岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究.pdf

分类号 TU9 密级UDC 编号专业学位硕士学位论文岩溶区隧道与前方有压溶洞 安全距离预测研究（国家自然科学基金No.AEO3O155）专业学科名称 工程硕士（建筑与土木工程领域）：岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究 摘要我国是世界上岩溶分布最广的国家，仅黔、桂、滇三省，岩溶分布即占三省总面积 的一半左右。随着基础设施建设重心逐步向岩溶发育较为广泛的西部地区倾斜，岩溶地 区的隧道建设成为西部交通发展面临的巨大挑战。当隧道周围有隐伏溶洞存在时，如何 合理确定两者间安全距离是个相当棘手技术难题，它不仅关系到隧道能否顺利施工，还 将影响后期的安全运营和隧道工程造价。因此本文针对岩溶区在建隧道突水灾害发生机 理及溶洞与隧道间的安全距离预测展开系统研究，主要工作和结论如下：（1）首先基于大量岩溶隧道突水实例的搜集分析，结合岩溶区相关知识，提出隧 道突水是灾害源积蓄能量、突水能量释放条件达成（包括突水通道形成和防突层失稳）和隧道施工扰动共同作用的结果，地质因素和水文因素是突水灾害爆破的必要前提和基 础条件，而施工扰动则是突水灾害爆发的直接诱因。进而从突水能量的释放条件出发，保留合理的防突层厚度是防止突水灾害发生的关键。（2）从隧道与溶洞结构稳定性角度出发，基于岩层破坏机理讨论了溶洞存在时隧 道开挖引起的围岩应力变化。进而提出岩溶隧道安全距离的判断依据，即溶洞塑性区与 隧道开挖塑性区贯通时，该临界状态所对应的两者最短距离为安全距离。（3）建立了正前方存在有压溶洞影响下岩溶区隧道开挖的三维有限元数值模型。掌子面前方发育含水溶洞时，水压作用下掌子面最大位移变形量往往集中于防突层中心 部位，随着隧道掌子面接近溶洞，位移变形逐渐增大至发生突变失稳；塑性区主要分布 在隧道掌子面的衬砌周边围岩并向前方发展，隧道墙脚处塑性变形较大，主要发生剪切 破坏。隧道与溶洞间防突层塑性区贯通时其轴向位移也发生突变，说明两种方法作为隧 道失稳判据具有较好的一致性及可靠性。随着围岩质量降低、隧道埋深减小、溶洞直径 和水压增大，防突层围岩轴向位移更大，塑性区域更早出现贯通，安全距离明显增大，说明这四个因素对安全距离的影响很大。（4）设计并建立了岩溶隧道安全距离与各个影响因素关系的预测模型。为进一步 了解岩溶隧道安全距离与各影响因素间的具体关系，筛选出围岩等级、隧道埋深、溶洞 直径、溶洞水压四个重要因素，采用正交设计法设计了关于岩溶隧道安全距离的16组 数值模拟试验，并用多元线性回归的方法得到各因素讨论范围内安全距离预测模型。结 合南宁地铁二号线一处工程实例验证了数值模拟和预测模型的有效性，为岩溶区隧道设I计和施工提供理论依据。关键词：前方溶洞；安全距离；岩溶隧道突水；数值模拟；预测模型nPrediction of safety distance between tunnels in karst area and pressurized caves in frontABSTRACTChina is the co untry with the widest karst distributio n in the wo rld.I t is o nly in the three pro vinces o f Yunnan,Guang x i and Guizho u.The karst distributio n acco unts f o r abo ut half o f the to tal area o f the three pro vinces.As the f o cus o f inf rastructure co nstructio n g radually tilts to ward the western reg io n where karst develo pment is widespread,tunnel co nstructio n in karst areas has beco me a hug e challeng e f o r the develo pment o f western traf f ic.When there are hidden caves aro und the tunnel,ho w to determine the saf ety distance between the two is a very dif f