喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析

王万锋, 杨永泰, 陆钰铨, 赵楚军, 崔鹏杰, 邱军领. 喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析[J]. 中国岩溶, 2023, 42(6): 1282-1293. doi: 10.11932/karst20230610
引用本文: 王万锋, 杨永泰, 陆钰铨, 赵楚军, 崔鹏杰, 邱军领. 喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析[J]. 中国岩溶, 2023, 42(6): 1282-1293. doi: 10.11932/karst20230610
WANG Wanfeng, YANG Yongtai, LU Yuquan, ZHAO Chujun, CUI Pengjie, QIU Junling. Analysis of critical safety distance between tunnel and concealing filled karst cave in the karst area[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(6): 1282-1293. doi: 10.11932/karst20230610
Citation: WANG Wanfeng, YANG Yongtai, LU Yuquan, ZHAO Chujun, CUI Pengjie, QIU Junling. Analysis of critical safety distance between tunnel and concealing filled karst cave in the karst area[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(6): 1282-1293. doi: 10.11932/karst20230610

喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析

  • 基金项目: 中国铁建昆仑投资集团有限公司科技研究开发计划项目(KLTZ-KX01-2020-009)
详细信息
    作者简介: 王万锋(1973-),男,高级工程师,主要从事岩土与隧道工程方向研究。E-mail:188358056@qq.com
    通讯作者: 邱军领(1989-),男,博士,讲师,主要从事隧道及地下工程方面的研究。E-mail:870133597@qq.com
  • 中图分类号: U452.11

Analysis of critical safety distance between tunnel and concealing filled karst cave in the karst area

More Information
  • 当隧道施工穿越喀斯特地貌发育区时,隧道应与溶洞保持一定的距离,确保隧道围岩及支护的稳定性。为探究隧道与岩溶的临界安全距离,综合采用理论计算与数值试验方法,基于强度理论,建立不同部位充填溶洞(顶部、底部、侧部)临界安全距离的计算模型,推导出隧道与环向不同位置溶洞临界安全距离计算公式;采用FLAC 3D软件建立环向不同位置溶洞与隧道间的临界安全距离数值模型,基于正交试验设计方法,分析了围岩级别、溶洞水压、溶洞尺寸对临界安全距离的影响规律和显著性。结果表明:隧道与环向不同部位溶洞间的临界安全距离均随围岩级别、溶洞水压及溶洞尺寸的增大而增大,综合影响程度从大到小可排序为围岩级别>溶洞水压>溶洞尺寸;结合试验结果的非线性多元回归分析建立了临界安全距离预测公式;最后将研究成果应用于阳宗隧道项目来验证临界安全距离预测模型的合理性及适用性。

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  • 图 1  溶洞位于隧道顶部时的简化模型

    Figure 1. 

    图 2  溶洞位于隧道底部时的简化模型

    Figure 2. 

    图 3  溶洞位于隧道侧部时的简化模型

    Figure 3. 

    图 4  隧道顶部溶洞计算模型

    Figure 4. 

    图 5  溶洞与隧道间塑性区分布图

    Figure 5. 

    图 6  溶洞位于隧道顶部临界安全距离分析

    Figure 6. 

    图 7  溶洞位于隧道底部临界安全距离分析

    Figure 7. 

    图 8  溶洞位于隧道侧部临界安全距离分析

    Figure 8. 

    图 9  临界安全距离变化曲线(溶洞位于隧道顶部)

    Figure 9. 

    图 10  临界安全距离变化曲线(溶洞位于隧道底部)

    Figure 10. 

    图 11  临界安全距离变化曲线(溶洞位于隧道侧部)

    Figure 11. 

    图 12  隧道初支渗漏水

    Figure 12. 

