周治发 苏晓东

中交第四公路工程局有限公司 国际工程分公司

摘 要：本文采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对底部溶洞对隧道的影响进行了分析，研究了底部溶洞对隧道周边释放位移影响和隧道周边应力变化特征以及周边围岩塑性区变化特征和隧道稳定性影响。发现溶洞洞径越大，隧道的水平位移越小，竖向位移越大，水平位移收敛比越小，最大主应力越大，对隧道周边塑性区的影响越大;溶洞与隧道距离越大，隧道水平位移越大，拱顶沉降越大，水平位移收敛比越大，对隧道周边塑性区影响越小。基于数值模拟分析结果确定了安全、可行的施工方案，指导了该工程的施工，取得了良好的效果。

关键词：底部溶洞;数值模拟;周边释放位移;应力变化;围岩塑性区变化;处理措施;

岩溶对隧道工程的影响除涌水、突泥之外主要表现为隧道周边围岩的变形、失稳，常常导致隧道开挖中局部坍塌、掉块、落石。目前，在岩溶区隧道建设中缺乏溶洞对隧道影响的系统研究。因此，有必要系统研究溶洞对隧道建设的影响，探讨其规律性，以便在施工中能有针对性地进行溶洞的处理或预处理，保证岩溶区隧道建设的安全性，提高岩溶隧道工作的预见性和效率，减少溶岩隧道地质灾害。

在岩溶隧道灾害中，开挖中未揭露出来的隐伏溶洞因工程上不能事先采取安全措施，易遭受到猝不及防的破坏，给隧道施工和运行造成了很大的安全隐患，危害性较大。因此，研究不同位置和形态的空间隐伏溶洞对隧道稳定性的影响对隧道建设具有重要的现实意义。为了准确评价隧道顶部岩溶分布对围岩稳定性的影响，论文在塔国隧道岩溶地区岩溶隧道灾害统计和工程调查基础上，与有限数值分析方法相结合，对隧道底部轴线正下方各种岩溶分布的隧道开挖进行了二维弹塑性数值分析，并根据计算结果对岩溶尺寸、距离与围岩开挖释放位移、应力分布以及稳定性进行了分析。

1 工程概况

隧道施工可能遇到大型溶蚀空间，并发生突水(突泥)事故。隧道进口左侧为一岩堆，岩性为灰岩、泥灰岩、白云岩等，表面坡度约50°，高度约10m，宽度约30m，稳定性较差。

隧道围岩以V级为主，部分段落为VI级。其中VI级围岩40m，主要集中于隧道洞口段，为厚层黄土型粉质粘土及碎石土;V级围岩1820m，主要为强风化花岗岩，受构造影响岩体破碎。

总体而言隧道地质条件较差，洞身围岩破碎，隧道开挖易引起进出口边仰坡失稳滑塌，拱顶掉块坍塌，下阶段需加强洞口边仰坡防护及拱顶的支护，加强超前地质预报。

2 数值模拟

2.1 模型建立及材料参数

本文采用岩土工程专用有限分析软件Midas GTS/NX进行不同工法的数值模拟;其中，岩土体采用莫尔-库伦本构模型;支护结构以析取板单的方式模拟模型材料参数见表1。

表1 模型材料参数 下载原图

按照工程实际情况，进行2D建模计算，考虑到边界效应，一般距离左右边界的长度取为3～5倍的洞径，因此左右洞距离边界长度取为3倍的洞径，前后取120 m。隧道与溶洞位置关系如图1。

图1 底部溶洞数值实验模型 下载原图

2.2 数值模拟方案

考虑到实际工程中遇到的工程地质条件千变万化，隧道结构形态各异，为方便工程中应用，试验中采用归一化处理，根据本隧道缺陷段所处的工程地质条件和隧道支护结构形式，参考相关规范及类似工程中的相关信息，参照V类围岩选取参数进行分析，确定了塔吉克斯坦-中国天然气管道(D线)工程一号隧道数值模型中的相关参数，如表1所示。