icult technical pro blem.I t is no t o nly related to the smo o th co nstructio n o f the tunnel,but also af f ects the later saf ety o peratio n and tunnel co nstructio n co st.Theref o re,this paper studies the mechanism o f water inrush disasters in tunnels in karst area and the saf ety distance predictio n between caves and tunnels.The main wo rk and co nclusio ns are as f o llo ws:(1)Firstly based o n the co llectio n and analysis o f a larg e number o f karst tunnel water inrush instances,co mbined with the relevant kno wledg e o f karst area,it is pro po sed that the tunnel water inrush is the so urce o f reservo ir energ y and the release o f water inrush energ y(including the f o rmatio n o f water inrush and the instability o f the o utburst)and tunnel co nstructio n.As a result o f the jo int actio n o f disturbances,g eo lo g ical f acto rs and hydro lo g ical f acto rs are the necessary preco nditio ns and basic co nditio ns f o r the blasting o f water inrush disasters,and co nstructio n disturbances are the direct cause o f the o utbreak o f water inrush disasters.Furthermo re,f ro m the release co nditio ns o f water inrush,retaining a reaso nable thickness o f the anti-burst layer is the key to preventing the o ccurrence o f water inrush disasters.(2)Fro m the perspective o f structural stability o f tunnels and caves,the variatio n o f surro unding ro ck stress caused by tunnel ex cavatio n is discussed based o n the f ailure mechanism o f ro ck f o rmatio n.Furthermo re,the judg ment basis o f the saf ety distance o f the karst tunnel is pro po sed.When the plastic zo ne o f the karst cave and the plastic zo ne o f the tunnel ex cavatio n penetrate,the sho rtest distance co rrespo nding to the critical state is the saf ety distance.