高速公路岩溶隧道地质特征对施工安全的影响分析.pdf
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1、96交通科技与管理工程技术0引言岩溶是水对可溶性岩石进行化学溶蚀后形成的一种地质形态,我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一,岩溶区域的地质条件尤为复杂1,增加了隧道施工的安全风险。如果隧道工程和岩溶发育区毗邻,则会降低隧道围岩的完整性2,其主要原因是隧道工程区域的地下水在流动过程中会对周围围岩进行长期侵蚀,导致隧道工程发生悬空现象3,并且岩溶发育的范围内,结构作用力较为复杂,变形控制难度较大4,甚至会导致隧道工程发生坍塌下沉以及严重的岩溶塌陷,极大程度降低隧道工程支护体系的安全性5。因此,为保证高速公路隧道工程的施工安全和质量,在分布岩溶地质的环境下施工时,须精准掌握岩溶地质特性6,并针对该
2、特性分析岩溶对施工安全的影响水平,及时采取相应的处理措施,进而为隧道工程设计和施工提供可靠参考和理论支撑7。文中以某地区的高速公路隧道工程为例,研究岩溶隧道的地质特征对施工安全的影响。1工程概况该隧道工程位于我国广西的中西部地区,该地区分布大量的石灰岩山峰,通过地表进行岩溶勘测的可靠性较低,因此,隧道施工时极易遇到岩溶地质,存在较高的施工安全风险。该隧道工程设计时速为 120 km/h,为单洞双线设计,隧道全长为 1 316.8 m,最大埋深接近115 m,隧道入口和桥梁工程相连接,隧道出口和路基相连接。隧道内部线路纵坡为 1 220 m 的 1.85%单面下坡,以及 96.8 m 的平坡。该
3、隧道工程的整个洞身均通过溶岩底层,并且岩溶发育明显,从地表即可看见溶洞、岩溶漏斗以及落水洞发育;除此之外,隧道内地下水主要为空隙潜水、岩溶水以及基岩裂隙水,因此,导致隧道施工过程中主要存在危岩落石、涌水突泥、塌方等风险。隧道施工时,通过钻探勘测出的溶洞数量已经达到115 个,其大小、位置、形态等均存在显著差异,岩溶的相对位置和发育走向详情如表 1 和表 2 所示。表 1岩溶的相对位置详情相对位置数量/个占据比例/%拱顶(隧道工程中心线 0 方向)4236.5拱肩(隧道中心线 45 方向)2521.7拱腰(隧道中心线 90 方向)3732.2拱脚(隧道中心线 145 方向)54.35仰拱(隧道中
4、心线 180 方向)65.22表 2岩溶发育走向详情发育走向数量/个占据比例/%沿隧道纵向9784.3与隧道相交,且向隧道轮廓线外97.82与隧道相交,且向隧道轮廓线外76.09通过上述统计结果可知,该隧道工程中的岩溶主要分布在隧道的拱顶、拱腰处,分布比例均在 30%以上,拱脚和仰拱处的分布较少。在整个分布中,岩溶的发育主要是沿隧道纵向分布。岩溶的大小情况如表 3 所示。表 3岩溶的大小情况岩溶尺寸/m数量/个占据比例/%34034.8376354.8710108.7 1021.74收稿日期:2023-10-20作者简介:李季晖(1973),男,本科,高级工程师,研究方向:高速公路工程。高速公
5、路岩溶隧道地质特征对施工安全的影响分析李季晖(中铁一局集团有限公司第三工程分公司,陕西 宝鸡 721000)摘要为保证高速公路岩溶隧道的安全施工,需精准分析岩溶地质特性及该特性对隧道施工安全的影响,因此,文章以某地区高速公路隧道工程为例,展开相关研究和分析。对研究工程的地质情况进行相关勘察,确定岩溶类别、位置、大小以及数量等,并结合勘察结果,分析岩溶发育特征;以特征分析结果为依据,采用 FLAC3D 软件建立隧道工程计算模型,分析岩溶特征对隧道开挖受力分布的影响以及岩溶对隧道极限剪应力的影响,为该类工程施工提供可靠、合理依据。关键词高速公路;岩溶隧道;地质特征;施工安全;影响分析;极限剪应力;
