非充填型溶洞发育位置及大小对隧道施工的影响分析

朱国伟

(中国铁路总公司工程管理中心，北京100038)

非充填型溶洞发育位置及大小对隧道施工的影响分析

朱国伟

(中国铁路总公司工程管理中心，北京100038)

为研究非充填型溶洞发育位置及大小对铁路隧道施工的影响，本文对长昆客运专线岩溶隧道周边不同发育位置及大小的非充填型溶洞进行了二维数值模拟分析。分析结果表明:非充填型溶洞将引起隧道周边位移、塑性区增大;不同位置的溶洞对围岩应力影响不同，相交溶洞的存在对隧道结构最为不利。

隧道 溶洞 位置 影响

我国高速铁路网越来越密，新线建设中铁路隧道穿越非充填型溶洞区的情况不可避免，不同发育位置及大小非充填型溶洞的存在会对隧道施工产生不同的影响，需对此加以研究。邹成杰［1］以鲁布革水电站为依托工程，分析了不同洞径的圆形隐伏溶洞对隧洞位移的影响。张延等［2］以内昆、南昆铁路部分典型隧道溶洞为例，总结出岩溶对隧道工程的影响主要是洞害、水害、洞穴充填物坍塌、洞顶地表塌陷四个方面。史世雍等［3］采用数值方法分析了不同尺度的顶部溶洞对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响，以及不同位置、规模的溶洞对隧道支护结构受力性能的影响。不同位置及大小的溶洞对隧道施工的影响规律目前尚研究得不够全面。

本文采用数值分析方法，建立二维模型对拱顶、拱腰、边墙、仰拱处不同大小的溶洞对隧道施工的影响规律进行研究，为隧道选线及设计施工提供参考。

1 溶洞形状及尺寸统计分析

埋深较浅的隧道处于地下水垂直入渗循环带内，其遇到的溶洞以近竖向发育溶洞为主。此类溶洞受溶解水流动特点的影响，其空间形态一般均呈柱状或板面状分布，且一般在地表处均有溶蚀迹象。在隧道勘察时通常会避开此类影响带，因此，因大的竖向溶洞导致的工程灾害相对较小。分析此类溶洞必须按实际情况模拟其空间形态，而其空间形态千差万别，只能具体问题具体分析，基本无共性可言。岩溶区除垂直循环带之外，还存在水平循环带。对部分岩溶地区铁路隧道既有资料的调查表明，对于近水平向发育的溶洞而言，当溶洞直径＞16 m时，溶洞空间形态一般近似呈大厅状;但在溶洞直径较小时，溶洞一般均近似为圆形。本文分析圆形溶洞对隧道的影响。

在宋战平［4］、綦彦波［5］对武都水库地质勘查资料及隧道开挖揭露溶洞、已建成的宜万铁路岩溶隧道资料等统计的基础上，汇总了在建的长昆客运专线上的岩溶隧道情况，总结出我国岩溶隧道施工中常见溶洞尺度，具体统计情况见表1。

表1 溶洞尺寸分布统计(据綦彦波资料和长昆线调查资料)

从表1可知，在调查地区当前隧道工程中所遇到的溶洞尺寸89%以上在2.0～14.0 m，因此本文主要对此类溶洞进行分析。

2 计算模型

根据长昆客运专线在建岩溶隧道的具体情况建立二维数值模型，计算模型尺寸，－45 m＜x＜45 m;－40 m＜y＜40 m，其中取岩溶区隧道的平均埋深为40 m。根据对溶洞形状、直径的统计分析结果，将溶洞简化成直径为2.5，5.0，7.5，10.0及12.5 m的圆形，溶洞位于距隧道拱顶、拱腰、边墙、仰拱分别为0(溶洞与隧道相交)，3，6，9和12 m处总计100种工况。其中溶洞在隧道拱腰外侧的情况如图1所示。

图1 拱腰外侧存在相离溶洞时的计算模型

隧道按新奥法施工，三台阶开挖，计算中仅考虑了初期支护(混凝土厚度为30 cm，强度等级为C30)，而未考虑二次衬砌，材料参数按现场实际情况选取，此处不赘述。

目前的数值分析软件尚无法实现对溶洞形成过程的完全模拟，因此本文采用对地层人工开挖的方式来模拟溶洞的形成。首先进行初始地应力场的模拟，之后在初始应力场基础上模拟溶洞形成过程，形成溶洞应力场，之后再在溶洞应力场中进行隧道的开挖与支护模拟，最后形成岩溶隧道应力场与位移场。在模拟时认为溶洞形成过程中所产生的位移在隧道开挖前已经存在，对隧道开挖位移无影响，因此应该对自重与溶洞形成过程中产生的位移进行清零，最终使得地层及结构的位移全部为隧道开挖引起的位移。鉴于长昆线现场状况，模型分析时认为溶洞在隧道开挖前处于稳定状态，且不考虑围岩的蠕变效应。