(3)A three-dimensio nal f inite element numerical mo del f o r tunnel ex cavatio n in the nikarst area under the inf luence o f pressure caverns is established.When the water-so luble cave is develo ped in f ro nt o f the ace,the max imum displacement def o rmatio n o f the f ace under the actio n o f water pressure tends to co ncentrate o n the center o f the anti-burst layer.As the tunnel f ace appro aches the cave,the displacement def o rmatio n g radually increases to a sudden instability;plastic zo ne The tunnel mainly distributed o n the f ace o f the tunnel lining the surro unding ro ck and develo ping f o rward.The plastic def o rmatio n at the f o o t o f the tunnel wall is larg e,mainly causing shear f ailure.The ax ial displacement o f the anti-pro trusio n plastic zo ne between the tunnel and the cavern is also abrupt,indicating that the two metho ds have g o o d co nsistency and reliability as the tunnel instability criterio n.As the quality o f surro unding ro ck decreases,the buried depth o f the tunnel decreases,the diameter o f the cavern and the water pressure increase,the ax ial displacement o f the surro unding ro ck o f the anti-burst layer is larg er,the plastic zo ne appears earlier,and the saf ety distance increases sig nif icantly,indicating these f o ur f acto rs.The impact o n saf ety distance is g reat.(4)A predictio n mo del f o r the relatio nship between the saf ety distance o f karst tunnels and vario us inf luencing f acto rs was desig ned and established.I n o rder to f urther understand the specif ic relatio nship between the saf ety distance o f karst tunnel and vario us inf luencing f acto rs,f o ur impo rtant f ecto rs o f surro unding ro ck g rade,tunnel depth,cave diameter and cave water pressure were selected.The saf ety distance o f karst tunnel was desig ned by o rtho g o nal desig n metho d.Six teen numerical simulatio n ex periments were carried o ut,and a multivariate linear reg ressio n metho d was used to o btain a predictio n mo del o f the saf ety distance within the rang e o f each f acto r discussio n.Co mbined with an eng