岩溶地区隧道围岩稳定性影响研究

摘要：文章为探究岩溶地区修建隧道围岩稳定性的变化规律，采用ANSYS软件建立计算模型，系统研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞与隧道间距对隧道各个位置变形的影响规律，得到以下结论：溶洞位于隧道正上方和正下方时拱顶的沉降最小，当溶洞位置与隧道相水平时，隧道拱顶的沉降变形最大；当溶洞位置处于隧道正上方时，隧道底部的隆起变形最小，而当溶洞位置处于隧道正下方时，隧道底部的隆起变形较大，且大于溶洞位于隧道顶部时的隆起变形；当隧道右侧存在溶洞时，隧道左拱腰产生的变形大多为背离隧道的变形，但右拱腰既有背离隧道的变形，又有侵入隧道的变形；随着溶洞与隧道中线夹角的增大，右拱脚变形值呈先增大后减小的趋势，当溶洞位置与隧道相水平时，右拱脚的变形量达到峰值，但溶洞位于隧道右下角时，隧道左拱脚处的变形达到最大值。研究结果可为岩溶地区隧道的设计及施工提供参考。

关键词：岩溶地貌；交通隧道；ANSYS；围岩稳定性

0引言

随着我国交通建设事业的蓬勃发展，在西南地区新建了大量的公路及铁路线路来改善西南地区的出行条件。但西南地区降雨丰沛，多山多河的气候及地质条件使该地区存在大量的岩溶地貌，分布有大量的溶洞，给隧道的修建及日后的运营带来极大的安全隐患。

对于在岩溶地区修建隧道，叶堃等［1］基于玉京山隧道建设中遇到的大型溶洞的研究成果，提出了暗河改道、溶洞回填、桥梁跨越的总体处置措施；袁以堂等［2］通过建模研究发现，加强仰拱衬砌可以有效限制仰拱变形，并能使仰拱的受力更加均匀合理；盖孝乾［3］研究发现，存在溶洞使得地表的沉降显著增大，且当隧道距溶洞距离大于4倍隧道直径时，溶洞的存在并不会对隧道围岩的应力分布产生影响；张晋龙［4］基于弹性理论与数值仿真计算结果发现，可以通过特征值的变化来判定隧道围岩是否稳定；甄映州［5］基于强度折减法对隧道围岩的稳定性进行研究，认为高铁隧道施工应尽量保证与溶洞平行，避免在溶洞下方修建高铁隧道；常洲等［6］研究了溶洞位置对隧道稳定性的影响，认为溶洞的存在对隧道侧部的影响最大，对隧道顶部的影响最小，并根据溶洞与隧道相对位置的不同，对侧部、顶部、底部处的溶洞给出了不同的工程处理建议；于涛［7］通过研究发现在交通荷载作用下，位于隧道侧方的溶洞对隧道稳定性有显著影响，隧道与溶洞边距越小，动荷载下隧道围岩的稳定性越弱；方振华等［8］对成贵铁路中溶洞的处置进行研究，结果表明在岩溶地区修建隧道时，隧道顶板和侧壁的稳定性较差，但隧道地板的稳定性较好。但当前的研究多集中于隧道跨越溶洞时各种工程处置措施的比选，对于溶洞的位置、溶洞的大小及间距对隧道围岩的影响研究鲜有报道。

基于此，本文以某新建隧道为研究背景，通过ANSYS软件建立计算模型，系统研究溶洞位置、溶洞大小、溶洞与隧道间距对隧道各个位置变形的影响规律。研究结果可为岩溶地区隧道的设计及施工提供参考。

1 工程概况及模型的建立

拟建隧道高12 m、宽9 m。经地质勘查发现，拟建隧道旁存在球形溶洞，最大溶洞半径接近6 m，距隧道最近处的溶洞间距仅为3 m，对隧道的施工及安全运营有巨大的安全隐患。

由于隧道埋深较大且山体岩性较为均匀，对工点处的隧道围岩进行试验后得到其力学参数，如表1所示。采用ANSYS软件建立计算模型，以实际工况为参考，建立模型高150 m，宽120 m，以充分消除边界条件对隧道变形的影响，所建立的计算模型如图1所示。图1中R为溶洞半径；L为溶洞与隧道边的间距；θ为溶洞与隧道中线的夹角；A为隧道拱顶位移监测点；B、F为左右拱腰变形监测点；C、E为左右拱脚变形监测点；D为隧道底部变形监测点。

