呂金明

（中交路橋南方工程有限公司，北京226300）

巖溶地區(qū)的隧道施工不僅需要注意施工過程中突發(fā)的涌水、突泥情況，更需要解決隧道圍巖的變形與失穩(wěn)問題，而圍巖的變形與失穩(wěn)常會(huì)導(dǎo)致隧道工程施工中發(fā)生坍塌、掉塊、落石事故。在以往的巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害事故中，由于隱伏的溶洞沒有經(jīng)過工程揭露而難以事先采取措施，遭到的破壞往往難以估量，埋下了較為嚴(yán)重的安全隱患。當(dāng)前，對(duì)于巖溶地區(qū)橋隧工程建設(shè)的研究仍處于較低水平[1-2]。所以研究隱伏溶洞對(duì)隧道工程的影響，并對(duì)其影響規(guī)律進(jìn)行探討，便于施工過程中對(duì)隱伏溶洞進(jìn)行預(yù)處理，確保巖溶地區(qū)隧道工程順利開展，降低溶巖隧道地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，為巖溶區(qū)隧道和地下工程的建設(shè)提供必要的技術(shù)支持。下面將結(jié)合具體實(shí)例對(duì)隧道工程中頂部溶洞對(duì)圍巖應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

1 隧道圍巖應(yīng)力分析

隧道圍巖的受力狀態(tài)通過圍巖應(yīng)力表現(xiàn)出來，圍巖應(yīng)力是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于隧道工程的施工，隧道周邊的巖石因?yàn)殚_挖而改變了其應(yīng)力狀態(tài)，如果圍巖所受應(yīng)力大于巖體承受的極限強(qiáng)度時(shí)，巖體將由韌性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，引起圍巖失穩(wěn)。圍巖中應(yīng)力因隧道開挖的變化程度可以用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。隧道開挖時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與未開挖時(shí)該點(diǎn)的初始應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力集中系數(shù)[3]?？紤]到巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖體的抗壓強(qiáng)度，巖體中拉應(yīng)力的出現(xiàn)將使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)惡化，導(dǎo)致圍巖因拉應(yīng)力過大而破壞。因此，圍巖中拉應(yīng)力分布是描述圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化的又一參量。

2 隧道工程概況

白巖隧道進(jìn)口位于重慶市萬州區(qū)新田鎮(zhèn)高家村三組，出口位于鹽井社區(qū)龍池村三組，距萬州城區(qū)約40 km，距鹽井社區(qū)約3.0 km，進(jìn)出口均無公路相通，交通不便。進(jìn)口段為自然斜坡，地形坡度較大，呈階狀，坡角為20°～35°。從進(jìn)口到出口，隧道以30°～45°的軸線方向與巖層走向呈20°～35°的角度相交，洞身段地形總體為鞍部一側(cè)的斜坡（西高東低），洞軸線位于斜坡中下都。

本隧道圍巖可分為Ⅳ、Ⅴ級(jí)，組成Ⅳ級(jí)圍巖的地層巖性主要為洞身段頁(yè)巖，此類巖以較軟巖為主，巖體較完整，層間結(jié)合較好～一般。Ⅴ級(jí)圍巖的地層巖性主要為洞口段頁(yè)巖、砂巖洞身段泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖。巖質(zhì)多軟弱，以軟巖為主，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，層間結(jié)合多一般，巖體受地質(zhì)枃造及風(fēng)化作用影響較重，裂隙較發(fā)育，呈碎、裂狀，松散結(jié)構(gòu)易坍塌，圍巖無自穩(wěn)能力，隧道的洞頂存在溶洞。根據(jù)前述實(shí)例分析，頂部溶洞應(yīng)力影響主要分析隧道周邊應(yīng)力集中系數(shù)的變化和圍巖中拉應(yīng)力的變化情況。通過相關(guān)的數(shù)值試驗(yàn)，分析頂部溶洞影響下隧道周邊圍巖應(yīng)力的變化[4-6]。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析表明，頂部溶洞的存在將導(dǎo)致隧道周邊巖體中的應(yīng)力場(chǎng)特件發(fā)生變化，在隧道頂拱附近圍巖中拉應(yīng)力將增加，隧道中部圍巖中壓應(yīng)力將降低，而隧道底部圍巖中壓應(yīng)力將增加。根據(jù)頂部溶洞影響的這一特征，可將隧道周邊劃分為拉應(yīng)力升高區(qū)、壓應(yīng)力升高區(qū)和壓應(yīng)力降低區(qū)三個(gè)影響區(qū)。其中，頂拱120°范圍內(nèi)為拉應(yīng)力升高區(qū)，隧道中部為壓應(yīng)力降低區(qū)，隧道底部為壓應(yīng)力升高區(qū)。將此三區(qū)內(nèi)應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析。

