巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

【摘要】當(dāng)修筑隧道時(shí)，往往需要穿越各種溶洞，這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境使得施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)極大，可能導(dǎo)致突水災(zāi)害，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，深入探討巖溶隧道的穩(wěn)定性已經(jīng)成為了隧道修建領(lǐng)域的攻關(guān)難點(diǎn)與重點(diǎn)。目前，巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析的三大技術(shù)手段是解析解、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而突水風(fēng)險(xiǎn)治理措施主要包括：地質(zhì)超前預(yù)警、防護(hù)層的加固以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)當(dāng)前巖溶隧道穩(wěn)定性研究方法及風(fēng)險(xiǎn)治理措施進(jìn)行了概述，針對(duì)性分析了研究中所存在的不足與局限，提出了未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)及展望，為類似隧道工程提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】巖溶隧道； 數(shù)值模擬； 圍巖穩(wěn)定性

【中圖分類號(hào)】U451+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-06-19

［基金項(xiàng)目］國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202211551009）；重慶科技學(xué)院學(xué)生科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022148 ）；重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YKJCX2120733）；重慶科技學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：CK181901004）。

［作者簡(jiǎn)介］熊祎瀅（1998—），女，碩士，研究方向?yàn)樗淼拦こ?、地下空間。

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我國(guó)的公路和鐵路等基礎(chǔ)工程的建設(shè)水平也在不斷提高，而在喀斯特地區(qū)，隧道工程的數(shù)量也逐漸增加。尤其在西南地區(qū)，由于石灰?guī)r發(fā)育良好，降水充足，地勢(shì)崎嶇不平，非常適合形成溶洞，因此在修筑隧道時(shí)，往往會(huì)遇到巖溶。其中，溶洞的大小不定，充水與否，地下水分布不清，形狀不規(guī)則，給隧道的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)諸多不便。一旦圍巖失穩(wěn)破壞，極易發(fā)生突水涌水事故，將給工程項(xiàng)目帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)霈F(xiàn)人員傷亡現(xiàn)象（圖1、圖2）。

基于上述情況，本文系統(tǒng)性地總結(jié)巖溶隧道穩(wěn)定性的研究方法，分析了安全厚度的研究現(xiàn)狀，概括相關(guān)巖溶隧道治理措施，確保隧道施工安全，保障施工進(jìn)展，為相關(guān)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性研究方法

1.1 解析解法

圍巖對(duì)巖溶隧道的建設(shè)與運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)前，對(duì)其穩(wěn)定性的研究多采用解析解法、數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的手段。

早期，對(duì)巖溶隧道的理論研究主要從數(shù)學(xué)和力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行開(kāi)展。通常，人們認(rèn)為支護(hù)是為了對(duì)抗圍巖的變形，而隨著研究深入逐漸發(fā)現(xiàn)，巖體具有自我承載的能力。在傳統(tǒng)的巖溶隧道穩(wěn)定性分析中，一般都是以復(fù)變方程為基礎(chǔ)，結(jié)合彈塑性理論進(jìn)行研究。然而，該方法只適合于圓弧等不規(guī)則形狀的隧洞。對(duì)于其他剖面，一般都要進(jìn)行化簡(jiǎn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生誤差。駱帥伶等［1］建議，在研究圓柱體洞穴時(shí)，最好使用解析解法，而在研究其它類型的洞穴時(shí)，則可以使用復(fù)變函數(shù)來(lái)尋找近似的答案。但該類計(jì)算方法相對(duì)繁瑣，因而在工程上具有一定的局限性。張倬元等［2］對(duì)含有軟弱結(jié)構(gòu)面的的巖體和拱頂圍巖穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。肖前豐等［3］以固支梁彎曲理論、巖柱剪切理論、突變理論為基礎(chǔ)，結(jié)合某突水巖溶隧道案例，代入相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算得出相應(yīng)的抗突體力學(xué)模型，得出與工程中預(yù)留厚度大體一致的結(jié)論，說(shuō)明該解析解具有合理性。謝寒松［4］引入布拉修斯公式和伯努利方程，求解某隧道所受滲流力，并對(duì)雙井解和數(shù)值解進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)以復(fù)變函數(shù)的反演變交換和地下水水力學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出充水巖溶隧道滲流場(chǎng)的解析解。易菁等［5］以復(fù)變函數(shù)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)雙溶洞隧道間相互影響的應(yīng)力解和解析解。研究表明：當(dāng)溶洞距隧道位置不變的情況下，溶洞洞徑越大，隧道圍巖應(yīng)力越大;當(dāng)溶洞洞徑以及溶洞距離隧道位置不變的情況下，溶洞離隧道越遠(yuǎn)，隧道圍巖應(yīng)力越小;當(dāng)溶洞洞徑以及溶洞與隧道距離不變的情況下，溶洞的位置分布不同，隧道圍巖應(yīng)力的分布會(huì)改變。

