顶部溶洞对围岩应力影响规律分析

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2020）07－0089－02顶部溶洞对围岩应力影响规律分析吕金明

（中交路桥南方工程有限公司，北京226300）摘要：隧道工程中，岩溶对隧道围岩的影响是较为显著的，为研究顶部溶洞对围岩应力的影响。以重庆市万州区白岩隧道为例，分析了其工程地质特色，并以此分析了隧道顶部拉应力、隧道中部压应力及隧道底拱压应力等三种情况下的应力特点，为岩溶区隧道施工提供一定参考。关键词：溶洞；应力；隧道；围岩中图分类号：U451.2文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2020.07.03635°的角度相交，洞身段地形总体为鞍部一侧的斜坡（西高东低），洞轴线位于斜坡中下都。本隧道围岩可分为Ⅳ、Ⅴ级，组成Ⅳ级围岩的地层岩性主要为洞身段页岩，此类岩以较软岩为主，岩体较完整，层间结合较好～一般。Ⅴ级围岩的地层岩性主要为洞口段页岩、砂岩洞身段泥质粉砂岩、页岩。岩质多软弱，以软岩为主，风化裂隙较发育，强风化带较厚，层间结合多一般，岩体受地质枃造及风化作用影响较重，裂隙较发育，呈碎、裂状，松散结构易坍塌，围岩无自稳能力，隧道的洞顶存在溶洞。根据前述实例分析，顶部溶洞应力影响主要分析隧道周边应力集中系数的变化和围岩中拉应力的变化情况。通过相关的数值试验，分析顶部溶洞影响下隧道周边围岩应力的变化[4-6]。数值试验结果分析表明，顶部溶洞的存在将导致隧道周边岩体中的应力场特件发生变化，在隧道顶拱附近围岩中拉应力将增加，隧道中部围岩中压应力将降低，而隧道底部围岩中压应力将增加。根据顶部溶洞影响的这一特征，可将隧道周边划分为拉应力升高区、压应力升高区和压应力降低区三个影响区。其中，顶拱120°范围内为拉应力升高区，隧道中部为压应力降低区，隧道底部为压应力升高区。将此三区内应力的变化情况进行分析。2.1隧道顶部拉应力分析受顶部溶洞影响时，隧道顶拱120°范围内岩体中的拉应力将增加，而压应力将相应地减小。但此时隧道顶拱附近拉应力分布深度将有所减小，且在洞周的分布范围将有所增加。在此范围内，以隧道顶拱中部拉应力变化最大。该点应力变化的数值试验结果如表1所示。该点拉应力的变化有如下特征：拉应力量值将随着溶洞洞径的增加而增加，随着溶洞距隧道间距离的增加而减小；在溶洞间径比（溶洞距隧道间的距离/溶洞洞径）小于0.5时，如溶洞洞径大于隧道洞径，则该点拉应力集中系数将增加为无溶洞时的2倍以上；在洞径比为2.0时，顶部拉应力将增岩溶地区的隧道施工不仅需要注意施工过程中突发的涌水、突泥情况，更需要解决隧道围岩的变形与失稳问题，而围岩的变形与失稳常会导致隧道工程施工中发生坍塌、掉块、落石事故。在以往的岩溶隧道地质灾害事故中，由于隐伏的溶洞没有经过工程揭露而难以事先采取措施，遭到的破坏往往难以估量，埋下了较为严重的安全隐患。当前，对于岩溶地区桥隧工程建设的研究仍处于较低水平[1-2]。所以研便于施工过程中对隐伏溶洞进行预处理，确保岩溶地区隧道工程顺利开展，降低溶岩隧道地区的地质灾害发生概率，为岩溶区隧道和地下工程的建设提供必要的技术支持。下面将结合具体实例对隧道工程中顶部溶洞对围岩应力的影响规律进行分析。1隧道围岩应力分析隧道围岩的受力状态通过围岩应力表现出来，围岩应力是评价围岩稳定性的重要标准。由于隧道工程的施工，隧道周边的岩石因为开挖而改变了其应力状态，如果围岩所受应力大于岩体承受的极限强度时，岩体将由韧性状态变为塑性状态，引起围岩失稳。围岩中应力因隧道开挖的变化程度可以用应力集中系数来表示。隧道开挖时产生的应力与未开挖时该点的初始应力的比值称为应力集中系数[3]。考虑到岩体的抗拉强度远远低于岩体的抗压强度，岩体中拉应力的出现将使围岩的应力状态恶化，导致围岩因拉应力过大而破坏。因此，围岩中拉应力分布是描述围岩应力状态的变化的又一参量。2隧道工程概况白岩隧道进口位于重庆市万州区新田镇高家村三组，出口位于盐井社区龙池村三组，距万州城区约40km，距盐井社区约3.0km，进出口均无公路相通，交通不便。进口段为自然斜坡，地形坡度较大，呈阶状，坡角为20°～35°。从进口到出口，隧道以30°～45°的轴线方向与岩层走向呈20°～究隐伏溶洞对隧道工程的影响，并对其影响规律进行探讨，.com.cn. All Rights Reserved.·89·科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation加到2.5倍；但在洞径比小于0.5时，顶部溶洞对隧道拉应力的影响将小于20%；在洞径比小于0.5或溶洞距隧道间的距离大于1.5倍溶洞洞径时，顶部溶洞对隧道顶部拉应力的影响将小于10%。表1隧道顶拱中点应力变化的数值试验结果