6、开挖受力中图分类号U452文献标识码A文章编号2096-8949(2023)24-0096-042023 年第 4 卷第 24 期97交通科技与管理工程技术2岩溶发育特征在上述勘测结果的基础上,对该工程范围内的岩溶发育特征进行分析,详细分析结果如下:2.1岩溶发育的成层性以及向深性岩溶发育期的不同会导致岩溶的形态存在差异,例如等级为、时,主要表现为垂向岩溶,其次存在水平岩溶;等级为、时,主要表现为水平岩溶,其次存在垂直岩溶,说明岩溶的发育和底壳变化、岩溶水的情况存在直接关系。文中研究的隧道工程中溶洞口向内彼此连接,一旦发生大量降水,地下水会通过中间溶洞流出;底壳不发生运动时,水平岩溶发育显著、
7、底壳发生运动时,垂直岩溶发育显著,因此,体现了岩溶发育的向深性。2.2岩溶发育的不均匀性对该隧道工程岩溶水文地质情况进行勘察后得出,岩溶的发育存在显著的不均匀性,岩溶大小比例差距明显,因此,岩溶发育和地质岩层特向、地质构造之间存在直接关联,存在显著的不均匀性。2.3岩溶发育的垂向分带性该隧道工程在近地表地带,存在明显的岩溶水交替循环现象,并且存在较多数量的大规模岩溶洞隙,同时地下深处地下水的交替运动较慢,只有小容隙和少数的容孔,形成明显的垂直分带特征,该特征的分带图如图 1所示。图 1垂直分带图通过图 1 可看出,该隧道施工环境中,从地表向下主要包含垂向洞隙带、水平管道带以及深部空隙带。3岩溶
8、特征对施工安全的影响通过上述小节的分析可知,岩溶存在多种特征,为保证隧道的安全施工,须精准掌握这些特征对施工安全的影响。文中通过 FLAC3D 软件建立计算模型,分析岩溶特征对施工安全的影响,主要从两个方向进行分析:一是对隧道开挖受力分布的影响,二是对隧道极限剪应力的影响。FLAC3D 软件主要是以有限差分为基础,对隧道塑性破坏过程进行更为精准地分析和模拟,确保分析结果的可靠性和合理性。有限差分法的核心是采用离散化方式对差分网格进行处理,完成非线性问题的简化处理,使其形成导数问题,可降低运算复杂程度,同时保证问题结果的真实性。该软件在分析过程中,主要针对隧道最大埋深施工段进行分析,该施工段中,
9、隐伏岩溶较多,并且沿隧道纵向发育,其断面主要为圆形或者椭圆形,绝大部分岩溶均属于季节性干溶洞,降雨后会发生径流水。分析时构建的隧道模型尺寸为 100 m150 m2 m,埋深为100 m,隧道前后端以及地面均设置约束,其顶部为自由面,不对其施加荷载。设置的围岩密度为 2 400 kg/m3,弹性模量为 12 GPa,泊松比为 0.27,黏聚力为 1.1,内摩擦角为45,初期支护结构厚度为 32 cm。通过上述参数设置后,进行岩溶地质特征对隧道施工安全的影响分析。3.1隧道开挖受力分布的影响隧道开挖的过程中会涉及地下岩体和土壤的受力分布。在岩溶地质条件下,受力分布呈现出独有的特征,对隧道设计和施
10、工产生重大影响。隧道开挖后,拱顶通常会承受明显的拉应力。这是因为在开挖过程中,岩层会失去原有的支撑,导致拱顶处的岩体出现拉应力,试图抵抗拱顶坍塌的趋势。同时,隧道底部周围的围岩会产生隆起,形成一定的压力。这种受力分布是典型的隧道开挖现象,需要在设计中考虑拱顶和底部的支撑及加固,以确保施工的安全性。隧道开挖后,主应力通常会向两侧拱脚逐渐扩散。这是因为隧道的开挖会改变地下岩体的受力状态,导致主应力重新分布。这种主应力的扩散可能会对隧道周围的围岩产生影响,因此需要在设计中预测和控制主应力的传播路径。如果隧道开挖范围内存在岩溶地质,情况会更加复杂。岩溶地质通常包括溶洞和地下空间,它们在隧道开挖过程中会
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