为分析不同溶洞洞径以及不同距离对隧道围岩稳定性的影响，数值试验共进行了20组不同组合情况下的数值试验，试验方案见表2。

表2 溶洞对隧道影响的试验分析方案 下载原图

2.3 数值模拟结果及分析

为分析不同洞径、不同洞间距的底部溶洞对隧道围岩位移场的影响，按预设方案进行了数值试验。数值试验中假定溶洞为城门洞型隧道，隧道模型为二维模型，分析了不同洞径、不同洞间距的底部溶洞对隧道周边位移场的变化特征，其中包括了隧道水平位移、竖向位移和隧道净空间变位特征的影响。分析方法是不同洞径不同间距开挖下时产生的位移变形量与无溶洞时候产生的位移变形量进行比较得出相关的结论。

(1)底部溶洞对隧道水平位移影响的分析

用溶洞洞径为4.5m、6.75m、9m时隧道水平位移与无溶洞时隧道水平位移比较，并加入表2中不同间径比的溶洞与无溶洞时隧道水平位移比较。没有溶洞时最大的水平位移是2.0791mm。

(1)当溶洞直径d=4.5m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的水平位移分别为1.7289mm、1.8172mm、1.8877m、1.9417mm。间径比3.0(即溶洞距离隧道13.5m)时水平位移云图如图2。

(2)当溶洞直径d=6.75m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的水平位移分别为1.3826mm、1.6035mm、1.7523mm、1.8464m、1.9082mm。间径比3.0 (即溶洞距离隧道20.25m)时水平位移云图如图3。

(3)当溶洞直径d=9m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的水平位移分别为1.2653mm、1.5439mm、1.7178mm、1.7956m、1.8533mm。间径比3.0(即溶洞距离隧道27m)时水平位移云图如图4。

图2 溶洞直径d=4.5，距离隧道13.5m时水平位移云图 下载原图

图3 溶洞直径d=6.75m，距离隧道20.25m时水平位移云图l 下载原图

图4 溶洞直径d=9m，距离隧道27m时水平位移云图 下载原图

把上述的数值分析的结果分别记录到表3中，表示了不同洞径的溶洞在距隧道不同距离时所引起的隧道最大水平位移量。

表3 不同洞径在不同位置处的最大水平位移 下载原图

在溶洞直径一定时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞对隧道最大水平位移影响越小。在溶洞与隧道之间的距离与溶洞的直径的比值一定时，溶洞的直径越大，溶洞对隧道最大水平位移影响越大。隧道的最大水平位移出现在有溶洞的一端且位移为正值，最大负值出现在与隧道对称处的另一端。

(2)底部溶洞对隧道竖向位移影响的分析

用溶洞洞径为4.5m、6.75m、9m时隧道水平位移与无溶洞时隧道水平位移比较，并加入表2中不同间径比的溶洞与无溶洞时隧道竖向位移比较。没有溶洞时最大的竖向位移是54.1159mm。

(1)当溶洞直径d=4.5m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的竖向位移分别为54.1513mm、54.1458mm、54.1131mm、54.1665m、54.1225mm。间径比3.0 (即溶洞距离隧道13.5m)时竖向位移云图如图5。

图5 溶洞直径d=4.5m，距离隧道13.5m时竖向位移云图 下载原图

(2)溶洞直径d=6.75m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的竖向位移分别为54.8338mm、54.8861mm、54.9346mm、54.9802m、55.0243mm。间径比3.0(即溶洞距离隧道20.25m)时竖向位移云图如图6。

图6 溶洞直径d=6.75m，距离隧道20.25m时竖向位移云图 下载原图

(3)当溶洞直径d=9m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的竖向位移分别为55.5108mm、55.6191mm、55.7222mm、55.8197m、55.9126mm。间径比3.0 (即溶洞距离隧道27m)时竖向位移云图如图7。

把上述的数值分析的结果分别记录到表4中，表示了不同洞径的溶洞在距隧道不同距离时所引起的隧道最大竖向位移量。

图7 溶洞直径d=9m，距离隧道27m时竖向位移云图 下载原图

表4 不同洞径在不同位置处的最大竖向位移 下载原图

当洞径比λR<2时，溶洞与隧道的距离对隧道顶拱竖向最大位移的影响不大;当洞径比λR>2时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞对隧道顶拱竖向最大位移影响越大。当间径比一定时，溶洞的直径越大，溶洞对隧道最大竖向位移影响越大。

