岩溶对水工隧洞围岩稳定性的影响及研究进展

孙笑，赵明阶

重庆交通大学，重庆 400074

0 引言

地球上约有15%的地形是喀斯特岩溶地貌，而我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一。在我国，岩溶分布纵深横广，除了形成以北方山西为中心，西南以贵州为中心的两片面积瞩目的岩溶高原外，还有更为广阔的地理环境跨度[1]。随着我国水电事业建设事业的迅猛发展，水工隧洞日趋增多，规模也不断加大，水工隧洞是在山体中或地下开凿的过水洞，可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。水工隧洞是大型水利枢纽的重要组成部分，现在西部地区正在大力兴建水利枢纽，然后在西部山区常常会遇到石灰岩溶地区大断面隧洞工程建设，由于岩溶这种不良地质现象的存在给隧洞开挖和运营安全造成严重的威胁。例如，大规模的岩溶涌水，突泥不但危及隧道施工的安全，还影响隧道施工的进度，给人们的生产生活造成重大损失。

1 岩溶地区水工隧洞围岩稳定性的主要影响因素分析

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层进行化学腐蚀/崩解作用和机械破坏搬运沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。.综合已有的条件，岩溶产生发育需具备3个条件即可溶性岩石和地质构造与地层结构以及地下水和地表水补给、径流、渗透和循环。研究一个地区的岩溶发育程度需要结合该地区的岩溶层组类型，地质构造条件，岩溶地貌部位以及岩溶发育历史等特点来综合考虑，必须因地制宜，很难得出统一的标准，所以得出的结果仅仅是一种相对的概念。

1.1 岩溶水

岩溶区水工隧洞稳定问题的一个重要的方面就是岩溶地下水运动对围岩变形和稳定性的影响，它涉及到岩溶水——围岩的相互作用问题。岩溶水师指存在于可溶性岩石（石灰岩、白云岩）的溶孔、溶洞和溶蚀裂隙中的地下水。岩溶地下水运动的特点是岩溶含水介质具有多重性，并且裂隙流与管道流并存，层流与紊流并存，线性与非线性流并存，连续水流与孤立水体并存。在隧洞施工过程中，由于岩溶发育且高压、富水，常产生岩溶地下水突出的灾变现象。岩溶涌水通常会导致隧洞围岩稳定性迅速下降，从而坍塌，给隧洞带来不同程度的危害。如新水花隧道株六复线由于出现岩溶涌水导致围岩稳定性骤降，边墙及拱部均出现塌方，拱部格栅和护拱出现下沉、毁坏，给施工的安全造成一定的危害。西坑1号隧洞深圳东部供水网络干线出现大量岩溶涌水使得洞轴左侧100m以外的西坑村老屋地面局部变形，水井干枯，土房墙壁出现明显裂缝。

岩溶含水系统可分为四类，分别是裂隙岩溶含水系统，管道岩溶含水系统，层间空隙岩溶含水系统，管道—裂隙—孔隙三重含水系统。

1.2 岩溶洞隙

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果，石灰岩里的不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶碳酸氢钙。溶洞的发育情况、大小，以及方位位置对隧洞的围岩都有不同程度的影响，在隧洞施工开挖过程中我们就时常会遇到大型溶洞，如位于黔桂两省交界上的南盘江的天生桥二级水电站，开挖后发现800m埋深下的隧洞中岩溶仍很发育，溶洞段上下游围岩很不均匀，岩体破碎。又如达万铁路田家坡隧道因溶洞溶蚀严重，导致围岩坍塌、堆积，严重影响了施工进度，增加了成本。引黄工程国际二标6号隧洞青羊渠至温岭区段，溶洞接连出现，影响隧洞围岩的稳定性，严重削弱了管片的承载能力和防渗性能，影响过流能力。

1.3 岩溶松散堆积物

岩溶松散堆积物对水工隧洞稳定性影响的程度一方面取决于岩溶松散堆积物的体量的大小和堆积物本身的物理力学性能，另一方面和岩溶松散堆积物与水工隧洞是否联通有直接关系。对于非联通的岩溶洞隙松散堆积物对水工隧洞稳定性的影响主要表现为洞室与堆积物之间岩墙在堆积物荷载和内水压力作用下的稳定性问题。对于与水工隧洞联通的岩溶洞隙松散堆积物，如果堆积物体量尺度大于洞室尺度，可直接按照松散体土质围岩进行处理，否则需要研究不同体量尺度堆积物对围岩稳定性的影响以及换填加固处理的最小厚度，以满足在堆积物荷载和内水压力作用下的围岩的整体稳定性问题。