ineering ex ample o f Nanning Metro Line 2,the validity o f the numerical simulatio n and predictio n mo del is verif ied,which pro vides a theo retical basis f o r the desig n and co nstructio n o f the tunnel in the karst area.KEY WORDS:Fro nt cave;saf e distance;Water inrush in karst tunnel;Numerical Simulatio n;Predictive mo delIV目录摘要.IABSTRACT.I ll第一章绪论.11.1 研究背景和意义.11.1.1 研究背景.11.1.2 研究意义.21.2 国内外研究现状.21.2.1 岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析.21.2.2 隧道与溶洞间安全距离研究现状.21.2.3 隧道与溶洞间安全距离影响因素研究现状.21.3 研究内容和技术路线.21.3.1 研究内容.71.3.2 技术路线.7第二章 岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析.102.1 前言.102.2 岩溶隧道突水发生机理.102.2.1 灾害源的能量储存.102.2.2 突水能量释放条件.122.2.3 施工扰动的触发.132.3 岩溶隧道突水控制因素.132.3.1 地质因素.132.3.2 水文因素.142.3.3 施工因素.152.4 岩溶隧道突水灾害特征.162.4.1 突水灾害对施工的影响.162.4.2 突水灾害对周围环境的影响.162.5 本章小结.17v第三章岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离数值模拟研究.183.1 前言.183.2 数值模拟方法研究.183.2.1 数值模拟方法简介.183.2.2 ABAQUS 软件简介.193.3 岩溶区隧道与前方溶洞安全距离的数值模拟方法.203.3.1 土体本构模型.203.3.2 模型范围确定和网格划分.213.3.3 溶洞的模拟.223.3.4 隧道开挖与支护过程的模拟.233.4 岩溶隧道间安全距离判断标准及影响因素选取范围.253.4.1 安全距离判据标准.253.4.2 影响因素选取及范围.263.5 计算结果分析.293.5.1 隧道开挖对围岩位移场的影响.293.5.2 隧道开挖对防突层塑性区域的影响.323.5.3 不同围岩等级对防突层塑性区域的影响.333.5.4 不同埋深对防突层塑性区域的影响.353.5.5 不同溶洞直径对防突层塑性区域的影响.383.5.6 不同溶洞水压对防突层塑性区域的影响.403.6 本章小结.42第四章岩溶区隧道学子面前方溶洞安全距离预测模型.444.1 前言.444.2 岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离正交设计试验.444.2.1 正交设计法.444.2.2 影响因素选取和划分.454.3 多元线性回归计算模型理论.474.3.1 多元线性回归计算模型参数估计理论.474.3.2 多元线性回归计算模型结果检验理论.50VI4.4 岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离计算模型建立与检验.514.4.1 计算模型建立.514.4.2 计算模型检验.524.5 实例验证.534.5.1 工程背景.534.5.2 计算结果及对比分析.554.6 本章小结.56第五章结论.575.1 结论.575.2 展望.58参考文献.59VII广西大学工程硕士学位论文岩溶 区隈埴与前方次压溶洞安全距离预测研究第一章绪论L1研究背景和意义1.1.1 研究背景岩溶，又称为“喀斯特”(Karst),是可溶岩石在水的长期溶蚀下引起的各种地质现 象和形态的总称。它包含了地表和地下水流对可溶岩石的化学溶蚀作用，也涵盖了机械 侵蚀、溶解后经水运走再沉积等作用。经过亿万年风雨，造化了名扬天下的桂林山水、贵州重庆的天生桥、广西乐业天坑、路南石林，同时也形成了无数地下暗河，让滔滔河 水消失于无形我国岩溶地质分布大江南北，在全国960万km?国土面积上，可溶岩层 分布面积约344.3万kn?,占国土面积的三分之一。