(3)底部溶洞对隧道净空间变位特征影响的分析

隧道净空间变形特征测量是隧道监测中的一项重要工作，变形特征一般包括顶拱最大沉降量、水平最大收敛量和竖向最大收敛量等，其中以拱顶最大沉降量和水平最大收敛量，即净空位移最为常见。净空位移和拱顶下沉值是隧道无时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要的测量项目。此项目的量测结果可以判断:周边围岩的稳定性;初次支护的妥当与否及衬砌、仰拱的灌注时间等。

受底部溶洞影响时，城门洞型隧道的水平最大收敛量和竖向最大变形量的数值试验结果见表5，表6所示，其中表5为受底部溶洞影响时隧道水平最大收敛量的变化特征;表6为受底部溶洞影响时，隧道拱顶沉降变化。

表5 水平收敛位移比率变化表 下载原图

注:水平收敛位移比率为隧道最大水平变位量比以隧道跨度。

表6 拱顶沉降位移比率变化表 下载原图

注:顶拱沉降位移比率为隧道顶拱最大沉降位移量比以隧道跨度。

由两表可得隧道最大收敛位移比率随着间径比的增加而减小;洞径比λR2时，隧道最大拱顶位移比率随着间径比的增大而增加，洞径比λR2时，隧道最大拱顶位移比率随着间径比的增大影响不大。

(4)底部溶洞对隧道周边应力变化特征影响的分析

为分析不同洞径、不同洞间距的底部溶洞对隧道围岩应力场的影响，按预设方案进行了数值试验。数值试验中假定溶洞为古溶洞，模拟隧道全断面，分析在不支护时隧道周边应力场的变化特征。该报告中分析底部溶洞对隧道最大主应力影响的数值分析。无溶洞时隧道最大主应力为179.645k N/m2。

(1)当溶洞直径d=4.5m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的主应力分别为213.012k N/m2、179.614k N/m2、196.756k N/m2、153.815k N/m2、225.392k N/m2。间径比3.0(即溶洞距离隧道13.5m)时竖向位移云图如图8。

图8 溶洞直径d=4.5m，距离隧道13.5m时最大主应力云图 下载原图

(2)当溶洞直径d=6.75m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的主应力分别为229.749k N/m2、198.072k N/m2、208.172k N/m2、215.429k N/m2、181.081k N/m2。间径比3.0(即溶洞距离隧道20.25m)时竖向位移云图如图9。

(3)当溶洞直径d=9m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，隧道最大的主应力分别为229.749kN/m2、198.072kN/m2、208.172kN/m2、215.429kN/m2、181.081kN/m2。间径比3.0(即溶洞距离隧道27m)时竖向位移云图如图10。

图9 溶洞直径6.75m，距离隧道20.25m时最大主应力云图 下载原图

图1 0 溶洞直径d=9m，距离隧道27m时最大主应力云图 下载原图

把上述的数值分析的结果分别记录到表7中，表示了不同洞径的溶洞在距隧道不同距离时所引起的隧道最大主应力。

表7 不同洞径在不同位置处的最大主应力值 下载原图

由实验可得当洞径比λR≥2时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞距离隧道越远最大主应力越小。当间径比KR≤1时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞距离隧道越远最大主应力越大。隧道周边最大主应力一般出现在隧道右下方，主应力分布呈对称状。

(5)底部溶洞对隧道周边围岩塑性区变化特征影响的分析

隧道周边塑性区的分布及其特征是评价围岩稳定性和进行支护设计的重要信息，为研究受底部溶洞影响时隧道周边塑性区的分布及其变化特征，按预设方案进行了不同溶洞洞径、不同洞间距时的溶洞-隧道体系数值试验，为了分析底部溶洞对隧道水平位移的影响，分别对无溶洞时产生的应变量与无溶洞直径为4.5m、6.75m和9m三种情况下产生的应变量进行对比。没有溶洞时对隧洞周边塑性区的影响是0.0002452。

(1)当溶洞直径d=4.5m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，溶洞对隧洞周边塑性区的影响分别为0.0003298、0.0002816、0.0002834、0.0002405、0.0002175。间径比3.0 (即溶洞距离隧道13.5m)时对隧道周边塑性区影响云图如图11。

