李季暉

摘要 為保證高速公路巖溶隧道的安全施工，需精準(zhǔn)分析巖溶地質(zhì)特性及該特性對(duì)隧道施工安全的影響，因此，文章以某地區(qū)高速公路隧道工程為例，展開相關(guān)研究和分析。對(duì)研究工程的地質(zhì)情況進(jìn)行相關(guān)勘察，確定巖溶類別、位置、大小以及數(shù)量等，并結(jié)合勘察結(jié)果，分析巖溶發(fā)育特征；以特征分析結(jié)果為依據(jù)，采用FLAC3D軟件建立隧道工程計(jì)算模型，分析巖溶特征對(duì)隧道開挖受力分布的影響以及巖溶對(duì)隧道極限剪應(yīng)力的影響，為該類工程施工提供可靠、合理依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高速公路；巖溶隧道；地質(zhì)特征；施工安全；影響分析；極限剪應(yīng)力；開挖受力

中圖分類號(hào) U452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0096-04

0 引言

巖溶是水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕后形成的一種地質(zhì)形態(tài)，我國(guó)是世界上巖溶分布面積最廣的國(guó)家之一，巖溶區(qū)域的地質(zhì)條件尤為復(fù)雜[1]，增加了隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。如果隧道工程和巖溶發(fā)育區(qū)毗鄰，則會(huì)降低隧道圍巖的完整性[2]，其主要原因是隧道工程區(qū)域的地下水在流動(dòng)過程中會(huì)對(duì)周圍圍巖進(jìn)行長(zhǎng)期侵蝕，導(dǎo)致隧道工程發(fā)生懸空現(xiàn)象[3]，并且?guī)r溶發(fā)育的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)作用力較為復(fù)雜，變形控制難度較大[4]，甚至?xí)?dǎo)致隧道工程發(fā)生坍塌下沉以及嚴(yán)重的巖溶塌陷，極大程度降低隧道工程支護(hù)體系的安全性[5]。因此，為保證高速公路隧道工程的施工安全和質(zhì)量，在分布巖溶地質(zhì)的環(huán)境下施工時(shí)，須精準(zhǔn)掌握巖溶地質(zhì)特性[6]，并針對(duì)該特性分析巖溶對(duì)施工安全的影響水平，及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，進(jìn)而為隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠參考和理論支撐[7]。

文中以某地區(qū)的高速公路隧道工程為例，研究巖溶隧道的地質(zhì)特征對(duì)施工安全的影響。

1 工程概況

該隧道工程位于我國(guó)廣西的中西部地區(qū)，該地區(qū)分布大量的石灰?guī)r山峰，通過地表進(jìn)行巖溶勘測(cè)的可靠性較低，因此，隧道施工時(shí)極易遇到巖溶地質(zhì)，存在較高的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。該隧道工程設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，為單洞雙線設(shè)計(jì)，隧道全長(zhǎng)為1 316.8 m，最大埋深接近115 m，隧道入口和橋梁工程相連接，隧道出口和路基相連接。隧道內(nèi)部線路縱坡為1 220 m的1.85%單面下坡，以及96.8 m的平坡。

該隧道工程的整個(gè)洞身均通過溶巖底層，并且?guī)r溶發(fā)育明顯，從地表即可看見溶洞、巖溶漏斗以及落水洞發(fā)育；除此之外，隧道內(nèi)地下水主要為空隙潛水、巖溶水以及基巖裂隙水，因此，導(dǎo)致隧道施工過程中主要存在危巖落石、涌水突泥、塌方等風(fēng)險(xiǎn)。

隧道施工時(shí)，通過鉆探勘測(cè)出的溶洞數(shù)量已經(jīng)達(dá)到115個(gè)，其大小、位置、形態(tài)等均存在顯著差異，巖溶的相對(duì)位置和發(fā)育走向詳情如表1和表2所示。