2 试验结果与分析

溶洞位置对隧道围岩变形及稳定性有重要影响，不同位置工况下隧道拱顶沉降的变化如图2所示。需要说明的是，其图例中R2L3表示溶洞的半径为2 m，距离隧道的距离为3 m。由图2可知，溶洞位于隧道正上方和正下方时对应的拱顶沉降最小，当溶洞位置与隧道相水平时，隧道拱顶的沉降变形最大，随着溶洞与隧道中线夹角的增大，拱顶处的沉降变形呈先增大后减小的趋势。此外，在溶洞位置与间距不变的工况下，溶洞半径越大，拱顶的沉降变形越大。这是由于半径越大的溶洞其内部空腔的体积越大，削弱了围岩的支撑作用，所以在围岩半径越大的情况下，隧道拱顶的沉降变形越大。在溶洞位置与大小不变的工况下，溶洞与隧道的间距越大，隧道围岩的厚度就越大，对围岩的支撑作用越强，对隧道拱顶沉降变形的限制就越强，故随着溶洞与隧道间距的增加，隧道拱顶位置处的沉降变形在逐渐减小。

不同位置处的溶洞对隧道底部变形的影响如图3所示。由图3可知，在不同工况下，隧道底部的变形都是隆起变形。当溶洞位置处于隧道正上方时，隧道底部的隆起变形最小；当溶洞位置处于隧道正下方时，隧道底部的隆起变形较大，且大于溶洞位于隧道顶部时的隆起变形。分析主要原因是溶洞位于隧道底部时，溶洞的空腔对岩石没有支撑作用，在两侧压力的作用下，溶洞顶部的隆起变形越大，反映在隧道中就是隧道底部的隆起变形越大。当溶洞位于隧道顶部时，由于顶部的溶洞并不会引起隧道底部围岩处过大的应力重分布，故当溶洞位于隧道顶部时，溶洞的大小及间距对隧道底部的隆起变形影响不大，且隧道底部的隆起变形都在8～12 mm。当溶洞位置与隧道相水平时，隧道底部的隆起变形达到了最大值，这主要是由于隧道本就两侧拱腰受到的压应力较大，当拱腰处存在溶洞时，削弱了岩石对围岩的支撑作用，一方面使得拱腰处的围岩变形增大，另一方面使得隧道底部处的围岩在应力重分布的作用下产生了更大的附加应力。所以，当溶洞与隧道相水平时，隧道底部的隆起变形最大。此外，当溶洞半径越大，溶洞与隧道的间距越小，隧道底部的隆起变形量越大，这主要是由于半径越大，间距越小的溶洞对围岩的支撑作用削弱越强，故隧道底部的隆起变形量越大。

不同位置处的溶洞对隧道左拱腰变形的影响如图4所示。需要说明的是，图4中的变形值为总变形量，负值代表产生背离隧道中心的变形，正值代表产生侵入隧道中心的变形。由图4可知，当溶洞位于隧道顶部时，左拱腰处产生的是背离隧道中心的变形；当溶洞位于隧道底部时，左拱腰产生的是侵入隧道的变形；当溶洞位置与隧道相水平时，左拱腰并不会出现背离隧道变形的峰值。这可能是由于当溶洞位置与隧道相水平时，产生较大的拱顶沉降及底部隆起，使拱腰处的围岩附加应力增加的程度不大，所以当溶洞与隧道相水平时，左拱腰处并没有出現变形的峰值。此外，当溶洞离隧道越近且溶洞半径越大时，左拱腰处的变形就越大。当溶洞位于隧道上部时，对应的溶洞与隧道中线的夹角θ为0°～90°，左拱腰产生的变形都是背离隧道的变形；当溶洞位于隧道下部时，对应的溶洞与隧道中线的夹角θ为90°～180°，左拱腰处既有背离隧道的变形，又有侵入隧道的变形。