然而，當(dāng)巖石的應(yīng)力和變形超出一定范圍時(shí)，傳統(tǒng)的解析解法已不能有效地處理巖石的各向異性問(wèn)題，因此，需要采用數(shù)值仿真方法來(lái)進(jìn)行處理。

1.2 數(shù)值模擬法

通常，仿真研究方法可分為兩種，一種是數(shù)值模擬，另一種是物理模擬。目前，有限元法（Limited Method）被認(rèn)為是目前最有效的數(shù)值模擬技術(shù)，它能夠有效地模擬和預(yù)測(cè)各種材料的力學(xué)行為。而在巖溶隧道的建設(shè)過(guò)程中，防突層的存在尤為關(guān)鍵，作為抵御巖溶水進(jìn)入隧道的最終堡壘，它的穩(wěn)定性對(duì)于確保突水的及時(shí)處理至關(guān)緊要。多年的研究和應(yīng)用證據(jù)顯示，在實(shí)際工程中預(yù)留一定厚度的防突層可以有效地減少突水的危險(xiǎn)。因此，已有定性和定量?jī)蓚€(gè)方面的研究成果應(yīng)用于防突層的安全厚度，其中有限元法在安全厚度定量計(jì)算中最為常見(jiàn)。

1.2.1 巖溶隧道安全厚度定量研究現(xiàn)狀

翟英達(dá)［6］以巖體破裂為基礎(chǔ)，從力學(xué)角度計(jì)算安全厚度的巷道與前部溶洞塌陷柱之間的防突層厚度。經(jīng)過(guò)劉超群等［7］的深入研究，他們發(fā)現(xiàn)，在影響隧道掘進(jìn)工作面和溶洞安全距離的各種因素中，最重要的是：破壞區(qū)是否完全連通，以此來(lái)確定隧道與溶洞之間的隔水巖柱的穩(wěn)定性，而這一距離被稱為臨界安全距離。李利平［8］以湖北地區(qū)滬蓉西地區(qū)的高危巖溶隧道為背景，運(yùn)用災(zāi)變理論對(duì)隧洞中的隔水巖層進(jìn)行了穩(wěn)定分析。同時(shí)，利用數(shù)值模擬的方式，分析了各種對(duì)隔水層安全厚度有影響的因子，構(gòu)建了隔水層厚度破壞判斷公式。通過(guò)數(shù)值模擬，郭佳奇［9］分析了多種影響隔水層安全厚度的因素，并建立了一套完整的隔水層厚度破壞判斷公式。此外，他還根據(jù)巖溶區(qū)隧道施工中的突水災(zāi)害情況，提出了一系列具體的預(yù)測(cè)模型，以保證施工的安全性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，此模型有著比較好的實(shí)踐性，可以在一些典型的工程條件下應(yīng)用。曹茜［10］利用FLAC 3D仿真軟件，通過(guò)多變量擬合，對(duì)隧道中巖溶洞穴的頂板、底板和邊部進(jìn)行數(shù)值模擬得出了不同條件下巖溶洞穴的安全厚度的經(jīng)驗(yàn)公式。莫陽(yáng)春等［11］結(jié)合達(dá)州成都高鐵一條巖溶隧道，通過(guò)構(gòu)造巖溶隧道三維實(shí)體有限元模型，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)非線性Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和極限分析上限法，于麗等［12］預(yù)測(cè)了隧道上部存在溶洞時(shí)，塌陷范圍及其臨界安全高度。研究表明，不同因素對(duì)塌陷程度有著各異的影響，其中，孔隙水壓力的增加是導(dǎo)致塌陷面積擴(kuò)大的主要原因。張群［13］通過(guò)編寫(xiě)的程序，結(jié)合水力耦合作用，對(duì)隧道周邊及掌子面前方多個(gè)位置存在溶洞的情況進(jìn)行開(kāi)挖模擬，分析多個(gè)影響因素對(duì)最小安全厚度的影響，擬合出最小安全厚度預(yù)測(cè)模型，與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相符。