通過上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，該隧道工程中的巖溶主要分布在隧道的拱頂、拱腰處，分布比例均在30%以上，拱腳和仰拱處的分布較少。在整個(gè)分布中，巖溶的發(fā)育主要是沿隧道縱向分布。巖溶的大小情況如表3所示。

2 巖溶發(fā)育特征

在上述勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)該工程范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育特征進(jìn)行分析，詳細(xì)分析結(jié)果如下：

2.1 巖溶發(fā)育的成層性以及向深性

巖溶發(fā)育期的不同會(huì)導(dǎo)致巖溶的形態(tài)存在差異，例如等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ時(shí)，主要表現(xiàn)為垂向巖溶，其次存在水平巖溶；等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ時(shí)，主要表現(xiàn)為水平巖溶，其次存在垂直巖溶，說明巖溶的發(fā)育和底殼變化、巖溶水的情況存在直接關(guān)系。文中研究的隧道工程中溶洞口向內(nèi)彼此連接，一旦發(fā)生大量降水，地下水會(huì)通過中間溶洞流出；底殼不發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平巖溶發(fā)育顯著、底殼發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，垂直巖溶發(fā)育顯著，因此，體現(xiàn)了巖溶發(fā)育的向深性。

2.2 巖溶發(fā)育的不均勻性

對(duì)該隧道工程巖溶水文地質(zhì)情況進(jìn)行勘察后得出，巖溶的發(fā)育存在顯著的不均勻性，巖溶大小比例差距明顯，因此，巖溶發(fā)育和地質(zhì)巖層特向、地質(zhì)構(gòu)造之間存在直接關(guān)聯(lián)，存在顯著的不均勻性。

2.3 巖溶發(fā)育的垂向分帶性

該隧道工程在近地表地帶，存在明顯的巖溶水交替循環(huán)現(xiàn)象，并且存在較多數(shù)量的大規(guī)模巖溶洞隙，同時(shí)地下深處地下水的交替運(yùn)動(dòng)較慢，只有小容隙和少數(shù)的容孔，形成明顯的垂直分帶特征，該特征的分帶圖如圖1所示。

通過圖1可看出，該隧道施工環(huán)境中，從地表向下主要包含垂向洞隙帶、水平管道帶以及深部空隙帶。

3 巖溶特征對(duì)施工安全的影響

通過上述小節(jié)的分析可知，巖溶存在多種特征，為保證隧道的安全施工，須精準(zhǔn)掌握這些特征對(duì)施工安全的影響。文中通過FLAC3D軟件建立計(jì)算模型，分析巖溶特征對(duì)施工安全的影響，主要從兩個(gè)方向進(jìn)行分析：一是對(duì)隧道開挖受力分布的影響，二是對(duì)隧道極限剪應(yīng)力的影響。

FLAC3D軟件主要是以有限差分為基礎(chǔ)，對(duì)隧道塑性破壞過程進(jìn)行更為精準(zhǔn)地分析和模擬，確保分析結(jié)果的可靠性和合理性。有限差分法的核心是采用離散化方式對(duì)差分網(wǎng)格進(jìn)行處理，完成非線性問題的簡(jiǎn)化處理，使其形成導(dǎo)數(shù)問題，可降低運(yùn)算復(fù)雜程度，同時(shí)保證問題結(jié)果的真實(shí)性。該軟件在分析過程中，主要針對(duì)隧道最大埋深施工段進(jìn)行分析，該施工段中，隱伏巖溶較多，并且沿隧道縱向發(fā)育，其斷面主要為圓形或者橢圓形，絕大部分巖溶均屬于季節(jié)性干溶洞，降雨后會(huì)發(fā)生徑流水。分析時(shí)構(gòu)建的隧道模型尺寸為100 m×150 m×2 m，埋深為100 m，隧道前后端以及地面均設(shè)置約束，其頂部為自由面，不對(duì)其施加荷載。設(shè)置的圍巖密度為2 400 kg/m3，彈性模量為12 GPa，泊松比為0.27，黏聚力為1.1，內(nèi)摩擦角為45°，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為32 cm。通過上述參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行巖溶地質(zhì)特征對(duì)隧道施工安全的影響分析。