其中，裸露于地表的碳酸盐岩面积 为91万km?。在北方山西高原及邻近省区，岩溶面积约占47万km2,约占全国岩溶面 积的14%；在西南地区，以云、贵、桂三省为主，包括四川、湖北、湖南部分地区的岩 溶高原约占50万平方公里。其中仅贵州、广西和云南三地的岩溶出露面积就占总面积 的一半左右。广西岩溶发育甚广，其碳酸盐岩出露总面积达9.87万kmz,占省区面积比 值约40%,位居全国首位。广西岩溶分布图山(图1-1)清楚的描绘了我国的岩溶分布 情况。图1-1广西岩溶环境地质图Fig.1-1 karst enviro nment g eo lo g ical map o f Guang x i由于岩溶发育条件的差别，各个区域的岩溶发育特征迥异，岩溶不良地质给隧道的广西大小工株硕士学位论文岩溶 区 0C与削方方压溶洞 安全距离预恻研究施工和后期运营造成严重威胁。岩溶区的工程建设主要有以下四方面的工程地质问题：岩溶地基与围岩的稳定问题、岩溶渗漏问题、岩溶涌水问题以及岩溶水压力问题。据 统计，涌水突泥灾害是隧道工程中主要的地质灾害之一。岩溶隧道的失稳垮塌，突水突 泥等问题的发生机理，大部分是因为隧道与溶洞之间岩柱厚度的不断减小，隧道与溶洞 间围岩的相对位移随之增大，从而导致破坏范围逐渐扩大，直到岩柱的临界厚度被击穿。此时岩柱的临界厚度便是溶洞与隧道间岩体保持稳定状态的安全距离。如何合理把握安 全距离不仅涉及隧道施工的安全问题，也影响到隧道工程的经济成本问题。若安全距离 过小，本应该处理的溶洞未能划入安全线之内，导致开挖过程中安全事故屡屡发生；若 安全距离过大，则会大大增加工程经济建设成本，处理本无需处治的溶洞。为保证隧道 安全、快速、且经济地通过岩溶地段，本论文对岩溶区隧道与溶洞安全距离进行研究，给出既满足隧道开挖和运营安全要求，又满足隧道建设经济性要求的溶洞与隧道之间的 安全距离，为实际的工程提供理论依据和技术支撑。1.1.2 研究意义目前，在岩溶地区隧道建设中仍缺乏溶洞对隧道影响的深入系统研究，尤其是缺乏 对隐伏溶洞与隧道掌子面安全距离方面的研究，其严重影响了岩溶区隧道的设计和施工。隐伏溶洞与隧道间距离是否合理不仅直接关系到隧道施工期间和运营期间的安全，而且 直接关系到隧道建设投资大小（两者距离越小，隧道避绕溶洞的距离就越小，隧道越短，工程造价就越低，但是溶洞突水的危险性也越大），成为了岩溶地段工程建设中的突出 问题。当前岩溶区隧道建设正在蓬勃发展，有关岩溶隧道建设方面的研究在不断深入，抓住当前的大好形势，积极开展隐伏溶洞与隧道间安全距离研究，对保证岩溶区隧道的 安全性，降低工程造价，提高岩溶区隧道设计水平与施工技术具有十分重要的现实意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析在隧道掘进过程中，揭露或者即将揭露岩溶水构造，阻水结构（防突层）发生破坏 失稳，岩溶水构造内的能量瞬间释放，并以流体的形式向隧道内转移的一种动力破坏现 象，称为岩溶突水灾害。隧道突水灾害发生不可避免要满足两个方面：岩溶水构造的能 2广西大学工程硕士学位论文岩溶区隧道与前方有压溶洞距两预测研究量储存条件和岩溶水构造的能量释放条件。正确认识以上两个方面，理解岩溶隧道突水 发生机理对于突水灾害制定针对性的防治对策至关重要。（1）岩溶水构造的能量储存条件PascalFenart3（i999）等认为岩溶的形成是多因素综合影响的结果，且不同岩溶中的 主导因素也是变化的。因此定量地讨论各因素的影响是很困难的，应该针对溶洞的具体 情况进行分析。F.Gabro vsck（1999）等提出了一个石灰岩的岩溶水构造发育模型，即模型设定石灰 岩裂缝宽度为50um,渗透系数lCT,m/s的初始条件，然后在模型边界施加恒定的水源补 充，计算不同时间裂缝宽度的扩展情况，得出石灰岩的岩溶水构造随时间的发育规律。钱学薄从供水角度论述了岩溶蓄水构造类型和实例，将岩溶蓄水构造分为裂隙岩 溶蓄水构造、断层岩溶蓄水构造、地下河及管道蓄水构造、层间岩溶蓄水构造、侵入体 岩溶蓄水构造、膏溶角碌岩蓄水构造、覆盖岩溶蓄水构造和隐伏岩溶蓄水构造。秦小林等认为虽然岩溶的形成受多种因素影响，在大区域范围内规律性不强，但 是具体到某一小区域范围内其规律性则增强。通过对南昆线典型的岩溶发育区域进行调 查分析，基于岩溶地貌学和地质学理论得出一种定性预测溶洞的方法，并对正在施工的 隧道进行预测验证了该方法的可靠性。白明洲等通过对岩溶地区宜万铁路沿线的野三关、八字岭、齐岳山隧道地质条件 进行分析得出岩性分异界面、岩层接触界面、褶皱核部和转折端、断层等位置最易发育 大型岩溶洞穴。