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摘要：我国经济的快速发展，交通道路的需求不断提高。在不同区域隧道的建设中，岩溶工程地质问题对于隧道的安全稳定性影响较大。岩溶地区差异和复杂性使隧道的安全施工难度提升，且隧道的运营安全也受到较大的影响。在岩溶区域的隧道施工过程中，隧道的突水、突泥、坍塌等问题严重影响了工程的安全性。本文简要研究了隧道稳定性的影响因素，总结溶洞的探测方法，分析溶洞对围岩的作用和对稳定性的影响，旨在为类似工程的施工提供借鉴。
关键词：溶洞 围岩稳定性 隧道
1 研究背景与意义
我国的经济正在高速发展，对交通道路的需求不断提高。随着不同区域高速公路、铁路隧道等的建设，遇到了很多复杂的工程地质问题。其中，岩溶工程地质问题对于工程的安全稳定性影响较大。岩溶地区由于成因的各异和发育的复杂性使隧道的安全施工难度提升，且隧道的运营安全也受到较大的影响。
在岩溶区域的隧道施工过程中，隧道的突水、突泥、坍塌等问题严重影响了工程的安全性。这些事故的发生将会影响施工进度，施工成本由于设备的损坏而增加，易造成施工人员的伤亡。因此，岩溶区域隧道建设的安全稳定问题是隧道施工中尤其关注的一个问题。研究溶洞对隧道围岩稳定性的分析对于岩溶区域的安全施工很有意义[1]。
本文研究了隧道稳定性的影响因素，总结溶洞的探测方法，分析溶洞对围岩的作用和对稳定性的影响。
2 隧道围岩稳定性分析
2.1隧道围岩破坏类型
隧道的开挖使围岩发生卸荷回弹，岩体内应力的重新分布，从而可能引起围岩产生塑性变形或者破坏。隧道围岩的破坏一般是产生于洞室，逐渐向围岩的深处破坏发育。隧道围岩破坏类型一般有四类。
（1）脆性破坏
脆性破坏一般发生于巨大的块状岩体，岩石自身坚硬，结构完整。隧道开挖后，岩石一般会有较强的自稳能力，然而随着地应力的增加，可能使隧道周边的岩石爆裂并弹射出来，即岩爆。
（2）块状滑动
块状或者层状围岩，当隧道开挖后，收到应力的二次影响以及其自身重力的作用力下，产生向洞室方向的滑移。随着滑动的进行，可能会形成岩石块体的挤出以及坍塌等围岩失稳事故。
（3）弯曲折断
一般层状岩层以及发育软弱夹层的岩体，岩层间结合力较小，抗弯性能较低。隧道开挖后，围岩在重力作用下，拱顶发生弯曲下沉，随后可能形成拱顶的坍塌，边墙的岩体在水平方向应力的作用下发生挤压变形。
（4）塑性变形
破碎的围岩，岩体结构比较松散，易受到施工的扰动。随着隧道施工的进行，松散的围岩逐渐塌落，自稳困难，初期的支护仅靠支撑使岩体不塌落，但同时塑性变形还在进行。应该对围岩体的变形进行有效控制，否则可能产生拱顶沉降量大、边墙挤压和底鼓等问题[2]。
2.2隧道围岩稳定性的影响因素
一般对隧道围岩稳定性的影响因素有三种：自身工程地质状况、工程的结构条件和工程的施工条件。
（1）围岩的强度和变形
如果围岩的自身强度高，隧道不易发生失稳状态，但当围岩受到的应力超过其自身强度极限值时，岩体发生破坏。围岩强度破坏的同时，围岩发生对应的塑性变形，但岩体不一定垮塌，当强度破坏形成的总变形量超过极限值时发生坍塌。
（2）围岩的结构特征
如果隧道的围岩破碎，裂隙发育，其强度低，易在施工开挖后形成大变形和块体脱落，与周围岩体一起塌落，还可能发生拱顶下沉等失稳状况。
（3）水的作用
岩溶发育和隧道岩石结构面中地下水的渗流润滑效果使围岩的稳定性受到影响。地下水的流动对岩石产生溶蚀作用，隧道的围岩形成软化，周围产生溶蚀区，形成夹泥层，岩石的强度进一步减少，最终很可能形成失稳状态。
（4）隧道的结构
隧道的断面面积和形状影响了隧道稳定性。其中，隧道的断面能直接影响隧道的稳定性，断面的面积越大，自稳性能越低。隧道的形状也能影响到隧道的成拱作用，影响隧道的自稳。
（5）施工的条件
隧道开挖后的稳定，不仅取决于其自身，外在的施工条件也能产生比较大的影响，例如掘进、开挖方式等。
隧道的掘进方式可以影响开挖对隧道的扰动，施工中对围岩的扰动越大，围岩就越容易失稳。另外，施工的速度也会有影响，例如施工开挖快，支护如果跟不上，围岩也易失稳破坏。
隧道的开挖方式对围岩稳定性也有影响。开挖方式的不同，使围岩内应力重分布次数有差异。而重分布次数过多不利于围岩的稳定。其中，大断面隧道开挖能使隧道围岩一次实现应力的重分布，对围岩的稳定性很有利。
（6）围岩的风化
围岩在空气中暴露的时间越长，其遭受风化侵蚀的效果越严重。岩石受到风化强度降低，导致隧道自稳性能下降。
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2.3隧道围岩稳定性分析方法
围岩的稳定是隧道安全运营的基本条件。因此，隧道建设最基本的是要长期保持隧道的围岩稳定。隧道围岩稳定性分析的方法有三种：理论研究、模拟研究和现场实验。
理论研究运用支护和围岩的关系作为理论基础，应用弹塑性力学知识计算围岩的应力、位移等和地应力、支护应力的公式关系。结合损伤力学和渗流力学等相关理论，可以用来研究属于连续介质力学范畴的围岩稳定性。