1.2.2 巖溶隧道安全厚度定性研究現(xiàn)狀

通過(guò)將物理模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，吳夢(mèng)軍等［14］發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)巖溶隧道穩(wěn)定性有重要影響的因素：空間位置和溶腔尺寸。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步研究了防突巖層與這兩個(gè)因素之間的關(guān)系，并找出了一定的規(guī)律性。宋戰(zhàn)平等［15］通過(guò)數(shù)模分析，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性對(duì)隱伏溶洞的影響程度進(jìn)行了深入的研究，并將其劃分為強(qiáng)、中、弱三個(gè)級(jí)別，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估了防突層結(jié)構(gòu)的安全性。李術(shù)才提出的綜合評(píng)價(jià)巖溶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系［16］，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，具有極高的實(shí)用價(jià)值。郭偉等［17］利用拉格朗日法，對(duì)隧洞兩側(cè)含水溶洞的情況進(jìn)行分析，得出圍巖穩(wěn)定的主要控制因子，并基于這些因子，確定隧道巖層的安全厚度控制狀態(tài)。Huang Xin等［18］基于屬性數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建了一個(gè)用于評(píng)估巖溶隧道防突巖體安全厚度的屬性識(shí)別模型，以便更準(zhǔn)確地識(shí)別出其危險(xiǎn)程度，并將其劃分為不同的等級(jí)，以有效地降低施工的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)微裂紋的研究，遲明杰［19］提出了一種新的方法來(lái)評(píng)估爆炸的效果，并根據(jù)爆炸的沖擊力和裂紋的裂開(kāi)程度來(lái)確定爆炸的安全性。臧守杰等［20］等等應(yīng)用彈性力學(xué)原理，推導(dǎo)出巖溶隧道巖體最小安全厚度的理論計(jì)算公式，為巖溶隧道底板在施工期間的安全性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

盡管目前巖溶隧道領(lǐng)域數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在許多亟需改進(jìn)的地方。比如，應(yīng)更全面的考量巖石的結(jié)構(gòu)特征，如節(jié)理、裂縫等，并采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計(jì)算模型來(lái)更精確地模擬實(shí)際情況。研究表明，巖溶地區(qū)的石灰?guī)r具有顯著的層理特征，其中還包括許多與之相互垂直的節(jié)理面。由于上述特征，許多曾經(jīng)遭受嚴(yán)峻洪澇災(zāi)害的隧道，往往位于褶皺、斷裂或其他構(gòu)造帶的邊緣。因此，當(dāng)評(píng)估巖溶隧道的安全距離時(shí)，必須考慮到這些節(jié)理特性對(duì)其的影響。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法

以往，針對(duì)巖溶隧洞突水的研究多采用經(jīng)驗(yàn)與工程類比法，由于人為因素過(guò)多，導(dǎo)致其預(yù)測(cè)精度與適用性亟待提升。而實(shí)地試驗(yàn)難度大、危險(xiǎn)性高、成本貴，一般不具備工程條件。為此，國(guó)際上相繼開(kāi)展了以相似理論為基礎(chǔ)的巖石力學(xué)模型試驗(yàn)，為巖溶區(qū)隧道施工安全評(píng)價(jià)提供了新的思路。

李術(shù)才等［21］在青島某海底隧道工程勘察資料的基礎(chǔ)上，利用流固耦相似原理，開(kāi)展巖土工程模擬實(shí)驗(yàn)，研制出流固耦合新型材料，并評(píng)價(jià)其性能。該材料在該海底隧道工程中得到了成功的運(yùn)用，其力學(xué)性質(zhì)及水理性質(zhì)滿足了實(shí)驗(yàn)需要，為獲得較好的實(shí)驗(yàn)成果提供了物質(zhì)保障。Huang［22］通過(guò)建立隧洞施工及充填的突涌水流物理模型，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，觀測(cè)隧洞施工和充填過(guò)程中的突涌水流場(chǎng)， 揭示隧洞施工中突涌水流場(chǎng)的演化規(guī)律。Liang等［23］對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、水壓變化等進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)開(kāi)挖中產(chǎn)生的突涌水進(jìn)行分析，并將其分為蓄水和失穩(wěn)兩個(gè)階段。Jiang等［24］ 通過(guò)建立地下洞室群突水破壞的三維物理模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行地下洞室群突水破壞的大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)，獲得地下洞室群突水破壞的最小安全厚度。研究發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖面在突水災(zāi)害中，有兩個(gè)重要的損害特征：一是發(fā)生剪力損害的隧道開(kāi)挖過(guò)程；二是坑道開(kāi)挖時(shí)滲透性不穩(wěn)定的損傷。胡格格［25］ 在對(duì)一般注漿工程的注漿材料性能指標(biāo)要求進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際特殊條件，構(gòu)建了巖溶隧道注漿材料性能要求高風(fēng)險(xiǎn)的新型注漿材料，具有各項(xiàng)性能控制指標(biāo)。