2.1 隧道頂部拉應(yīng)力分析

受頂部溶洞影響時(shí)，隧道頂拱120°范圍內(nèi)巖體中的拉應(yīng)力將增加，而壓應(yīng)力將相應(yīng)地減小。但此時(shí)隧道頂拱附近拉應(yīng)力分布深度將有所減小，且在洞周的分布范圍將有所增加。在此范圍內(nèi)，以隧道頂拱中部拉應(yīng)力變化最大。該點(diǎn)應(yīng)力變化的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

該點(diǎn)拉應(yīng)力的變化有如下特征：拉應(yīng)力量值將隨著溶洞洞徑的增加而增加，隨著溶洞距隧道間距離的增加而減??；在溶洞間徑比（溶洞距隧道間的距離/溶洞洞徑）小于0.5 時(shí)，如溶洞洞徑大于隧道洞徑，則該點(diǎn)拉應(yīng)力集中系數(shù)將增加為無溶洞時(shí)的2 倍以上；在洞徑比為2.0 時(shí)，頂部拉應(yīng)力將增加到2.5 倍；但在洞徑比小于0.5 時(shí)，頂部溶洞對(duì)隧道拉應(yīng)力的影響將小于20%；在洞徑比小于0.5 或溶洞距隧道間的距離大于1.5 倍溶洞洞徑時(shí)，頂部溶洞對(duì)隧道頂部拉應(yīng)力的影響將小于10%。

表1 隧道頂拱中點(diǎn)應(yīng)力變化的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

2.2 隧道中部壓應(yīng)力的變化特征分析

受頂部溶洞影響．隧道中部圍巖中的切向應(yīng)力將減小，分析隧道中點(diǎn)切向應(yīng)力的變化特征。點(diǎn)應(yīng)力隨溶洞洞徑和洞間距變化的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由此可見，受頂部溶洞的影響，隧道中部圍巖中的壓應(yīng)力將減小；隨著溶洞洞徑的增加，隧道中部切向應(yīng)力將進(jìn)一步降低，在溶洞洞徑大于隧道洞徑時(shí)，該點(diǎn)切向應(yīng)力將減小20%以上；隨著溶洞距隧道間距離的增加，隧道切向應(yīng)力將逐漸增加，在洞間距大于1 倍的溶洞洞徑時(shí)，切向應(yīng)力將增加到無溶洞影響時(shí)應(yīng)力的90%，即此時(shí)頂部溶洞對(duì)隧道切向應(yīng)力的影響將降低到10%以下；在洞間距小0.5 倍隧道洞徑時(shí)，如溶洞洞徑大于1.5隧道洞徑，則隧道中部切向應(yīng)力將減小30%左右，在洞徑比大于1.0 且隧道間徑比大于1.0 時(shí)，隧道中部圍巖應(yīng)力將降低約10%以下[7]。

表2 隧道頂拱中點(diǎn)切向應(yīng)力變化的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是世界上巖溶分布面積最廣的國(guó)家之一，全國(guó)有超過1/3 的面積分布著可溶巖層，遍布所有的省、市、自治區(qū)。巖溶地區(qū)修建隧道工程的首要問題就是解決巖溶問題，由于巖溶的危害較大，已發(fā)生了很多起工程事故。而近些年來中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度加快，在鐵路、公路施工中常會(huì)遇到巖溶地區(qū)的涌水、突泥事故，其中隧道頂部溶洞的充填物坍塌問題則影響最為嚴(yán)重。本文對(duì)隧道圍巖應(yīng)力的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以重慶市萬州區(qū)白巖隧道為例，介紹了隧道圍巖地質(zhì)情況，并分析了隧道頂部拉應(yīng)力、隧道中部壓應(yīng)力及隧道底拱壓應(yīng)力等三種情況特點(diǎn)。在溶洞隧道施工中遇到的溶洞形式多種多樣，溶洞相似時(shí)采取的處理方法也基本一致，需要通過研究隧道主線與溶洞的相交位置、溶洞規(guī)模大小等，通過方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，從施工的難易程度、安全風(fēng)險(xiǎn)、施工成本等方面綜合考慮，擬定合理的處理方案。