间径比洞径比

2.01.51.21.00.80.50.20.22.52.32.32.21.71.21.10.52.22.11.91.91.51.11.0

1.01.71.51.31.21.11.0

1.51.51.31.21.11.0

2.01.41.21.11.0

3.01.21.11.0

4.01.11.0

5.0

1.0

2.2隧道中部压应力的变化特征分析受顶部溶洞影响．隧道中部围岩中的切向应力将减小，分析隧道中点切向应力的变化特征。点应力随溶洞洞径和洞间距变化的数值试验结果如表2所示。由此可见，受顶部溶洞的影响，隧道中部围岩中的压应力将减小；随着溶洞洞径的增加，隧道中部切向应力将进一步降低，在溶洞洞径大于隧道洞径时，该点切向应力将减小20%以上；随着溶洞距隧道间距离的增加，隧道切向应力将逐渐增加，在洞间距大于1倍的溶洞洞径时，切向应力将增加到无溶洞影响时应力的90%，即此时顶部溶洞对隧道切向应力的影响将降低到10%以下；在洞间距小0.5倍隧道洞径时，如溶洞洞径大于1.5隧道洞径，则隧道中部切向应力将减小30%左右，在洞径比大于1.0且隧道间径比大于1.0时，隧道中部围岩应力将降低约10%以下[7]。表2隧道顶拱中点切向应力变化的数值试验结果间径比洞径比

2.01.51.21.00.80.50.20.22.11.71.51.41.21.11.00.52.01.61.41.31.11.01.0

1.01.61.41.31.21.0

1.0

1.51.31.21.11.0

2.01.21.01.0

3.0

1.0

1.0

3结语中国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，全国有超过1/3的面积分布着可溶岩层，遍布所有的省、市、自治区。·90·2020年第07期

岩溶地区修建隧道工程的首要问题就是解决岩溶问题，由于岩溶的危害较大，已发生了很多起工程事故。而近些年来中国基础设施建设速度加快，在铁路、公路施工中常会遇到岩溶地区的涌水、突泥事故，其中隧道顶部溶洞的充填物坍塌问题则影响最为严重。本文对隧道围岩应力的特点进行分析，以重庆市万州区白岩隧道为例，介绍了隧道围岩地质情况，并分析了隧道顶部拉应力、隧道中部压应力及隧道底拱压应力等三种情况特点。在溶洞隧道施工中遇到的溶洞形式多种多样，溶洞相似时采取的处理方法也基本一致，需要通过研究隧道主线与溶洞的相交位置、溶洞规模大小等，通过方案的技术、经济比较，从施工的难易程度、安全风险、施工成本等方面综合考虑，拟定合理的处理方案。参考文献：1］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）：698-702，716.2］靳晓光，管洪良.顶部溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析［J］.西部交通科技，2011（2）：53-58，80.3］皮小强.溶洞对大跨度小净距隧道围岩稳定性的影响研究［D］.重庆：重庆交通大学，2012.4］彭川.岩溶隧道围岩与结构稳定性分析［D］.长沙：长沙理工大学，2009.5］莫阳春，周晓军.侧部岩溶隧道围岩变形特征数值模拟分析［J］.水文地质工程地质，2008（2）：36-40，50.6］徐成进，王木群.隧道底部溶洞的处理及溶洞对隧道围岩稳定性影响的研究［J］.公路工程，2011，36（1）：102-105.7］卞晓琳，陈福全，苏峰，等.岩溶区深埋隧道围岩力学特性分析［J］.中国铁道科学，2013（1）：45-51.8］李元海，杨苏，喻军，等.大型溶洞对隧道开挖稳定性的影响分析［J］.现代隧道技术，2016，53（4）：52-60.9］曹勇.隧道拱顶溶洞处治及溶洞对隧道围岩稳定性影响分析［J］.湖南交通科技，2012，38（2）：111-116，129.————————作者简介：吕金明（1985—），男，吉林榆树人，本科，工程师，研究方向为道路桥梁。〔编辑：王霞〕［［［［［［［.com.cn. All Rights Reserved.［［