上海同济检测技术有限公司上海200092
摘要：岩溶地区隧道施工的过程中，经常会受到溶洞位于隧道不同方位、溶腔内充满填充物以及突水突泥等影响，这些情况的发生不但影响施工进度，而且威胁到施工人员的安全。在施工过程当中，通常会保留一定厚度的岩墙，避免因溶洞内的填充物（水）压力过大而压溃岩墙以致突然涌入施工隧道而诱发安全事故。如若岩墙厚度较小，岩墙和溶腔之间将会由于高压力的作用压溃岩体，加大了溶洞塌陷的危险性；若岩墙厚度过大，虽能杜绝突水、突泥事故发生，但会给后续加固注浆或者爆破泄水带来风险和额外的造价。因此，科学、合理地确定岩溶隧道中溶洞的位置及隐伏溶洞与隧道之间的安全距离成为隧道设计和施工必须要解决的问题。
关键词：岩溶隧道；隐伏溶洞；空间形态；安全距离
溶地区的地质特点与隧道设计、施工、运作以及事故的频发有着密切联系，常见的突水突泥现象往往受岩溶隧道与溶洞的安全距离影响。因此，要保证隧道结构的稳定，并防止突水突泥灾害的发生，需要对隧道与下部溶洞间的安全距离进行研究。
一、概述
将岩溶隧道与隐伏溶洞间岩墙的压溃过程视为是一种弹性能量的集聚过程，当岩墙在弯曲变形的过程中能量集聚到某一临界值时，岩墙将会失稳而直至被压溃，所以认为岩溶隧道与隐伏溶洞间岩墙稳定性本质上是一种非逆向且非线性的过程，岩梁墙因失稳而被压溃的临界厚度，即称为岩溶隧道与隐伏溶洞间的临界安全距离。所以应用现代非线性理论中的突变理论模型分析了隧道与隐伏溶洞间的临界安全距离。利用突变理论研究岩溶隧道，目前的研究主要集中在隧道顶板和底板的安全距离预测模型的研究，但是针对掌子面前方不同空间状态下的溶洞的安全距离的研究鲜为报道。
二、尖点突变理论安全距离分析
1.溶洞与掌子面斜交。溶洞的空间形态与岩溶隧道掌子面斜交方位变化复杂，隧道周边任何位置都可能存在与隧道斜交的溶洞，此时在计算临界安全距离时，取掌子面与溶洞之间的最小距离。（1）力学模型。对所研究的岩溶隧道掌子面与溶洞及之间的岩墙构成的系统，根据尖点突变理论的原理，首先需要将岩梁进行简化，做出如下假设：1）岩溶隧道掌子面完整且呈竖直状态，将隧道与溶洞之间的岩体简化为两端固支单位宽度的岩梁进行分析，即溶洞内的水压、填充物以及自重等直接作用在岩梁上；2）忽略岩溶腔内水对岩石的损伤，并且填充物、水压、自重等均布在岩梁上；3）将岩梁靠近溶洞一端的地质构造应力简化为竖向的推力进行分析。（2）势函数的确定。经过对上述简化的假定力学模型解析，首先应求出该力学模型体系的总势能，构建势函数表达式，并利用数学方法将其变换为尖点突变模型的标准表达式。设岩墙梁的轴线挠曲线方程为：
2.溶洞与掌子面正交（溶洞位于掌子面区域内）。溶洞的空间形态与岩溶隧道掌子面正交，且溶洞位于掌子面区域内，可视隐伏溶洞为中小跨度溶洞，且当前工程中遇到的其轴线大都近似于竖直，在计算临界安全距离时，也取掌子面与溶洞之间的最小距离。（1）力学模型。根据尖点突变理论的原理，将岩梁进行简化，做出如下假设：1）岩溶隧道掌子面完整且呈竖直状态，将隧道与溶洞之间的岩体简化为两端固支单位宽度的弹性梁进行分析；2）将岩梁两端的地质构造应力简化为竖向的推力进行分析；3）溶洞距离隧道底板的距离假设为a（a≥0），
（2）安全距离的确定势函数的标准形式为：
3.溶洞与掌子面正交（溶洞跨度大于隧道跨度）。岩溶隧道与大跨度（溶洞跨度大于隧道跨度）的溶洞正交的安全距离的研究，其实为隧道和溶洞的失稳问题，可以根据隧道与溶洞的完整性以及溶洞跨度沿着隧道轴线的长度关系，将其简化为力学模型进行分析。（1）力学模型。1）岩溶隧道掌子面前方岩墙靠近溶洞侧断面为隧道轴线的平面；2）由于溶洞跨过整个隧道断面（溶洞的跨度大于隧道掌子面跨度），此处将岩梁假设为周围固支的弹性圆板来分析（图8），假定半径为R，板厚（安全距离）为H，作用在掌子面前方岩墙上的岩溶水压力pw和掌子面空气压力pg皆为均布压力，且均布在整个岩墙断面，满足荷载轴对称条件。（2）安全距离的确定。岩梁板的挠曲线方程：
三、临界安全距离的影响因素分析
由于开挖岩溶隧道与隐伏溶洞空间状态的不同，简化的假定力学模型也有所不同，因此临界安全距离的影响因素也有差别，根据以上三种空间状态的隐伏溶洞安全距离的分析可得：
1.当开挖岩溶隧道与隐伏溶洞正交且溶洞跨度大于隧道直径时，安全距离的影响因素有：岩溶水压、掌子面的空气压力、岩石的泊松比、围岩的弹性模量和隧道的直径。其中，围岩的弹性模量越大，其临界安全距离越小，即围岩质量、等级越好，越不容易发生突水；隧道半径越大临界安全距离最大，也即一次的挖掘面越大时，更容易发生突水，这都与现场实际情况相符；
2.当开挖隧道与溶腔空间状态呈斜交时，由于简化为固支梁，故安全距离的影响因素主要有：一侧的岩体地质构造力、重力、弹性模量、溶腔内水压力、开挖隧道内的空气压力、斜交的角度和隧道直径。此种空间状态下得出的临界安全距离与隧道轴线与溶洞的长轴线的夹角有关，而且随着夹角的增大而减小，随着围岩级别的增加而增大；
3.当开挖隧道与溶腔空间状态呈正交且溶洞跨度大于隧道跨度时，其与斜交时一样都简化为固支梁，故安全距离的影响因素相同，只是此时由于梁两端都受到了地质应力的作用，其安全距离随着隧道埋深的增加呈现出非线性增加的趋势，即埋深越大，围岩的应力越大，需更大的安全距离。综上可知：安全距离随着溶洞跨度的增加而增加。从地下洞室的围岩应力的分布规律来看，溶洞的跨度虽然不影响应力集中程度的变化，但是应力集中的范围与溶洞的跨度有很大的关联，跨度增加，增大了塑性区的范围，故而临界安全距离增大。
总之，针对溶洞与隧道斜交和正交（溶洞跨度小于隧道直径），以固支单位宽度的弹性梁为力学模型进行分析；针对溶洞与隧道正交（溶洞的跨度大于隧道直径），以周围固支的弹性圆板为力学模型引入突变理论，建立了掌子面前方隐伏溶洞与隧道临界安全距离的非线性-尖点突变模型，并由此推导出掌子面岩梁墙突变失稳的必要条件。
参考文献：
[1]郭生.岩溶隧道掌子面突水机制及岩墙安全厚度研究.2017.
[2]高华，浅谈岩溶隧道与隐伏溶洞安全距离分析.2018.