模拟研究一般有数值模拟和物理模拟。数值模拟中的有限元法是使用最多的方法。使用ABAQUS、ANSYS和FLAC等软件可以模拟隧道的应力场、位移场和渗流场等场景，满足隧道工程模拟的需求。物理模拟一般是指模型试验。模型的建立依据相似理论，依据实际的隧道开挖情况并选取近似的材料进行建模。隧道开挖中的围岩稳定性能通过模型较为直观的表现出来。
现场实验常见的是围岩力学性质试验、岩体结构参数测量、围岩稳定性感测和地应力测试等。通过现场试验和测量，可以最真实的反应隧道围岩的应力状态和变化情况，并且还能验证其他方法的分析结果。
3 溶洞的探测方法
岩溶地区的地质情况经常比较复杂，隧道的施工一般使用超前地质预报去勘测溶洞的位置、大小和充填等情况。从而提前采取相对应的处理措施，避免隧道安全事故的发生。
超前地质预报法一般常见的有地质分析法、物探法和超前钻探法等。
（1）地质分析法
地质分析法包含地质作图法、地下水观测法和地质素描法等。通过分析实际的隧道围岩岩性、结构面产状、溶洞位置、地下水出水点、地下水流量等数据，对工程前方进行长距离预报。
（2）物探法
超前地质预报物探法常见的有电磁波法、地震波法和直流电法等。
电磁波法中有地质雷达法。地质雷达法是使用高频电磁波的反射从而进行无损探测。地震波法是通过在掌子面后方布置炮孔与炸药进行爆破，产生的地震反射波通过接收器接收，电脑处理分析。一般用于探测100-150，适用于长距离超前地质预报。
（3）超前钻探法
超前钻探是使用钻机对掌子面前方进行钻探取芯，直接了解前方的地质条件、地层岩性等，还可以判断有无溶洞。
地质分析法需要凭借经验来进行预判，对溶洞不能很有效的探测。地质雷达探测的距离虽不长，但其对地质状况的探测效果良好，可分析出溶洞的大小和含水情况。超前钻探法具有直观和客观的优点，探测结果不会有不确定性和多解性。但是其探测的时间比较长、成本较高，并且范围有限。总之，根据实际工程情况采用适合的一种或多种方式想结合，有利于更加精确的探测溶洞的发育状况。
4 溶洞对围岩稳定性的影响
隧道围岩中的溶洞分布和形态各不相同，不同的区域岩体的岩溶化程度的不同，岩溶形状差异很大。其中，位于隧道顶部和底部的溶洞对隧道的稳定性影响较大。在工程中为了粗略估计和预测岩溶的分布对围岩稳定性的影响，在数值模拟中一般使用简化的模型，把溶洞作为球体来考虑。使用有限元软件模拟软件分别模拟这两种溶洞情况。计算建立模型的参数结合《公路隧道设计规范》进行修正，得出初步的模拟结论。
4.1 隧道顶部溶洞的影响
（1）随着隧道顶部溶洞距离的增加，围岩稳定性增强。隧道开挖引起的位移释放和距离之间有一定的对应关系。溶洞对隧道的水平位移影响小于垂向位移的影响，且对拱顶下沉的影响最大。
（2）溶洞距离影响的临界线大约是溶洞直径的2-3倍。距离超过临界线后，溶洞对围岩稳定性一般非常小。
（3）隧道顶部的溶洞对隧道拱顶的开挖位移释放有一定的抑制效果，故隧道拱顶围岩开挖释放位移和溶洞的大小尺寸是反比关系，但隧道侧壁和底部的释放位移和溶洞的大小尺寸是正比关系[3]。
4.2隧道底部溶洞的影响
（1）隧道底部的溶洞主要影响隧道底面的垂向位移，对隧道侧面和拱顶的影响比较少。隧道底部开挖的释放位移在有溶洞后增加，并且与溶洞的大小尺寸呈正比关系。
（2）隧道底部的溶洞对隧道拱顶的变形主要表现在下沉量的变化。随着溶洞距离和下沉量是正比关系，溶洞尺寸和下沉量是反比关系。
（3）隧道底部的溶洞对围岩应力的影响主要在增加了隧道侧墙墙脚的应力，但对隧道其他点影响很小[4]。
5 结语
本文研究了溶洞的位置、大小尺寸对隧道围岩稳定性的影响，分析了隧道围岩的破坏方式。综合介绍了隧道超前地质预报的常见方法及其相关优缺点和适用条件。运用有限元软件建模分析了溶洞不同位置与尺寸对隧道围岩的作用规律，旨在为类似工程的施工提供借鉴。
参考文献
[1]邵勇,阎长虹,许宝田,王宁,郑军. 小型溶洞对隧道稳定性的影响分析[J]. 地质论评,2012,58(03):519-525.
[2]马群. 溶洞对隧道围岩稳定性影响分析及其探测方法研究[D].重庆大学,2016.
[3]赵明阶,刘绪华,敖建华,王彪. 隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析[J]. 岩土力学,2003(03):445-449.
[4]赵明阶,敖建华,刘绪华,王彪. 隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析[J]. 重庆交通学院学报,2003(02):20-23+40.
论文作者:朱磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/18
标签：围岩论文; 隧道论文; 溶洞论文; 稳定性论文; 岩溶论文; 地质论文; 应力论文; 《防护工程》2018年第31期论文;