巖溶對(duì)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響及研究進(jìn)展

孫笑，趙明階

重慶交通大學(xué)，重慶 400074

0 引言

地球上約有15%的地形是喀斯特巖溶地貌，而我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一。在我國，巖溶分布縱深橫廣，除了形成以北方山西為中心，西南以貴州為中心的兩片面積矚目的巖溶高原外，還有更為廣闊的地理環(huán)境跨度[1]。隨著我國水電事業(yè)建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，水工隧洞日趨增多，規(guī)模也不斷加大，水工隧洞是在山體中或地下開鑿的過水洞，可用于灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航。水工隧洞是大型水利樞紐的重要組成部分，現(xiàn)在西部地區(qū)正在大力興建水利樞紐，然后在西部山區(qū)常常會(huì)遇到石灰?guī)r溶地區(qū)大斷面隧洞工程建設(shè)，由于巖溶這種不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在給隧洞開挖和運(yùn)營安全造成嚴(yán)重的威脅。例如，大規(guī)模的巖溶涌水，突泥不但危及隧道施工的安全，還影響隧道施工的進(jìn)度，給人們的生產(chǎn)生活造成重大損失。

1 巖溶地區(qū)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素分析

巖溶是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層進(jìn)行化學(xué)腐蝕/崩解作用和機(jī)械破壞搬運(yùn)沉積作用所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。.綜合已有的條件，巖溶產(chǎn)生發(fā)育需具備3個(gè)條件即可溶性巖石和地質(zhì)構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)以及地下水和地表水補(bǔ)給、徑流、滲透和循環(huán)。研究一個(gè)地區(qū)的巖溶發(fā)育程度需要結(jié)合該地區(qū)的巖溶層組類型，地質(zhì)構(gòu)造條件，巖溶地貌部位以及巖溶發(fā)育歷史等特點(diǎn)來綜合考慮，必須因地制宜，很難得出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以得出的結(jié)果僅僅是一種相對(duì)的概念。

1.1 巖溶水

巖溶區(qū)水工隧洞穩(wěn)定問題的一個(gè)重要的方面就是巖溶地下水運(yùn)動(dòng)對(duì)圍巖變形和穩(wěn)定性的影響，它涉及到巖溶水——圍巖的相互作用問題。巖溶水師指存在于可溶性巖石（石灰?guī)r、白云巖）的溶孔、溶洞和溶蝕裂隙中的地下水。巖溶地下水運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是巖溶含水介質(zhì)具有多重性，并且裂隙流與管道流并存，層流與紊流并存，線性與非線性流并存，連續(xù)水流與孤立水體并存。在隧洞施工過程中，由于巖溶發(fā)育且高壓、富水，常產(chǎn)生巖溶地下水突出的災(zāi)變現(xiàn)象。巖溶涌水通常會(huì)導(dǎo)致隧洞圍巖穩(wěn)定性迅速下降，從而坍塌，給隧洞帶來不同程度的危害。如新水花隧道株六復(fù)線由于出現(xiàn)巖溶涌水導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性驟降，邊墻及拱部均出現(xiàn)塌方，拱部格柵和護(hù)拱出現(xiàn)下沉、毀壞，給施工的安全造成一定的危害。西坑1號(hào)隧洞深圳東部供水網(wǎng)絡(luò)干線出現(xiàn)大量巖溶涌水使得洞軸左側(cè)100m以外的西坑村老屋地面局部變形，水井干枯，土房墻壁出現(xiàn)明顯裂縫。

巖溶含水系統(tǒng)可分為四類，分別是裂隙巖溶含水系統(tǒng)，管道巖溶含水系統(tǒng)，層間空隙巖溶含水系統(tǒng)，管道—裂隙—孔隙三重含水系統(tǒng)。

1.2 巖溶洞隙

溶洞的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果，石灰?guī)r里的不溶性的碳酸鈣受水和二氧化碳的作用能轉(zhuǎn)化為微溶碳酸氫鈣。溶洞的發(fā)育情況、大小，以及方位位置對(duì)隧洞的圍巖都有不同程度的影響，在隧洞施工開挖過程中我們就時(shí)常會(huì)遇到大型溶洞，如位于黔桂兩省交界上的南盤江的天生橋二級(jí)水電站，開挖后發(fā)現(xiàn)800m埋深下的隧洞中巖溶仍很發(fā)育，溶洞段上下游圍巖很不均勻，巖體破碎。又如達(dá)萬鐵路田家坡隧道因溶洞溶蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致圍巖坍塌、堆積，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，增加了成本。引黃工程國際二標(biāo)6號(hào)隧洞青羊渠至溫嶺區(qū)段，溶洞接連出現(xiàn)，影響隧洞圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重削弱了管片的承載能力和防滲性能，影響過流能力。