3 计算结果分析

3.1 拱顶附近溶洞对隧道开挖的影响

3.1.1 位移变化

1)拱顶下沉。当隧道与溶洞相交时，隧道的拱顶竖向位移值随着溶洞直径的增加呈现先减少后增加的趋势，并且其竖向位移值为无溶洞情况下的3.5～5.5倍。溶洞与隧道拱顶相离时，隧道拱顶下沉值随着溶洞直径的增加而增加，随着洞间距的增大，7.5 m直径以下的溶洞影响下的隧道拱顶下沉值呈现增大的趋势，7.5 m直径以上的溶洞影响下的隧道拱顶下沉值呈现减少的趋势，两种趋势共同趋近于无溶洞的情况。

2)周边收敛。随着溶洞间距的增大，隧道周边收敛呈现减少的趋势，随着溶洞直径的增大，隧道周边收敛呈现增加的趋势。有溶洞情况下周边收敛值较无溶洞情况下要大，其比值约为1.0～1.3。

3)仰拱隆起。隧道拱顶存在溶洞时，隧道仰拱隆起值随着溶洞直径的增加呈现不断减少的趋势;随着洞间距的扩大，隧道仰拱隆起值呈现增大的趋势，整体而言，拱顶溶洞的存在有利于降低隧道仰拱隆起值，其隆起值为无溶洞情况下的0.88～1.00倍。

3.1.2 围岩应力变化

拱顶上方存在溶洞时，隧道仰拱最大主应力、拱脚最小主应力均为压应力，并且相应特征位置的最大、最小主应力与无溶洞时差别不大。溶洞直径一定时，仰拱处最大主应力随着溶洞与隧道间距的增大逐渐接近于无溶洞工况最大主应力，拱脚处最小主应力随着洞间距的增大而逐渐增大，洞间距超过3 m时，应力增加趋于平缓，最终接近于无溶洞工况下拱脚处的最小主应力。

3.1.3 塑性区变化

拱顶上方存在溶洞工况下，隧道开挖引起周边塑性区面积较无溶洞情况下增加;溶洞尺寸越大塑性区的面积增加得越多，随着洞间距的增大，塑性区面积逐渐减少，最终接近无溶洞工况;溶洞与隧道相交时，塑性区面积增加尤为明显，当洞间距相对溶洞直径较小时，塑性区有可能贯穿洞间围岩。

3.1.4 支护结构受力变化

隧道拱顶存在相交溶洞时，支护结构的轴力明显减少，弯矩明显增加。当溶洞与隧道拱顶相离时，溶洞的存在使得溶洞附近支护结构轴力较无溶洞状况下有所增加;随着洞间距的增大，支护结构的拱顶轴力逐渐减少，但最终轴力值仍是比无溶洞状况下要大。在同样洞间距情况下，随着溶洞直径的增大，拱顶轴力呈增大趋势，溶洞对拱顶弯矩值影响不大。

3.2 仰拱附近溶洞对隧道开挖的影响

3.2.1 位移变化

1)拱顶下沉。仰拱下方存在溶洞时，隧道的拱顶下沉值较无溶洞情况下要小，仰拱处溶洞的存在对于减少拱顶下沉是有利的。随着溶洞直径的增加，拱顶下沉值呈减少的趋势，随着洞间距的扩大，隧道拱顶下沉值呈现增大的趋势。隧道拱顶下沉值与无溶洞情况下的比值约为0.4～1.0。

2)周边收敛。隧道仰拱处存在溶洞时，相交溶洞与相离溶洞对周边收敛的影响呈现不同的变化趋势，但其收敛值均比无溶洞情况下大。当隧道与溶洞相交时，隧道的周边收敛值随着溶洞直径增加呈现先减少后增加的趋势。当隧道与溶洞相离时，随着洞间距的扩大，隧道周边收敛呈现减少的趋势;随着溶洞直径的增加，隧道周边收敛呈现增大的趋势。隧道周边收敛值与无溶洞情况下的比值约为1.1～2.3。

