山区岩溶隧道结构受力变形分析与处置技术研究

山区岩溶隧道结构受力变形分析与处置技术研究

张艳华

中铁上海工程局集团第三工程有限公司

摘要：本文根据实际施工过程，基于现场地质勘探结果，结合迈达斯有限元计算软件对存在山区岩溶的隧道上部、上斜角45°、水平和下斜角45°的岩溶对隧道结构受力与变形进行了分析，探究了偏压条件下隧道纵向位移和塑形区域的变化规律，并提出了山区岩溶隧道施工处置措施。研究结果表明：岩溶洞穴处于隧道拱顶正上方时，拱顶沉降随距离增加而减小，当距离L=0.3d时，沉降达到23.10cm；引入沉降指标Δ，获得L~Δ变化曲线，当L在1.5d-0.7d之间时，拱顶沉降增长缓慢；L≤0.7d时，影响隧道的变形的重要因素是熔岩的存在，甚至危害隧道施工安全，需要采取相应的处置措施；此外，当L=0.3d时，隧道上方围岩与岩溶下方围岩形成塑性渗透区，若在此开挖隧道，极易发生塌方，造成重大安全事故。当L=1.5D时，隧道塑性区主要集中在隧道侧壁，没有渗透区域，因此影响不显着。

关键词： 岩溶隧道；地质勘探；有限元计算；塑形变形；处置措施

Research on Stress and Deformation Analysis and Treatment Technology of Karst Tunnel Structures in Mountain Areas

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Abstract: In this paper, according to the actual construction process, based on the results of on-site geological exploration, combined with Midas finite element software, the stress and deformation of the tunnel structure are analyzed for the karst with 45 ° upward angle, 45 ° horizontal angle and 45 ° downward angle in the mountain area, this paper probes into the variation law of longitudinal displacement and plastic region of tunnel under eccentric pressure, and puts forward some measures for the construction of karst tunnel in mountain area. The results show that when the karst cave is directly above the tunnel vault, the vault settlement decreases with the distance increasing, and reaches 23.10 cm when the distance l = 0.3 d, when L is between 1.5 D and 0.7 d, the settlement of vault increases slowly, and when l ≤0.7 d, the main factor affecting the deformation of tunnel is the existence of molten rock, which even endangers the safety of tunnel construction In addition, when L = 0.3 d, the surrounding rock above the tunnel and the surrounding rock below the karst form plastic permeability zone. If the tunnel is excavated here, it is easy to collapse, resulting in major safety accidents. When L = 1.5 D, the tunnel plastic zone was mainly concentrated in the tunnel sidewall and there was no infiltration zone, so the effect was not significant.

Key words: karst tunnels; Geological exploration; Finite element calculation; Plastic deformation; Disposal measures.

0  引言

随着中国交通建设的不断发展，穿越岩溶地区

的隧道工程越来越多。在中国西南地区岩溶地貌分

布广泛，溶洞大小不一，发育形态各异，特别是发育规模庞大的溶洞，周边围岩易发生变形和破坏。隧道存在岩溶的稳定性是建设过程中要重点关注的突出问题，为确保工程建设的顺利进行，必须进行深入研究岩溶对隧道稳定性的影响，解决或者减少岩溶对隧道工程建设的影响。

目前，已有众多学者针对岩溶地区隧道稳定性

问题进行相关研究，周雪铭等［1］对隧道开挖过程中岩溶隧道的处置结构和隧道围岩进行了有限元数值模拟分析，结果表明支撑墙体的压力、开挖面附近的桩基应变都会加速增大，然后变成稳定趋势；易介民等［2］分析了溶洞尺寸和位置对岩溶隧道稳定性的影响；李雄周等［3］研究了隧道岩溶的发育规律，结合数据模拟提炼出了一种新型的溶洞处理方案；An等［4］分析了分叉隧道底部的溶洞对围岩稳定性的影响，并探讨了隧道围岩的受力变形特征；Chen 等[5]研究了隧道开挖过程中围岩和处置结构的稳定性，分析了回填桩承台挡土墙复合处理结构与围岩之间的位移和初始支护应力的发展规律；谭代明等［6］研究得出隧道开挖后隧道周边围岩分别向溶洞内和隧道内产生变形。已有研究表明：数据模拟分析对围岩稳定性和溶洞处理的安全质量稳定可靠性具有重大的意义［7⁃13］。

本文依托贵州山区高速公路隧道建设项目黄家嘴隧道工程，采用迈达斯有限元分析软件，构建岩溶隧道三维数值模型，重点研究隧道开挖对处置结构和隧道围岩稳定性的影响，研究结果可为岩溶地区隧道施工及岩溶处置提供一定的借鉴与参考。

1工程概况

黄家嘴隧道按照左、右分离式设计，左线隧道里程桩号Z3K89+593～Z3K90+850，长1257m；右线隧道里程桩号K89+594～K90+855，长1261m，均属长隧道。隧道左线最大埋深243.83m，右线最大埋深253.46m，设计标准为双向四车道高速公路，整幅路基宽度24.5m，单幅路基宽度12.25m