1.3 巖溶松散堆積物

巖溶松散堆積物對(duì)水工隧洞穩(wěn)定性影響的程度一方面取決于巖溶松散堆積物的體量的大小和堆積物本身的物理力學(xué)性能，另一方面和巖溶松散堆積物與水工隧洞是否聯(lián)通有直接關(guān)系。對(duì)于非聯(lián)通的巖溶洞隙松散堆積物對(duì)水工隧洞穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為洞室與堆積物之間巖墻在堆積物荷載和內(nèi)水壓力作用下的穩(wěn)定性問題。對(duì)于與水工隧洞聯(lián)通的巖溶洞隙松散堆積物，如果堆積物體量尺度大于洞室尺度，可直接按照松散體土質(zhì)圍巖進(jìn)行處理，否則需要研究不同體量尺度堆積物對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響以及換填加固處理的最小厚度，以滿足在堆積物荷載和內(nèi)水壓力作用下的圍巖的整體穩(wěn)定性問題。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對(duì)巖溶地區(qū)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的研究并不多。在國外，單獨(dú)對(duì)巖溶的研究有一些，如Rudolf Lied[2]等通過一個(gè)復(fù)雜模型方法對(duì)巖溶產(chǎn)生的控制機(jī)制進(jìn)行了研究，該模型包括了巖溶系統(tǒng)水力學(xué)，溶解動(dòng)力學(xué)以及相關(guān)的流動(dòng)阻力隨時(shí)間的降低。巖溶水力特征主要是由高導(dǎo)水低存儲(chǔ)的管道網(wǎng)絡(luò)機(jī)制與在各種邊界條件約束下低導(dǎo)水高存儲(chǔ)的巖體相互作用所控制，只有考慮流動(dòng)機(jī)制的耦合系統(tǒng)，才能適當(dāng)表現(xiàn)其他相關(guān)因素的作用；Gabrovsck[3]提出了一個(gè)用于石灰?guī)r巖溶含水層在長度和深度演化的新模型，即對(duì)開始階段，裂縫孔徑只有50um，滲透系數(shù)是10-7m/s的含水層巖體，施加以水源補(bǔ)充恒定的邊界條件：運(yùn)用石灰?guī)r的非線性溶解動(dòng)力學(xué)計(jì)算各時(shí)間段裂隙溶解擴(kuò)展情況，從而得到含水層隨時(shí)間的演化，該模型也可以描述洞穴隨時(shí)間的演化情況。Gabrovsck 對(duì)深30m、長200m的含水層利用該模型進(jìn)行了計(jì)算，定性描述了巖溶水?dāng)U展機(jī)制。

在國內(nèi)，研究較多的是巖溶對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，尤其是巖溶洞隙的影響。如2003年趙明階教授[4-8]等人就對(duì)該方面進(jìn)行了大量的研究，在分析巖溶的發(fā)育特征和巖溶對(duì)大斷面隧道工程的危害的基礎(chǔ)上，建立巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的概化模型，首次利用模型試驗(yàn)和數(shù)值分析通對(duì)巖溶區(qū)大斷面公路隧道圍巖中的不同發(fā)育程度的巖溶對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并結(jié)合已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建巖溶區(qū)隧道圍巖穩(wěn)定性的控制方法和措施。研究得出了圍巖變形與溶洞距離、方位、尺寸之間的非線性關(guān)系，并提出了巖溶區(qū)隧道圍巖變形特征為全過程變形曲線的負(fù)空間效應(yīng)段增長，阻尼段變短，而正空間效應(yīng)段變陡。圍巖變形速率在開挖瞬間達(dá)到最大，并隨溶洞的尺寸的增大而增大，而隨溶洞距離的增大而減小。吳夢軍[9-10]等也進(jìn)行了一系列的大型相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，也探討了溶洞的發(fā)育程度和位置對(duì)圍巖施工力學(xué)響應(yīng)的影響，總結(jié)了巖溶地區(qū)公路隧道圍巖位移場，塑性區(qū)等的一些分布規(guī)律。

3 結(jié)論

綜上所述，國內(nèi)外針對(duì)巖溶對(duì)水工隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響的研究幾乎是空白，大都是單獨(dú)孤立的分析巖溶或者隧洞，國內(nèi)研究的比較多的是巖溶洞隙對(duì)公路隧道的圍巖穩(wěn)定性影響，而水工隧洞與公路隧道還是有區(qū)別的，因?yàn)樗に矶丛诮ǔ珊笸度脒\(yùn)營時(shí)洞內(nèi)是要過水的。因此，我們還需考慮有壓隧洞的內(nèi)水壓力作用，也有可能還有內(nèi)水外滲的問題，這些對(duì)圍巖的穩(wěn)定都有很大的影響。鑒于此，還可從以下兩方面進(jìn)行研究：

1）基于不同巖溶含水系統(tǒng)的等效滲流模型，運(yùn)用流固耦合理論，分別對(duì)具有裂隙巖溶含水系統(tǒng)、管道巖溶含水系統(tǒng)、層間孔隙巖溶含水系統(tǒng)以及管道-裂隙-孔隙三重含水介質(zhì)的水工隧洞圍巖在有無內(nèi)水壓力作用下的巖溶水—圍巖的相互作用機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果分析在巖溶水影響下的水工隧洞圍巖變形規(guī)律與破壞模式。

2）依據(jù)巖溶的發(fā)育特征構(gòu)建巖溶洞隙對(duì)有壓水工隧洞圍巖穩(wěn)定性影響的概化模型，然后基于該概化模型，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法就隧洞周邊的不同尺寸、不同距離和不同方位的洞隙對(duì)有壓水工隧洞在有、無內(nèi)水壓力時(shí)的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過對(duì)研究成果的分析，獲得不同巖溶洞隙分布時(shí)有壓水工隧洞圍巖變形規(guī)律與破壞模式。

[1]劉招偉，張民慶，王樹仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測與處治技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2007.

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[5]趙明階，王學(xué)軍，劉緒華，等.隧道側(cè)巖溶對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（1）：6-10.

[6]趙明階，徐容，許錫賓.巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形特性模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（6）：710-715.

[7]趙明階，徐容，許錫賓.巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形規(guī)律及其監(jiān)測[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（7）：866-871.

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[9]吳夢軍，徐錫賓，趙明階，等.巖溶區(qū)公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（9）：1523-1529.

[10]吳夢軍，許錫賓，劉緒華，等，巖溶對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].地下空間，2003，23（1）：59-62.