时既有隧道的位移变化主要是向上变形，围岩的拱效应将会降低，并且此时的衬砌荷载将会增加；当新建隧道在下既有隧道在上时，此时既有隧道在空间的垂直方向将会产生沉降，在隧道的内部衬砌及二次衬砌都容易产生开裂。

3有限元模拟

3.1模拟模型建立

模型建模中，公路隧道的洞口直径为150m，铁路隧道的洞口直径为113m，模型中岩土采用mohr-coulomb模型，混凝土的衬砌及初期的衬砌采用弹性模型进行模拟计算，模型的单元一共35325个，节点数一共67426个，并且在模型中对下边界、左右及前后边界设置为固定边，上边界设置为自由边，模拟的过程不考虑地下水的影响。

3.2模型的模拟计算过程

模型进行模拟计算时不考虑地下水的影响，具体的模拟计算过程如图1所示。

3.3模拟结果分析

本次模拟主要研究在不同岩溶情况下新建的铁路隧道对公路隧道的影响，岩溶的不同情况如表1所示（本次分析仅考虑自重应力场）。

3.3.1应力场分析

开挖新建铁路隧道时，针对不同的岩溶条件下，既有的公路隧道在最大主应力及最小主应力的分布情况下，主要分布在拱顶、拱底及拱肩与拱脚处，并且各个工况下均表现为压应力。出现这样的现象，主要是由于新建铁路隧道的开挖导致公路隧道的围岩应力产生二次分布，对围岩的应力平衡状态进行调整。对比各工况下的最大与最小主应力可以发现，在工况3下，既有的公路隧道围岩产生的应力最大，说明在溶洞有回填的情况下进行铁路隧道的开挖对公路隧道较为不利。

3.3.2位移分析

开挖新建铁路隧道时，在不同的工况下，既有的公路隧道在竖向及水平方向的位移都有所增大。从既有公路隧道的竖向位移分析，主要分布在拱顶与拱肩处，而在隧道底部出现向上的位移和隆起回弹现象。水平位移主要分布在拱脚处。对比各工况下的最大位移与最小位移可以发现在工况1下，既有公路隧道围岩产生的竖向及水平向的位移最大，说明在溶洞为空的情况下进行铁路隧道的开挖对公路隧道最为不利。

3.3.3塑性区分析

不同工况下衬砌截面1的最大第一主应力、第三主应力、最大竖向位移及最大水平竖向位移，不同工况下衬砌截面2的最大第一主应力、第三主应力、最大竖向位移及最大水平竖向位移。在工况3的情况下，衬砌结构截面1处的应力值最大，其余工况的应力值相近，主要是由于铁路隧道的开挖使公路隧道围岩应力重新分布，在工况2下衬砌结构截面1产生的水平位移最大。在工况2的情况下，衬砌结构截面2处的应力最大，其余工况的应力值相近，主要是由于铁路隧道的开挖使公路隧道围岩应力重新分布，在工况2下衬砌结构截面2产生的水平位移最大。总体上对公路隧道的影响范围有限，大部分的塑性变形集中在边墙上，底板部位的塑性变形较小。因此，对隧道的边界应加强支护，以保证隧道的稳定。

4结语

本文通过实际工程，结合FLAC3D有限元软件对不同岩溶条件下，新建隧道的开挖对既有隧道开挖的影响进行研究。研究结果表明：在进行富有岩溶的隧道建设时，应充分了解岩溶的性质，对不同的地质条件采取不同的措施，从模拟研究中也可以发现溶洞对既有隧道存在不利影响，会使既有隧道的围岩应力与位移增大，因此应对隧道的洞口及衬砌结构进行加固，以降低岩溶隧道对既有隧道的影响。

参考文献

[1]叶飞，丁文其，熊冬才，等.公路隧道下穿已运营铁路隧道施工及安全监控[J].现代隧道技术，2006（3）：31-34，41.

[2]谢树庸.岩溶区四大工程地质问题综述[J].贵州水力发电，2001（4）：85-87.

[3]张延，陈中.隧道岩溶处理面面谈[J].现代隧道技术，2001（1）：60-64.

[4]陈成宗，何发亮.大瑶山隧道九号断层的特性与工程对策[J].岩石力学与工程学报，1992（1）：72-78.

[5]钟辉亚，王思敬，顾钟平，等.某大型水电枢纽坝基埋藏型岩溶发育特征及深层承压水研究[J].工程地质学报，1998（2）：79-85.