图1 1 溶洞直径d=4.5m，距离隧道13.5m时对隧道周边塑性区影响云图 下载原图

(2)当溶洞直径d=6.75m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，溶洞对隧洞周边塑性区的影响分别为0.0003418、0.0003046、0.0002575、0.0002110、0.0002509。间径比3.0 (即溶洞距离隧道20.25m)时对隧道周边塑性区影响云图如图12。

图1 2 溶洞直径d=6.75m，距离隧道20.25m时对隧道周边塑性区影响云图 下载原图

(3)当溶洞直径d=9m时，间径比分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0时，溶洞对隧洞周边塑性区的影响分别为0.0003862、0.0002972、0.0002773、0.0002645、0.0002401。间径比3.0 (即溶洞距离隧道27m)时对隧道周边塑性区影响云图如图13。

把上述的数值分析的结果分别记录到表8中，表示了不同洞径的溶洞在距隧道不同距离时底部溶洞对隧道周边围岩塑性区变化特征的影响。

图1 3 溶洞直径d=9m，距离隧道27m时对隧道周边塑性区影响云图 下载原图

表8 不同洞径在不同位置处对隧洞周边塑性区影响 下载原图

由实验得当洞径比λR一定时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞对隧道周边塑性区影响越小。溶洞与隧道距离比较小时，溶洞对隧道周边塑性区的影响随着距离的变化波动很大;当洞与隧道距离越来越大，溶洞对隧道塑性区的影响变化越来越小，直至趋近于不再变化。当溶洞较大时，受底部溶洞影响，溶洞对隧洞塑性区影响将比无溶洞时有所增加;在溶洞距隧洞距离较小时，溶洞对隧洞周边塑性区影响会有所减弱。

3 隧道遇岩溶的处理措施

在溶洞地段施工时，要根据设计资料及现场情况查明溶洞分布范围、类型(大小、有无水、洞子是否在发育中，有无充填物)、岩层的稳定程度和地下水情况(有无长期补给来源、雨季水量有无增长)等，采取跨越、加固洞穴、引排、截流岩溶水、清除充填物或对充填物注浆加固、回填夯实，封闭地表塌陷、疏排地表水等综合治理措施。

(1)溶洞洞穴处理:根据岩溶溶洞大小及洞穴与隧道不同部位的关系采取跨越、堵塞、加固及浇避等处理措施。

(2)封闭溶洞:已停止发育的干小溶洞，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石堵塞、填实，必要时注浆加固以防止塌陷。

(3)洞穴充填物的处理:溶洞充填物的特点是松软，下沉量大，强度低，稳定性差，当隧道必须通过洞穴填充物地段时，可按不同情况采取如下措施。

4 结论

以塔吉克斯坦-中国天然气管道(D线)工程一号隧道为研究背景，对V级围岩条件下不同开挖工法对隧道稳定性影响进行有限数值模拟研究，主要得出如下结论:

(1)岩溶对隧道周边位移的影响。在溶洞直径一定时，溶洞与隧道的距离越远，溶洞对隧道最大水平位移影响越小;在间径比一定时，溶洞的直径越大，溶洞对隧道最大水平位移影响越大。当洞径比λR≤1.5时，溶洞对隧道拱顶沉降的影响不大;洞径比λR=2.0时，隧道拱顶沉降随着间径比增大而增大，在间径比KR=3.0时增大到最大值3.32%。

(2)岩溶对对隧道的周边应力的影响。当间径比KR=1时，随着洞径比λR的增大，溶洞对隧道的周边应力的影响逐渐变小;当间径比，KR≥1时，溶洞大小对隧道周边应力的影响效果相差不大。当洞径比λR=1时，隧道周边应力随着间径比KR增加逐渐增大到最大值287.187k N/m2，比无溶洞时增加60%。

(3)岩溶对对隧道的塑性区的影响。岩溶对隧道塑性区的影响随着间径比的增大先减小后增大，期间会发生方向上的改变。当溶洞较大时，受底部溶洞影响，溶洞对隧洞塑性区影响将比无溶洞时有所增加;在溶洞距隧洞距离较小时，溶洞对隧洞周边塑性区影响会有所减弱。岩溶对隧道塑性区的影响随着间径比的增大先减小后增大，期间会发生方向上的改变。

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