3)仰拱隆起。同一溶洞直径情况下，随着洞间距的增大，隧道仰拱隆起呈现减少的趋势。在同一洞间距的情况下，随着溶洞直径的增加，隧道仰拱隆起呈现增大的趋势。整体而言，有溶洞情况下仰拱隆起值比无溶洞情况下要大，其比值约为1.0～3.8。

3.2.2 围岩应力变化

仰拱下方相交溶洞直径较小时，隧道仰拱最大主应力可能为拉应力。就整体而言，仰拱处最大主应力与无溶洞时差别不大，拱脚处最小主应力较无溶洞时最小主应力要小，其比值为0.37～1.0。拱脚处最小主应力随着溶洞直径的增大而减少;随着洞间距的增大而逐渐增大，最终接近于无溶洞工况下拱脚处的最小主应力。

3.2.3 塑性区变化

仰拱下方存在溶洞时，隧道开挖引起周边塑性区面积较无溶洞情况下增加;洞间距一定时，溶洞尺寸越大塑性区的面积增加得越多;当塑性区贯穿溶洞与隧道间围岩时，随着洞间距的增大，塑性区大小将逐渐趋于稳定;溶洞尺寸越大塑性区贯穿的几率越高，若溶洞与隧道围岩间塑性区未贯通时，隧道结构周边的塑性区面积将较贯通时明显减少。

3.2.4 支护结构受力变化

仰拱下部存在相交溶洞时，支护结构所受轴力明显减少，而弯矩变化不明显;当仰拱下部存在相离溶洞时，支护结构所受轴力较无溶洞工况下大，且随着洞间距的增大轴力逐渐减少，随着溶洞直径的增大，仰拱轴力呈增大趋势，支护结构所受弯矩变化不明显。

3.3 拱腰附近溶洞对隧道开挖的影响

3.3.1 位移变化

1)拱顶下沉。隧道拱腰处存在溶洞时，拱顶下沉较无溶洞状况下要大，隧道拱顶下沉与无溶洞情况下的比值约为1.0～1.6，且随着溶洞直径的增大拱顶下沉逐渐增大，随着洞间距的扩大，隧道拱顶下沉逐渐减少。

2)周边收敛。溶洞与隧道相对关系不同时，周边收敛呈现不同的表现形式。当洞间相交时，随着溶洞直径的增加，周边收敛值呈现先减少后增加的趋势，而洞间相离时则相反。

3)仰拱隆起。拱腰上方存在溶洞时，随着洞间距的扩大，隧道周边收敛、仰拱隆起呈现减少的趋势。在洞间距≤3 m的情况下，随着溶洞直径的增加，仰拱隆起呈现增大的趋势;在洞间距＞3 m的情况下，随着溶洞直径的增加，仰拱隆起呈现减少的趋势。

3.3.2 围岩应力变化

拱腰上方存在溶洞时，仰拱处的最大主应力与无溶洞工况下接近，拱脚处最小主应力较无溶洞时最小主应力大，其比值为1.00～1.06。拱脚处最小主应力随着溶洞直径的增大而增大，随着洞间距的增大而逐渐减少，最终接近于无溶洞工况下拱脚处的最小主应力。

3.3.3 塑性区变化

右拱腰上方存在溶洞时，隧道开挖引起周边塑性区面积较无溶洞情况下增加。溶洞直径越大塑性区的面积增加得越多，塑性区面积随着洞间距的增大而减少;溶洞直径越大塑性区贯穿的几率越高，若溶洞与隧道间塑性区未贯通时，隧道结构周边的塑性区面积将较贯通时明显减少。

3.3.4 支护结构受力变化

隧道右拱腰存在相交溶洞时，与无溶洞工况相比，初期支护结构轴力明显减少，而弯矩明显增加，局部存在强变化区，对于结构安全不利。当隧道与溶洞相离时，随着洞间距的增大，支护结构右拱腰的轴力、弯矩逐渐减少，最终拱腰处轴力、弯矩值由大于无溶洞工况转变为小于无溶洞工况，轴力、弯矩与无溶洞工况下的比值分别为0.8～2.0，0.6～1.5。在同样洞间距情况下，随着溶洞直径的增大，右拱腰处轴力、弯矩呈增大的趋势。

3.4 边墙附近溶洞对隧道开挖的影响

3.4.1 位移变化

1)拱顶下沉。隧道边墙侧部存在溶洞时，拱顶下沉较无溶洞工况要大，其比值为1.0～2.2，且随着边墙溶洞直径的增大，拱顶下沉呈增大趋势;随着洞间距的扩大，隧道拱顶下沉呈减少趋势。