李扬红等在分析了五指山地区岩溶发育的演化历史后提出，地貌演化过程控制了 一个地区岩溶发育的总体特征，在地质构造的关键部位，如褶皱核部及断裂作用区，顺 裂隙延伸方向可能发育大型溶洞。（2）岩溶水构造的能量释放条件岩溶水构造储存了大量能量后，如果没有释放能量的路径，那么系统并不会产生突 变现象造成隧道突水灾害发生。灾害源能量储存只是突水灾害发生的基础，突水通道是 地下岩溶水和充填物流动和运移的通道，防突层是阻止岩溶水和充填物突入隧道的最终 屏障，而突水通道形成和防突层抗突能力与岩溶水对岩体的劈裂作用息息相关。因此，研究地下水的动力性能是检验岩溶水构造的能量释放条件是否满足的关键，自上世纪中 叶起国外学者便对其展开研究。3广西大学工程硕士学生论文岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究Hubert9(1957)等最先研究水利劈裂作用探求岩体破坏方式与力场之间的关系，自此越来越多学者进行水压致裂的研究。Archambault期(1998)等采用力学实验手段，用高水头压力使岩体破坏，记录岩 体破坏过程中裂隙张开度随孔压值的变化趋势。Papanastasio u11(1999)在Archambault的基础上采用软件模拟水压致裂过程，研 究孔隙水压力的变化特征。虽然国内学者对水力劈裂作用的研究较晚，但是也取得了许多成果。黄润秋等利用断裂力学分析高水压对岩体的劈裂作用，通过力学模型得知在高水 压作用下，岩体内的裂隙会不断发展贯通形成完整地下水涌出通道，并推导出裂隙贯通 的临界水压值。王建秀U3等在前人研究成果的基础上将水对碳酸盐的溶蚀作用考虑进来，建立腐蚀 损伤岩体水力(劈裂)损伤的演化方程，并通过实例证明了该方程的实用性和潜在价值。谢兴华四等利用水力劈裂作用机理研究矿井底板突水。通过建立水力劈裂与岩体渗 透的关系，得到围岩的渗流场的变化趋势，然后对工程突水灾害爆发进行风险评估。1.2.2 隧道与溶洞间安全距离研究现状合理的安全距离是隧道施工时经济性与安全性的平衡，安全距离过小会显著增加隧 道突水风险，过大又会增加溶洞处理的造价。因此，确定合理的安全距离是岩溶区隧道 施工的一项关键任务。目前岩溶区隧道和溶洞之间的安全距离的研究成果相对丰硕，可 以将研究方法分为定性分析、半定量分析和定量计算三种。(1)定性分析研究现状定性分析是通过对影响隧道稳定性的各因素进行综合分析得到安全距离与各因素 之间的规律，其结果可为半定量分析和定量计算提供理论依据。任美铐U56(1983)认为岩溶区隧道突水、隧道顶部填充物塌陷突泥、隧道基底溶 洞坍塌是隧道工程建筑主要的灾害形式。邹成杰口刀(1994)对近年西南地区多起突水灾害分析总结后指出突水灾害的一般规 律，即隐伏溶洞的危害大于施工中被揭露的溶洞，有充填物的有压溶洞危害大于空溶洞，且危害程度与充填物的性质和涌水量的大小有很大关系。吴梦军网(2003)利用重庆交通科研设计院研制的CTSSS-RH系统和ANSYS软件 4广西大学工程硕士学位论文岩溶 区隧道与前方有压溶洞35 距商预测研究针对岩溶区公路隧道稳定性研究进行了一系列相似模型试验和数值模拟，得出岩溶地区 公路隧道围岩稳定性与溶洞分布和尺寸有很大的关系。史世雍(2005)以夏家庙隧道为程背景，运用ANSYS软件研究隧道顶部溶洞对 围岩的稳定性，并与监测数据对比，得出溶洞的大小、与隧道距离的变化均对隧道顶板 应力、沉降有明显影响。蒋颖四(2009)利用FLAC3D建立无溶洞和溶洞位于隧道上方、下方和侧方的四种 工况模型，通过分析应力场、位移场和塑性区探求溶洞的最不利位置。结果表明，当溶 洞位于隧道侧方时对隧道稳定性最为不利。Zhang Yo ng21(2013)等利用有限元软件模拟了溶洞存在于交叉隧道上方、下方和 侧方，探究交叉隧道开挖时不同位置溶洞对周边围岩稳定性的影响。赖金星122】(2015)等以五龙节公路隧道为工程背景，利用Midas/GTS分析不同位置 n类溶洞对围岩和隧道结构受力的影响，并综合实测数据总结围岩位移和结构应力的变 化规律。(2)半定量分析研究现状半定量分析是基于工程经验将复杂的围岩受力状态简化为简单的力学模型，利用结 构力学等理论求解的方法，其成果相比定性分析法更适合运用到实际工程中。目前国内 学者主要利用顶板厚跨比法、结构力学近似法PA散体理论分析法和试验测试法24研究 岩溶区隧道安全距离。牟春梅25基于桂林市新解放桥桥基为工程背景，采用结构力学近似的方法，研究了 各影响因素对溶洞顶板稳定性的影响及变化规律。