目前，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)以其直觀、安全、可靠等特點(diǎn)，被廣泛用于揭示隧道突涌水的演變規(guī)律與災(zāi)變機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道突涌水的預(yù)報(bào)預(yù)警與安全防控，提供了一種行之有效的方法。但由于實(shí)際隧道的工程地質(zhì)情況非常復(fù)雜，按照相似準(zhǔn)則進(jìn)行的力學(xué)模型試驗(yàn)，使隧道內(nèi)的各種復(fù)雜情況很難得到完全還原。目前，僅能對(duì)隧址區(qū)域的特殊地質(zhì)情況和水文情況進(jìn)行特殊研究的提取，難以對(duì)隧道建設(shè)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面覆蓋，且造價(jià)昂貴，程序繁瑣，重復(fù)性差。

2 巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)治理措施

一般來(lái)說(shuō)，巖溶隧道的防護(hù)技術(shù)體系可以劃分為兩個(gè)部分：一是針對(duì)巖溶災(zāi)害的預(yù)防和控制，其中包括地質(zhì)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警等；二是針對(duì)巖溶災(zāi)害的治理，主要包括排水降壓、注漿堵水等措施。

王遇國(guó)［26］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，探索出一種新的灌漿和堵水技術(shù)，以改善巖溶隧道的灌漿材料配比，并以此為基礎(chǔ)，提出了一種綜合性的排堵結(jié)合治理方案，以期解決巖溶災(zāi)害問(wèn)題。王成亮［27］以巖溶災(zāi)害有影響的因素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊理論，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建立了一套巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，為巖溶災(zāi)害的防治提供技術(shù)支撐。石少帥等［28］ 構(gòu)建了巖溶隧道施工全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，為巖溶隧道施工提供了一套完整的指導(dǎo)原則，并且結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)突水防治技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最終成功地應(yīng)用到多條深長(zhǎng)巖溶隧道中。楊艷娜［29］ 為解決我國(guó)西南巖溶區(qū)隧道施工中存在的突水災(zāi)害問(wèn)題，以烏蒙山隧道為例，提出了一套突水災(zāi)害評(píng)估體系。葛顏慧［30］通過(guò)構(gòu)建突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，開(kāi)展突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急預(yù)演等研究，將隧道突水風(fēng)險(xiǎn)定量化并成功應(yīng)用于多個(gè)巖溶隧道。孫克國(guó)［31］以滬蓉西高速公路巖溶隧道為工程背景，通過(guò)理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探討巖溶區(qū)域注漿止水的作用機(jī)制，并開(kāi)展“預(yù)測(cè)、預(yù)警、治理”一體化的巖溶災(zāi)害防控技術(shù)研究（圖3）。

從前人研究成果可見(jiàn)，不少巖溶突水災(zāi)害防治工作是在摸索中不斷前行的，因?yàn)椴煌瑤r溶環(huán)境條件下的孕災(zāi)模式存在較大差異，所以各專家團(tuán)隊(duì)所關(guān)注的要點(diǎn)也并不一致。因此，有必要加強(qiáng)在復(fù)雜的地質(zhì)狀況下，巖溶隧道突水的綜合預(yù)警和控制技術(shù)的探討。

3 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)去，人們通過(guò)工程地質(zhì)判別法和自身的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)研究巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性，但隨著對(duì)巖土力學(xué)的深入理解，“充分利用巖體自身承載力”的理念已經(jīng)成為可行的解決方案，這大大減少了人力和財(cái)力的投入。現(xiàn)在，解析法、數(shù)值模擬法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法已成為巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析的主流方法。目前，已有許多數(shù)值仿真軟件能較好地反映出隧道內(nèi)部各部位的應(yīng)力應(yīng)變，并能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定分析，從而提高了工作效率。

盡管巖溶隧道的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍有許多未被充分挖掘的空間。目前尚存的問(wèn)題：

（1）研究范圍較為寬泛，沒(méi)有針對(duì)性，結(jié)論只適用于有依托工程的隧道。

（2）對(duì)于地震、極小凈距、斷層、滑坡、泥石流等多種不利地質(zhì)因素影響下的巖溶隧道，尚缺乏對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

（3）為方便計(jì)算，在數(shù)值模擬過(guò)程中簡(jiǎn)化網(wǎng)格，沒(méi)有貼近真實(shí)情況，與實(shí)際工程還在存在差別。隨著研究人員認(rèn)識(shí)的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等理論將會(huì)廣泛應(yīng)用于巖溶隧道穩(wěn)定性研究領(lǐng)域，而針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖溶隧道數(shù)值模擬軟件應(yīng)日趨完善與優(yōu)化，及時(shí)開(kāi)發(fā)出網(wǎng)格劃分更精細(xì)的有限元軟件。同時(shí)，在風(fēng)險(xiǎn)治理方面，應(yīng)在隧道設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮溶洞因素的影響，提前避開(kāi)或預(yù)留安全距離，以達(dá)到節(jié)約成本及保證人身安全的效果。

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