2 研究现状

目前，国内外对岩溶地区水工隧洞围岩稳定性的研究并不多。在国外，单独对岩溶的研究有一些，如Rudolf Lied[2]等通过一个复杂模型方法对岩溶产生的控制机制进行了研究，该模型包括了岩溶系统水力学，溶解动力学以及相关的流动阻力随时间的降低。岩溶水力特征主要是由高导水低存储的管道网络机制与在各种边界条件约束下低导水高存储的岩体相互作用所控制，只有考虑流动机制的耦合系统，才能适当表现其他相关因素的作用；Gabrovsck[3]提出了一个用于石灰岩岩溶含水层在长度和深度演化的新模型，即对开始阶段，裂缝孔径只有50um，渗透系数是10-7m/s的含水层岩体，施加以水源补充恒定的边界条件：运用石灰岩的非线性溶解动力学计算各时间段裂隙溶解扩展情况，从而得到含水层随时间的演化，该模型也可以描述洞穴随时间的演化情况。Gabrovsck 对深30m、长200m的含水层利用该模型进行了计算，定性描述了岩溶水扩展机制。

在国内，研究较多的是岩溶对公路隧道围岩稳定性的影响，尤其是岩溶洞隙的影响。如2003年赵明阶教授[4-8]等人就对该方面进行了大量的研究，在分析岩溶的发育特征和岩溶对大断面隧道工程的危害的基础上，建立岩溶隧道围岩稳定性的概化模型，首次利用模型试验和数值分析通对岩溶区大断面公路隧道围岩中的不同发育程度的岩溶对围岩稳定性的影响进行了系统深入的研究，并结合已有的工程实践经验构建岩溶区隧道围岩稳定性的控制方法和措施。研究得出了围岩变形与溶洞距离、方位、尺寸之间的非线性关系，并提出了岩溶区隧道围岩变形特征为全过程变形曲线的负空间效应段增长，阻尼段变短，而正空间效应段变陡。围岩变形速率在开挖瞬间达到最大，并随溶洞的尺寸的增大而增大，而随溶洞距离的增大而减小。吴梦军[9-10]等也进行了一系列的大型相似模型试验和数值模拟研究，也探讨了溶洞的发育程度和位置对围岩施工力学响应的影响，总结了岩溶地区公路隧道围岩位移场，塑性区等的一些分布规律。

3 结论

综上所述，国内外针对岩溶对水工隧洞围岩稳定性的影响的研究几乎是空白，大都是单独孤立的分析岩溶或者隧洞，国内研究的比较多的是岩溶洞隙对公路隧道的围岩稳定性影响，而水工隧洞与公路隧道还是有区别的，因为水工隧洞在建成后投入运营时洞内是要过水的。因此，我们还需考虑有压隧洞的内水压力作用，也有可能还有内水外渗的问题，这些对围岩的稳定都有很大的影响。鉴于此，还可从以下两方面进行研究：

1）基于不同岩溶含水系统的等效渗流模型，运用流固耦合理论，分别对具有裂隙岩溶含水系统、管道岩溶含水系统、层间孔隙岩溶含水系统以及管道-裂隙-孔隙三重含水介质的水工隧洞围岩在有无内水压力作用下的岩溶水—围岩的相互作用机理进行数值模拟，通过模拟结果分析在岩溶水影响下的水工隧洞围岩变形规律与破坏模式。

2）依据岩溶的发育特征构建岩溶洞隙对有压水工隧洞围岩稳定性影响的概化模型，然后基于该概化模型，采用模型试验和数值模拟方法就隧洞周边的不同尺寸、不同距离和不同方位的洞隙对有压水工隧洞在有、无内水压力时的围岩稳定性进行系统研究，通过对研究成果的分析，获得不同岩溶洞隙分布时有压水工隧洞围岩变形规律与破坏模式。

[1]刘招伟，张民庆，王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术[M].科学出版社，2007.

[2]Rudolf Liedl，Martin Sauter，Dirk Huckinghaus.Simulation of the development of karst aquifers using acoupled continuum pipe flow modle[J].Water ResourcesResearch，2003（3）：1057-1067.

[3]Gabrovsck F，Dreybrodt W.A mode of the earlyevolutionof karst aquifers in limestone in the dimensionsof length and depth[J].Journal of hydrology，2001（240）：206-224.

[4]赵明阶，徐容，刘绪华，等.隧道顶部溶洞影响围岩稳定性的模型试验研究[J].地下空间，2003，23（2）：153-157.

[5]赵明阶，王学军，刘绪华，等.隧道侧岩溶对围岩稳定性影响的数值模拟研究[J].重庆建筑大学学报，2003，25（1）：6-10.

[6]赵明阶，徐容，许锡宾.岩溶区全断面开挖隧道围岩变形特性模拟[J].同济大学学报，2004，32（6）：710-715.

[7]赵明阶，徐容，许锡宾.岩溶区全断面开挖隧道围岩变形规律及其监测[J].同济大学学报，2004，32（7）：866-871.

[8]赵明阶，敖建华，刘绪华，等.岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（2）：213-217.

[9]吴梦军，徐锡宾，赵明阶，等.岩溶区公路隧道施工力学响应研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（9）：1523-1529.

[10]吴梦军，许锡宾，刘绪华，等，岩溶对公路隧道围岩稳定性的影响研究[J].地下空间，2003，23（1）：59-62.