1.1   地形地貌

黄家嘴隧道位于贵州高原中北部，属于黔北高原向黔中山丘过渡地带，海拔高750~1400m，地形条件复杂，山峦起伏。隧道区域地层为二叠系龙潭组黏土岩，粉砂质粘土岩、页岩、炭灰质岩，节理裂隙发育，岩土较为破碎。根据前期物探显示，DK88+610~DK88+675段洞底，DK88+760~DK88+790段洞底部和洞顶存在明显的低阻异常，推断该几处为基岩较为破碎或岩溶发育区。而DK88+675附件揭示两处岩溶发育，溶洞发育标高为895~898m，大小约2.5m，内有少量填充物。若掌子面继续开挖，将存在较大偏压，对施工过程带了较大的安全隐患。因此，为了弄清岩溶空洞对隧道施工及运营的影响，开展了基于迈达斯有限元模型仿真计算。

1.2地质勘探结果

隧道穿越疑似岩溶地层中，需要对可疑地层进

行超前探测。在综合分析地质雷达法、TSP和瞬变电磁法、高密度电阻法的优缺点后，根据黄家嘴隧道实际工况，提出采用地质雷达、地震散射剖面法，并结合超前探孔对岩溶地区和富水区域进行探测，如图1所示。

（a）美国SIR地质雷达

（b）现场地质探测

图1现场地质雷达探测过程

采用美国SIR-20地质雷达对水塘隧道出口DK88+590-DK88+665 及DK88+670-DK88+828段实施探测，分别在地表布置了3条测线，包括两个横断面和一个纵断面。

图2  测线测试结果与隧道区位关系示意图

图3 坡脚横P4测线剖面偏移图

由图2~3可知，从纵坡面图中的左轴线偏移图像的情况来看，该处有三个低速带，通过该特征和图纸中的溶洞构造很相似，推断为岩溶发育位置，并结合不良地层位置和隧道的空间关系，可以将该勘测段分2段。在DK88+590-DK88+630段，该段总体地质条件较好，隧道周围区域影响范围内无明显空洞特征；而在DK88+670-DK88+828段，隧道的顶部板面上面存在噪声，顶部板到上面穿越的地方存在破碎，存在岩溶发育。基于此，需要针对该区域开展数值模拟理论研究，探讨隧道穿越岩溶时结构受力与变形的影响。

2 数值模拟的建立

通过黄家嘴隧道设计图纸和施工方案等为依据进行计算建模。选取里程段做为专门的分析断面，该断面隧道的埋深约32m，分析采空区为隧道上斜向45°、水平平行、下斜向45°、正上方四种不同的工况，具体工况见表1。

表1 溶洞与隧道位置关系

本模型计算采用平面应变模型保证模型边界不受隧道开挖影响,从模型X方向取90米,从地表沿Y方向取65米左右的深度。围岩采用实体单元模拟,初期支护采用梁单元模拟

,水平单向约束边界条件,竖向约束底面,如图4所示约束边界情况,如图5所示划分网格情况。围岩本构关系取摩尔库伦(Molkurn)理想模型。

（a）隧道模型尺寸及边界

（b）模型网格划分

图4  模型网格划分图

3数值模拟结果分析

在分析采空区对隧道稳定性的影响时，我们主要从围岩变形和塑性区发展两个方面进行了深入探讨，得出了以下结论。通常情况下，围岩和支护结构的变形是相互协调的，除非在衬砌背后出现了较大的空洞，这种情况在施工中是不被允许的。因此，我们对围岩的变形进行了详细的分析，以评估围岩的稳定性。

3.1  隧道围岩竖向变形分析

综合熔岩和隧道之间的距离不同的各种情况，二者间距离分别为0.3d、0.5d、0.7d、1d和1.5d之间，其中d为隧道的直径。两个的距离L为隧道的外部轮毂线到溶洞的边缘的直线。考虑到文章版面的要求，此处仅对比最具代表性的两种工况，即隧道与溶洞位置分别在拱顶和水平方向时。

（a）L= 0.3d

（a）L= 1.5d

图5 工况一围岩竖向位移图

（a）L= 0.3d

（b）L=1.5d

图6工况三围岩竖向位移图

根据图5的数据，我们可以发现，当岩溶位于隧道拱顶正上方时，随着距离的增加，拱顶的沉降从23.10cm减小到16.73cm。这表明，越接近溶洞的位置，就越需要加强洞顶的施工监测，并采用超前小导管进行支护，必要时还要进行注浆填充。为了更好地分析工况一和工况三下，不同长度的采空区对隧道围岩稳定性的影响，我们定义了一个指标Δ，它表示在存在岩溶区的情况下，隧道的最大拱顶下沉与无岩溶区情况下隧道拱顶下沉的差值。在工况一下，Δ随着岩溶区离隧道距离的变化趋势如图7所示。