2)周边收敛。边墙侧存在溶洞时，溶洞与隧道间是否相离影响着隧道周边收敛的变化。当隧道与溶洞相交时，周边收敛随着溶洞直径的增加呈现逐渐减少的趋势，溶洞的存在使得隧道收敛相对无溶洞情况下减少;当隧道与溶洞相离时，在洞间距较小的情况下，周边收敛整体上呈现随着溶洞直径增大而增大的趋势，在洞间距较大的情况下，周边收敛随着溶洞直径的增大呈现减少的趋势。

3)仰拱隆起。当隧道边墙侧存在溶洞时，隧道整体隆起值较无溶洞时大。隧道与溶洞相交时，隧道仰拱隆起值随着溶洞直径增加呈现先增加后减少的趋势;当隧道与溶洞相离时，仰拱隆起值随着溶洞直径的增加而增加，随着洞间距的增大而减少。

3.4.2 围岩应力变化

边墙右侧存在溶洞时，除溶洞与隧道相交外，其他工况拱脚处最小主应力较无溶洞时大，其比值为1.00～1.18。在同样洞间距的情况下，拱脚处最小主应力随着溶洞直径的增大而增大;在同样溶洞直径的情况下，拱脚处最小主应力随着洞间距的增大而逐渐减少，最终接近于无溶洞工况下拱脚处最小主应力。

3.4.3 塑性区变化

边墙右侧存在溶洞时，隧道开挖引起周边塑性区较无溶洞时增加;洞间距一定时，溶洞尺寸越大塑性区的面积增加得越多，塑性区随着洞间距的增大而减少;边墙右侧存在溶洞时，溶洞尺寸越大塑性区贯穿的几率越高，若溶洞与隧道间塑性区未贯通时，隧道结构周边的塑性区将较贯通时明显减少。

3.4.4 支护结构受力变化

隧道右边墙存在相交溶洞时，初期支护结构轴力明显减少，而弯矩明显增加。当溶洞与隧道相离时，随着洞间距的增大，支护结构右拱腰的轴力、弯矩逐渐减少，最终拱腰处轴力、弯矩值大小接近于无溶洞时，轴力、弯矩与无溶洞时比值分别为1.0～2.7，1.0～18.0。

4 结论与建议

1)隧道拱顶上方、仰拱下方存在溶洞时，溶洞的影响使得隧道有由两边向中间挤压的趋势，并且这种趋势随着溶洞离隧道距离的增大而减少。拱腰与边墙侧溶洞的存在使得隧道结构处于偏压状态，隧道呈现不均匀沉降，拱顶下沉值较无溶洞时增大，为其1.0～2.2倍。

2)溶洞对结构的应力有一定的影响，这种影响随着溶洞直径的增大、溶洞与隧道间间距的减少而呈现增大的趋势。总体而言，其与无溶洞时应力的比值随着溶洞位置的不同而在0.37～1.18内变化，其中仰拱处溶洞较其他位置的溶洞对隧道应力的影响大。

3)溶洞对周边围岩的塑性区影响较大，隧道离溶洞较近(隧道与溶洞相交)时，尤其严重，甚至塑性区发生贯穿，不利于发挥围岩的自稳作用。就拱顶、拱腰、边墙、仰拱四种位置的溶洞而言，拱腰处溶洞对塑性区的影响最为严重、边墙次之，拱顶与仰拱处溶洞对塑性区的影响最小。

4)溶洞附近支护结构所受弯矩增大，轴力减少，存在相交溶洞时其影响尤为严重，这种趋势随着溶洞离隧道距离的增加而减弱。根据《铁路隧道设计规范》中破损阶段法计算结构的安全系数，结果表明，溶洞的存在使得支护结构的安全系数降低，应注意对结构予以加强［6］。

5)本文计算中仅是对围岩平面应力进行了静态分析，实际施工中尚应考虑爆破震动、溶洞的空间效应等因素的影响。

6)本文的结论仅针对非充填型溶洞。若溶洞为充填型，其影响有待进一步研究。

［1］邹成杰.水利水电岩溶工程地质［M］.北京:水利电力出版社，1994.

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

［3］史世雍，梅世龙，杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2005，1(5):698-702.

［4］宋战平.隐伏溶洞对隧道围岩—支护结构稳定性的影响研究［D］.西安:西安理工大学，2006.

［5］綦彦波.既有溶洞对铁路单线隧道施工稳定性的影响研究［D］.天津:天津大学，2007.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任审编李付军)

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.12

1003-1995(2015)06-0041-04

2015-02-03;

2015-03-22

朱国伟(1971—)，男，河北盐山人，高级工程师。