不同溶洞位置对右拱腰变形的影响如图5所示。由图5可知，当溶洞位于隧道上方时，右拱腰产生背离隧道中线的变形，且与左拱腰的变形进行对比发现，当溶洞位于隧道正上方时，左右拱腰产生的变形相对称且都是背离隧道中线的变形。随着溶洞与隧道中线夹角的增大，右拱腰的变形逐渐由背离隧道的变形向侵入隧道的变形转化。当溶洞位于隧道的斜上方时（θ=45°），不同半径、不同间距工况下，隧道右拱腰的变形全部为侵入隧道的变形，与此同时左拱腰的变形全部为背离隧道的变形，当溶洞位置位于隧道上部时（θ为0°～90°），右拱腰的变形大多为侵入隧道的变形，但左拱腰的变形却全部为背离隧道的变形。当溶洞位置与隧道位置相水平时，右拱腰几乎不产生变形。当溶洞位置位于隧道下部时（θ为90°～180°），隧道右拱腰的变形大多为背离隧道的变形，当溶洞位于隧道右下方时（θ=135°），右拱腰处背离隧道的变形量达到了峰值。当溶洞位于隧道正下方时，右拱腰的变形反而产生了一定的减小。对比分析溶洞对左右拱腰变形的影响，当隧道右侧存在溶洞时，左拱腰产生的变形大多为背离隧道的变形，但右拱腰既有背离隧道的变形，又有侵入隧道的变形。

溶洞位置对隧道左拱脚变形的影响如图6所示。由图6可知，当溶洞位于隧道正上方时，溶洞半径越大，间距越小，隧道左拱脚的变形就越大。当溶洞位于隧道正下方时，半径越大，间距越小的溶洞，其左拱脚的变形也越大，但随着溶洞与隧道中线夹角的增大，左拱脚变形呈现出先增大后减小的趋势，且溶洞位于隧道右下角时（θ=165°），隧道左拱脚处的变形达到最大值。当溶洞半径越小且离隧道距离越远时，溶洞对左拱脚变形的影响越小。

溶洞位置对隧道右拱脚变形的影响如图7所示。由图7可知，当溶洞位于隧道正上方或正下方时，由于结构对称使得左右拱脚处的变形相同，都产生侵入隧道的变形，但随着溶洞与隧道中线夹角的增大，右拱脚变形值呈先增大后减小的趋势。当溶洞位置与隧道相水平时，右拱脚的变形量达到了峰值；同样的，当溶洞半径越小且离隧道距离越远时，溶洞对右拱脚变形的影响越小。

3 结语

本文采用ANSYS软件建立计算模型，系统研究了溶洞位置、溶洞大小、溶洞与隧道间距对隧道各个位置变形的影响规律，主要得到了以下结论：

（1）溶洞位于隧道正上方和正下方时对应的拱顶沉降最小，当溶洞位置与隧道相水平时，隧道拱顶的沉降变形最大。

（2）当溶洞位于隧道正上方时，隧道底部的隆起变形最小，当溶洞位于隧道正下方时，隧道底部的隆起变形较大，且大于溶洞位于隧道顶部时的隆起变形。

（3）当隧道右侧存在溶洞时，左拱腰产生的变形大多为背离隧道的变形，但右拱腰既有背离隧道的变形，又有侵入隧道的变形。

（4）随着溶洞与隧道中线夹角的增大，右拱脚变形值呈先增大后减小的趋势，当溶洞位置与隧道相水平时，右拱脚的变形量达到了峰值，但溶洞位于隧道右下角时，隧道左拱脚处的变形达到最大值。

参考文献：

［1］叶 堃，丁浩江，岳志勤.玉京山隧道巨型溶洞地质特征与稳定性评价［J］.高速铁路技术，2023，14（1）：81-85，90.

［2］袁以堂，周 祥，吴春伟，等.公路隧道加深仰拱穿越溶洞群力学分析［J］.公路，2023，68（2）：350-355.

［3］盖孝乾.隐伏溶洞对隧道围岩应力及地表沉降的影响研究［J］.工程機械与维修，2023（1）：67-69.

［4］张晋龙.隧道与溶洞施工安全距离分析研究［J］.市政技术，2022，40（11）：91-98.

［5］甄映州.高铁隧道与大型溶洞近接施工影响分区研究［J］.四川建筑，2022，42（5）：153-154，158.

［6］常 洲，魏研博，冷 浩，等.隐伏充填型溶洞对隧道稳定性影响与防治技术［J］.公路，2022，67（9）：439-445.

［7］于 涛.地表交通荷载下侧方溶洞对隧道影响研究［J］.工程建设，2022，54（4）：13-17.

［8］方振华，余 庆，岳志勤，等.成贵铁路上高山隧道超大型溶洞处理技术与应用［J］.人民长江，2021，52（11）：105-110.

作者简介：李国强（1986—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。