图7 工况一L-Δ曲线

工况一情况下随着采空区与隧道之间距离的L减小，隧道的拱顶沉降表现为增长趋势，当采空区与隧道之间距离L在1.5d-0.7d之间时，拱顶沉降增长相对缓慢，采空区距离隧道0.7d时，隧道拱顶沉降增长率随着采空区的临近明显增大。可以初步认为：工况一条件下当L≤0.7d时，采空区的存在将严重影响隧道围岩的变形，进而影响围岩的稳定，甚至危及隧道施工安全，必须采取措施应对采空区对隧道施工的影响。

图8 工况三L-Δ曲线

从图8中得知，在第三种工况下，跟随者距离L的不断减小，拱顶沉降为增长，当距离L在1.5D到1D之间时，拱顶沉降增长缓慢，Δ从1.4cm增长至2.1cm；当进入隧道1D后，拱顶增长随着岩溶区的靠近增快，Δ从2.1剧增至7.4cm。我们可以初步判断，在工况三条件下，当L≤1d时，岩溶区的存在将对隧道拱顶沉降产生较大影响，这是强影响区；而当1≤L≤1.5d时，岩溶区对隧道的影响较小，这是弱影响区。此外，我们还发现，当岩溶区与隧道水平平行时，对隧道的影响最大。

3.2  隧道围岩塑形变形分析

围岩塑性区是评估稳定性的一项重要指标，对各种工况下围岩塑性区的分析，能很好地反映出采空区对围岩稳定性的影响。工况一~三的围岩塑形区域如图9~10所示。

（a）L= 0.3d

（b）L= 1.5d

图9 工况一围岩塑形区分布云图

（a）L= 0.3d

(b) L=1.5d

图10 工况三围岩塑形区分布云图

在图9中，我们可以观察到，当岩溶正好处在隧道正上方时（即工况一），随着两者之间的距离变化，围岩塑性区呈现出的不同特点。具体来看，当距离L等于0.3d时，隧道上方的围岩与岩溶下方的围岩竟然形成了一个连续的塑性区域。一旦隧道开挖至这一位置，就极有可能引发塌方事故，后果不堪设想。而当距离L扩大到1.5D时，隧道的塑性区域主要局限于侧墙，并未形成贯通区域，因此对隧道的影响相对较小。

进一步观察图10，我们发现当L等于0.3d时，塑性贯通区的存在使得隧道开挖面临巨大的安全风险。而当L大于1.0d时，隧道与采空区之间的塑性区并未贯通，对隧道开挖的影响微乎其微。

4岩溶处置措施

基于现场地质雷达探测结果和数值理论计算结果，在隧道穿越岩溶地层施工中，拱顶和拱腰位置为出现塑形区域，随着距离减小，塑形区域将逐渐增大，存在坍塌的风险。因此，需要制定相应的岩溶处置措施。根据岩溶洞穴的规模及洞穴与隧道的相对位置关系，我们可以采取跨越、封堵加固及绕壁的方法来处理。

（1）跨越法

当溶洞或暗河较大较深时，我们可以采用梁、拱等结构进行跨越。但是，梁端或拱座必须置于稳固可靠的基岩上，必要时还需要用圬工进行加固。

（2封堵法

对于已经停止发育且跨度较小且无水的洞穴或地下河，可以按其与隧洞的相对位置和充填状况，采用水泥、浆砌片石或干砌片石等进行回填，并视工程的具体条件，确定对侧壁的深度和深度。在施工过程中，采取锚喷支护、增设护拱和拱顶回填等措施进行治理。

（3）绕行法

在工程建设过程中，若遇暂时无法治理的地下洞穴或地下暗河，可采取绕道穿越洞穴或暗河区的办法，进行隧洞开挖后，再进行地下洞室或地下暗河的治理。根据岩溶洞穴的规模，可以采用回填和补强两种处理方法。

(1)对于隧洞掘进表面以下2 m以下的洞室和边墙附近形成的洞室，一般采取回填方法进行治理。在侧墙上形成了一个洞穴：用干砌的片状石料，再用 M7.5的浆砌片石将其封闭，其厚度不低于2.0 m，同时，在中央的排水沟上，每两 m布置一根φ10 cm的柔性渗透水管，见图11。

图11 小溶洞回填处置

(2)对于在腰拱以上较大规模的洞室，在使用小导管超前时，首先在30 cm的距离内进行一根φ42*4.0 mm的超前管。在基坑施工中，按50 cm间隔布置18号工字钢，并在钢结构的地基上进行合理的扩大，确保地基的稳固。二次衬砌可以按岩溶洞穴的发展状况，进行加固处理。在安装过程中，应预先埋设一根直径10厘米的柔性防水管道，并将其与“Ω”排水管连接起来，见附图12。

图12 腰拱以上大溶洞锚杆处置

5结论

本文依托黄家嘴隧道穿越岩溶地区施工项目，利用现场地质勘探、有限元数值模拟计算分析，获得了隧道与岩溶不同距离的位置影响关系。基于此，提出了隧道穿越岩溶区的针对性措施。研究结果可为山区隧道穿越岩溶区不良地质条件的施工安全控制、管控措施等提供经验和可靠的理论依据。

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