3.1 隧道開挖受力分布的影響

隧道開挖的過程中會(huì)涉及地下巖體和土壤的受力分布。在巖溶地質(zhì)條件下，受力分布呈現(xiàn)出獨(dú)有的特征，對(duì)隧道設(shè)計(jì)和施工產(chǎn)生重大影響。隧道開挖后，拱頂通常會(huì)承受明顯的拉應(yīng)力。這是因?yàn)樵陂_挖過程中，巖層會(huì)失去原有的支撐，導(dǎo)致拱頂處的巖體出現(xiàn)拉應(yīng)力，試圖抵抗拱頂坍塌的趨勢(shì)。同時(shí)，隧道底部周圍的圍巖會(huì)產(chǎn)生隆起，形成一定的壓力。這種受力分布是典型的隧道開挖現(xiàn)象，需要在設(shè)計(jì)中考慮拱頂和底部的支撐及加固，以確保施工的安全性。隧道開挖后，主應(yīng)力通常會(huì)向兩側(cè)拱腳逐漸擴(kuò)散。這是因?yàn)樗淼赖拈_挖會(huì)改變地下巖體的受力狀態(tài)，導(dǎo)致主應(yīng)力重新分布。這種主應(yīng)力的擴(kuò)散可能會(huì)對(duì)隧道周圍的圍巖產(chǎn)生影響，因此需要在設(shè)計(jì)中預(yù)測(cè)和控制主應(yīng)力的傳播路徑。

如果隧道開挖范圍內(nèi)存在巖溶地質(zhì)，情況會(huì)更加復(fù)雜。巖溶地質(zhì)通常包括溶洞和地下空間，它們?cè)谒淼篱_挖過程中會(huì)表現(xiàn)出特殊的受力行為。溶洞底部可能會(huì)發(fā)生輕微的拉裂現(xiàn)象，而溶洞頂部和隧道拱頂可能會(huì)受到明顯的拉應(yīng)力。此時(shí)，圍巖與溶洞之間的相互作用也需要特別關(guān)注，因?yàn)閲鷰r可能會(huì)發(fā)生明顯的位移。隧道開挖范圍內(nèi)的巖溶特征距離隧道拱腰越近，受力分布可能會(huì)更為復(fù)雜。在這種情況下，應(yīng)力較小，因此圍巖可能會(huì)集中對(duì)隧道側(cè)壁進(jìn)行作用，導(dǎo)致隧道的變形。同時(shí)，拱頂處和邊墻處可能會(huì)受到較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。這需要在設(shè)計(jì)和施工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３炙淼赖姆€(wěn)定性。巖溶地質(zhì)條件下的隧道開挖需要精心設(shè)計(jì)和提前制定施工策略，包括考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)、圍巖加固、地下水的控制等方面。對(duì)巖溶地質(zhì)特征的深入了解和建立合適的模型是至關(guān)重要的，以便能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)受力分布和圍巖行為。隧道開挖是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)高且復(fù)雜的工程任務(wù)，綜合風(fēng)險(xiǎn)管理是確保隧道工程成功完成的關(guān)鍵因素，包括定期監(jiān)測(cè)巖體和圍巖的變化，及時(shí)采取措施來減輕潛在的風(fēng)險(xiǎn)，以確保施工的安全性和隧道的可靠性。有溶洞和無溶洞兩種情況下，拉應(yīng)力的變化情況如圖2所示。

通過圖2的分析結(jié)果可知，隧道施工范圍內(nèi)如果鄰近溶洞，會(huì)導(dǎo)致巖溶隧道受到的極限拉應(yīng)力顯著提升，兩者距離越近，提升越顯著，即隧道的位移變形越顯著。因此，巖溶對(duì)于隧道施工會(huì)造成變形和位移的影響。