孙萍26等在前人结构力学近似方法的基础上结合黄土地区的土质特点，提出一种顶 部溶洞与隧道临界距离的方法。曹武安引入安全系数的概念，利用RFPA强度折减法分析溶洞不同大小、距离对 隧道围岩稳定性的影响和可能出现的破坏形式，并给出相应的安全系数，安全系数越小 表示围岩越危险，对围岩稳定性进行半定量的研究。宋战平28等结合西南地区岩溶隧道灾害调查，针对隧道底部发育有较大溶洞，采用 弹性梁、板理论建立多种力学模型并进行受力分析，根据岩体抗拉和抗剪强度准则，得 到隧道与底部溶洞临界安全距离分析公式。臧守杰网采用荷载传递线的概念，提出了岩溶隧道底板最小安全距离的半定量评价 5广西大学工程硕士学位论文岩溶 区隧道与前方有压溶洞 安全距离预测研究方法。(3)定量分析研究现状定量计算研究一般需要在假定条件的基础上建立物理力学、数学或相似试验模型,然后进行分析计算，得到基于假设条件下的安全距离ML目前用于定量计算安全距离的 方法主要有稳定系数法、数值分析法、相似模型试验法和多元逐步回归法等。曹文贵网等采用强度折减结合数值流形方法分析岩溶顶板稳定性与岩溶各参数之 间的关系，建立了确定岩溶顶板安全距离的新方法，并将该方法应用到工程中，取得了 良好的预测效果。周科平网等以广西大厂铜坑矿92号矿体的回采为工程背景，采用有限元软件分析 顶板安全距离与各影响因素之间的关系，并在此基础上运用人工神经网络得到安全距离 预测模型，经验证其预测效果与实际结果很接近。王勇3刃等在数值模拟的基础上利用支持向量机方法(SVM)和多元线性回归分析分 别得到溶洞顶板安全厚度预测模型并进行对比，结果表明，SVM方法相比多元线性回 归分析具有更高的预测精度。王丽霞Ml等以哈尔滨市松花江隧道为工程背景，通过建立40个数值模型探求每个 影响因素对隧道稳定性的影响，并遴选出重要影响因子，采用多元逐步回归的方法建立 隧道顶部覆土安全厚度的预测模型。林杭网等提出采空区安全顶板预测的厚度折减法，即在数值模拟中不断调整顶板厚 度直至计算不收敛，并将此临界厚度记录为顶板安全厚度。张建华的基于岩溶区路基溶洞顶板做出的假设建立简化的力学模型，然后引入突变 理论建立了顶板安全距离的尖点突变模型，得到了溶洞顶板安全距离的新方法。综合上述研究可以看出，国内外学者对于针对隧道与溶洞间安全距离的研究已经做 了很多工作，其研究方法涵盖了各个方面。但是，上述研究很少涉及到岩溶区隧道开挖 与正前方溶洞间安全距离的问题，隧道掌子面突水又是隧道工程中出现概率、影响均较 大的一个问题，因此有必要对隧道与正前方有压溶洞间的安全距离展开研究。1.2.3 隧道与溶洞间安全距离影响因素研究现状由于岩溶区隧道附近工程地质、水文条件复杂多变，隧道与溶洞间安全距离影响因 素众多，探究各因素对安全距离的影响对于隧道工程建设中防治突水灾害有重大意义。6广西大学工程硕士学位论文岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究To ny W37（2009）等通过对岩溶区围岩失稳模式的研究建立了土体摩擦角与溶洞 直径之间的土体稳定性关系图表并应用于工程实践。曹茜网基于岩石力学基本理论筛选出影响安全距离的几个重要因素，包括围岩参数、侧压力系数、隧道埋深、溶洞跨度和高跨比。利用FLAC3D和离散元UDEC软件分析各 因素对安全距离影响规律。谭代明网利用有限元软件对侧部存在溶洞的隧道围岩位移场、应力场和塑性区进行 分析，发现隧道和溶洞之间的围岩影响较大，且影响值与溶洞和隧道的大小呈正相关，隧道施工中应该重点关注。王勇”等通过数值模拟分析对安全厚度影响较大的因素，并选取内聚力、摩擦角、埋深、土体重度、弹性模量、泊松比、溶洞跨度和高跨比八种因素建立洞顶安全距离预 测模型。雷金山图选择广州盆地的典型地层参数，利用MI DAS/GTS建立三维模型分析地铁盾 构施工过程中溶洞大小、位置、与隧道的间距等因素对隧道开挖稳定性的影响。综合上述研究可以看出，影响溶洞和隧道间安全距离的因素可以归纳为以下几项：围岩等级（内聚力、摩擦角、重度、弹性模量、泊松比）、侧压力系数、隧道埋深、溶 洞的大小（跨度、高跨比）、溶洞的位置。但是，以上研究均没有考虑溶洞水压对溶洞 和隧道之间防突层的作用。由以上分析可知，突水通道形成和防突层抗突能力与岩溶水 对岩体的改造作用息息相关，因此只有考虑了溶洞水压的作用，才能更加真实地获得溶 洞与隧道之间的安全距离。