3.2 巖溶對(duì)隧道極限剪應(yīng)力的影響

隧道在施工過程中，巖溶的存在會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生隆起，并且會(huì)形成剪切破壞，通過FLAC3D分析巖溶對(duì)隧道極限剪應(yīng)力的影響。

實(shí)際工程施工時(shí)，圍巖會(huì)受到三向作用力，其極限剪切應(yīng)變用ηf表示，實(shí)際工程三相作用力下的ηf會(huì)大于單向作用力下的極限剪切應(yīng)變?chǔ)莋，依據(jù)FLAC3D中彈性極限應(yīng)變?chǔ)莌，采用應(yīng)變偏張量第二不變量進(jìn)行表述，則ηh的計(jì)算公式為：

式中，σc、σ3——單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖壓力；v——泊松比；E——彈性模量；φ——內(nèi)摩擦角。

通過公式（1）可知，ηh會(huì)隨著σ3的增加而增加，并且ηf和ηh之間存在一定線性關(guān)聯(lián)，其公式為：

ηf=ηg+kσ3 （2）

式中，k——線性系數(shù)。

依據(jù)上述公式即可分析相對(duì)應(yīng)圍巖級(jí)別和圍巖壓力下的極限剪切應(yīng)變，并通過數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行分析，如果模型分析的剪切應(yīng)變大于或者等于極限剪切應(yīng)變，則表示隧道發(fā)生破壞；如果模型分析的剪切應(yīng)變小于極限剪切應(yīng)變，表示隧道施工較為安全，沒有發(fā)生破壞。

4 施工過程中巖溶隧道的探測(cè)方法

通過分析巖溶隧道的地質(zhì)特征和受力分析，在施工巖溶隧道的過程中，結(jié)合相應(yīng)的巖溶隧道探測(cè)方法，采取具體的防范措施，避免發(fā)生安全事故。

設(shè)計(jì)線路的優(yōu)化避讓，某隧道工程線穿越山體外側(cè)的大型堆積體，需先加固堆積體再進(jìn)行橋梁施工，安全風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高。優(yōu)化線避讓堆積體，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道位于富水區(qū)，頂部存在5個(gè)大型的消水洞，最終選定最優(yōu)線，既避讓了堆積體也避開了山體富水帶，預(yù)測(cè)單洞涌水量由210 000 m3/d降至80 000 m3/d。施工過程中未出現(xiàn)大量的涌水。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工看，選線是非常正確的。

超前地質(zhì)鉆探，是隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)最直接、最有效的方法，也是對(duì)其他探測(cè)手段成果的驗(yàn)證和補(bǔ)充，通過鉆孔鉆進(jìn)速度及對(duì)巖芯的分析，以及相關(guān)試驗(yàn)，獲取掌子面前方一定距離巖石的強(qiáng)度指標(biāo)、地層巖性資料、地下水、巖溶等方面的資料。

隧道地震波反射法超前預(yù)報(bào)（TSP）是利用地震波在巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生地震反射波，利用儀器設(shè)備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過相關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達(dá)到地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。通過計(jì)算機(jī)軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及掌子面的距離，并可初步測(cè)定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)以供參考。某隧道超前地質(zhì)鉆孔的具體應(yīng)用，預(yù)測(cè)到了地下大型溶洞，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭示的較為符合，為施工提供了可靠的依據(jù)，采取了相應(yīng)的措施，避免了損失。

地質(zhì)雷達(dá)是一種工程地球物理方法，被廣泛用于工程質(zhì)量檢測(cè)、場(chǎng)地勘察以及隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。以其高分辨率和強(qiáng)大的探測(cè)能力在地質(zhì)領(lǐng)域備受青睞。該文將詳細(xì)探討地質(zhì)雷達(dá)的原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及在深埋隧道、富水地層和溶洞發(fā)育地區(qū)的重要性。地質(zhì)雷達(dá)工作原理類似于聲納，但它使用無線電波而不是聲波。地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射短脈沖的電磁波，然后測(cè)量這些波在地下反射的時(shí)間和強(qiáng)度。反射的波形提供了地下結(jié)構(gòu)和地層變化的信息，包括土壤、巖石、水位和空隙等。因?yàn)榈刭|(zhì)雷達(dá)的工作頻率很高，所以它具有出色的分辨率，能夠探測(cè)到地下非常細(xì)小的特征。

在深埋隧道和富水地層的工程中，地質(zhì)雷達(dá)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些地區(qū)通常存在復(fù)雜的地質(zhì)條件，如高壓水位、斷裂帶、破碎帶等。地質(zhì)雷達(dá)的高分辨率和強(qiáng)大的穿透能力使其成為一種非常有用的工具。地質(zhì)雷達(dá)可用于確定地下水位、水文地質(zhì)條件和含水帶的位置。這對(duì)于隧道施工和水文地質(zhì)研究至關(guān)重要。在富水地層和斷裂帶區(qū)域，地質(zhì)雷達(dá)可以識(shí)別地下的斷層帶。這有助于工程師采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣響?yīng)對(duì)地質(zhì)變化和降低風(fēng)險(xiǎn)。在溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)并識(shí)別地下空洞，這有助于規(guī)劃和施工過程中的安全性，以及防止隧道或其他工程受到不穩(wěn)定地下空間的影響。地質(zhì)雷達(dá)在深埋隧道、富水地層和溶洞發(fā)育地區(qū)的應(yīng)用需要綜合風(fēng)險(xiǎn)管理，包括將地質(zhì)雷達(dá)的信息與其他地質(zhì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程方案相結(jié)合，以綜合評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣泶_保工程的成功。

5 結(jié)論

巖溶是我國(guó)分布較為廣泛的一種地質(zhì)特征，其發(fā)育類型較多、分布情況較為復(fù)雜，對(duì)于隧道工程的施工安全會(huì)造成較大影響。在施工過程中，會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生突水涌泥、坍塌、位移以及變形等情況，引發(fā)一系列的隧道施工安全問題。因此，隧道工程施工時(shí)，為保證施工安全，須對(duì)巖溶的地質(zhì)特性進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)合多種隧道巖溶的探測(cè)手段，掌握隧道地質(zhì)特性，進(jìn)而保證施工安全。文中以某地區(qū)的高速公路隧道工程為例，分析高速公路巖溶隧道的地質(zhì)特征及相關(guān)的探測(cè)手段，并且通過模擬軟件，研究該特征對(duì)隧道施工過程中安全的影響，結(jié)合探測(cè)成果，采取相應(yīng)的施工措施，為相關(guān)工程施工提供合理依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭志龍， 陳洋， 王麗君， 等. 高密度電法在某高速公路巖溶隧道探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2021（S2）： 912-917+924.

[2]李世聰， 劉亞軍， 彭榮華， 等. 瞬變電磁法對(duì)隱伏巖溶探測(cè)的影響因素研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2022（1）： 397-412.

[3]張鵬， 王立川， 李林毅， 等. 高強(qiáng)度巖溶水致鐵路隧道襯砌破損的處治理念與實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2022（2）： 227-241+251.

[4]張京亮， 夏志杰， 劉新榮， 等. 隱伏溶洞影響下隧道開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2022（13）： 5455-5462.

[5]聶信輝. 高速鐵路巖溶隧道大型溶洞綜合勘察及處理技術(shù)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2022（1）： 121-124.

[6]吳遠(yuǎn)斌， 殷仁朝， 雷明堂， 等. 重慶中梁山地區(qū)隧道工程影響下巖溶塌陷形成演化模式及防治對(duì)策[J]. 中國(guó)巖溶， 2021（2）： 246-252.

[7]劉旭斌， 申翔宇， 閔新皓. 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的大型巖溶隧道處理技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2022（S1）： 881-891.