1.3 研究内容和技术路线13.1研究内容论文针对岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测开展系统研究，主要进行了以下 几方面的研究，拟包含以下内容：（1）基于大量岩溶隧道突水资料的统计分析，从岩溶发育的必要条件角度分析了 岩溶发育特征，得到了不同构造区及岩溶发育带的含水构造类型；提出突水能量贮存、能量释放条件、能量爆发催化是突水灾害的形成主线，并分步研究了突水的灾变特征，基于此主线，阐明了突水发生条件的影响因素，构成了突水灾害发生的控制因素集；7广西大学工程硕士学位论文岩溶 区战道与前方有压溶洞 安全距离预测研究(2)采用有限单元法，考虑隧道开挖与溶洞的空间效应，建立了岩溶区隧道开挖 的三维有限元数值模型，研究了溶洞影响下隧道开挖的围岩稳定状态。当富水溶洞发育 于隧道掌子面正前方时，在溶洞水压和施工扰动双重作用下，掌子面周边围岩与溶洞之 间防突层塑性区域迅速发展最后失稳引发突水事故，因此将掌子面与溶洞间的岩体(防 突层)作为主要研究对象，从位移场、应塑性区域全面分析了岩溶隧道开挖的围岩变化，并着重关注围岩级别、隧道埋深、溶洞大小和水压等与防突层的稳定关系密切的因素对 掌子面处围岩轴向位移及防突层塑性区的影响。(3)在本文岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离数值模拟研究的基础上，分析了 围岩等级、隧道埋深、溶洞直径和水压大小对安全距离的影响，通过数理统计的多元线 性回归理论对试验数据进行分析，建立隧道围岩等级、隧道埋深、溶洞直径和溶洞水压 与安全距离的预测模型，从而得到多因素影响的岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预 测模型，以期指导工程实践。8广西大学工程硕士学位论文岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究1.3.2技术路线技术路线见图l-2o图1-2技术路线Fig.1-2 Technical ro ute9广西大学工程硕士学位论文岩溶区 隧道与前方有压溶洞 安全距离预测研究第二章岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析2.1前言岩溶区隧道突水灾害一般发生在隧道掌子面向前推进过程中，揭露或即将揭露岩溶 水系时，在隧道施工扰动下，掌子面和岩溶水系之间防突层发生破坏失稳，储存在岩溶 水系中的大量能量突然释放导致岩溶水涌入隧道内给生命财产带来威胁，严重时会带来 灾难性后果。因此，对岩溶区隧道突水灾害发生机理及其控制因素进行研究就显得非常 必要。2.2 岩溶隧道突水发生机理隧道突水灾害发生不可避免要满足三步进程，即：灾害源的能量储存、具备突水能 量的释放条件、隧道施工扰动。正确认识该三步进程，理解岩溶隧道突水发生机理对于 突水灾害制定针对性的防治对策至关重要。2.2.1 灾害源的能量储存灾害源的能量储存是隧道突水灾害发生的源动力和物质基础。按照突水特性、突水变化特征、地质构造特征等可将突水灾害源进行了分类42,如图2-1所示。涌水特性，涌 水 灾 害，源 分 类特大涌水型：涌水量Q10000m3/h 大量涌水型：涌水量Q=500010000n)3/h中等涌水型:涌水量Q=10005000m3/h 少量涌水型：涌水量Q=1001000m3/h,微量涌水型：涌水量QV100m3/h涌水变化特征水文型：涌水量大小与降雨及地表水补给关系十分密切,涌水量变化明显，多出现在浅部岩溶含水层中;稳定型：当岩溶含水层水量稳定时，涌水量也比较稳定,多出现在深部岩溶含水层中：突发型：枯水季节无涌水，一旦遇暴雨岩溶管道被冲开,会发生突水，多发生在洪枯水位变动带内；地质构造特征向斜轴部岩溶承压水型：局部存在较大水压，容易引发长期的高压涌水；背斜岩溶水型：在背斜地层中，两种岩层接触带会存在大量的岩溶水，总涌水量大；多层岩溶含水层同时涌水型：当隧洞穿过多层岩溶含水层时，多层同时涌水，总涌水量较大;、单一岩溶含水层暗河涌水型：隧道施工过程中遇岩溶暗河，易造成突水或较为稳定的涌水。图2-1涌水灾害源分类Fig.2-1 Water disaster so urce classif icatio n10广西大学工程硕士学位论文岩溶 区幄道与前方有压溶洞 安全距南预测 研究结合近年来隧道突水灾害实例分析灾害源发育位置和致灾原因，可以将之前归类不 明确的灾害源分为裂隙型、断层型、岩溶型三种典型类型，这些位置灾害源的岩溶水资 源非常丰富，岩溶水压大，且岩体较为破碎，各灾害源互相连通时易爆发出危害巨大的 突水灾害，在施工期间应该重点监控防治。(1)裂隙型灾害源裂隙在岩溶系统中主要