    表 1  溶洞充填物物理力学参数

    Table 1.  Physical and mechanical parameters of cave filling

    参数重度γ粘聚力$c$摩擦角$\varphi $弹性模量E泊松比μ
    kN·m−3kPa°MPa
    溶洞充填物181.02670.26
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    表 2  各影响因素的水平值

    Table 2.  Level value of each influence factor

    水平取值围岩级别A溶洞直径D水压P
    mMPa
    1Ⅲ150.8
    2Ⅲ2101.2
    3Ⅳ1151.6
    4Ⅳ2202.0
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    表 3  围岩级别的各因子取值范围

    Table 3.  Value range of each factor of surrounding rock level

    围岩级别重度γ粘聚力c摩擦角φ弹性模量E泊松比μ
    kN·m−3MPa°GPa
    Ⅲ1241.04190.26
    Ⅲ2230.83970.28
    Ⅳ1220.63750.30
    Ⅳ2210.43530.32
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    表 4  L16(44)正交试验方案及结果

    Table 4.  Scheme and results of L16(44) orthogonal test

    编号围岩级别A溶洞水压P溶洞直径D误差项e临界安全距离
    -MPam-St/mSb/mSs/m
    1Ⅲ10.8511.11.11.0
    2Ⅲ11.21021.52.21.3
    3Ⅲ11.61531.93.51.4
    4Ⅲ12.02042.54.81.6
    5Ⅲ20.81031.91.91.4
    6Ⅲ21.2541.71.91.4
    7Ⅲ21.62012.64.41.8
    8Ⅲ22.01523.35.22.0
    9Ⅳ10.81542.92.82.2
    10Ⅳ11.22032.94.02.3
    11Ⅳ11.6522.73.42.1
    12Ⅳ12.01014.05.62.4
    13Ⅳ20.82024.34.13.1
    14Ⅳ21.21514.25.23.0
    15Ⅳ21.61044.86.03.0
    16Ⅳ22.0535.15.83.2
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    表 5  临界安全距离极差表

    Table 5.  Range table of critical safety distance

    影响因素St/mSb/mSs/m
    围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差列围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差列围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差列
    K1 7.00 10.20 10.60 11.90 11.60 9.90 12.20 16.30 5.30 7.70 7.70 8.20
    K2 9.50 10.30 12.20 11.80 13.40 13.30 15.70 14.90 6.60 8.00 8.10 8.50
    K3 12.50 120 12.30 11.80 15.80 17.30 16.70 15.20 9.00 8.30 8.60 8.30
    K4 18.40 14.90 12.30 11.90 21.10 21.40 17.30 15.50 12.30 9.20 8.80 8.20
    k1 1.75 2.55 2.65 2.98 2.90 2.48 3.05 4.08 1.33 1.93 1.93 2.05
    k2 2.38 2.58 3.05 2.95 3.35 3.33 3.93 3.73 1.65 2.00 2.03 2.13
    k3 3.13 3.00 3.08 2.95 3.95 4.33 4.18 3.80 2.25 2.08 2.15 2.08
    k4 4.60 3.73 3.08 2.98 5.28 5.35 4.33 3.88 3.08 2.30 2.20 2.05
    极差R 11.4 4.7 1.7 0.1 9.5 11.5 5.1 1.4 7.0 1.5 1.1 0.3
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    表 6  临界安全距离方差表

    Table 6.  Variance table of critical safety distance

    影响
    因素
    St/mSb/mSs/m
    围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差
    围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差
    围岩
    级别A
    溶洞
    水压P
    溶洞
    直径D
    误差
    SS 18.092 3.612 0.552 0.003 12.767 18.567 3.902 0.272 7.095 0.315 0.185 0.015
    df 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
    MS 6.031 1.204 0.174 0.001 4.256 6.187 1.301 0.091 2.365 0.105 0.062 0.005
    F 6 031 1 204 174 46.77 67.99 14.3 473 21 12.4
    显著性 显著 显著 显著 显著 显著 有影响 显著 有影响 有影响
    注:F0.05(3,3)=9.28,F0.01(3,3)=29.46,其中:SS-离差平方和,df-自由度,MS-均方离差。
    Note: F0.05(3, 3)=9.28, F0.01(3, 3)=29.46; SS: Sum of Squares, df: degree of freedom, MS: mean square deviation.
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    表 7  岩溶区灰岩物理力学参数指标

    Table 7.  Physical and mechanical parameters of limestone in the karst area

    岩性参数重度抗压强度抗弯强度抗剪强度
    kN·m−3MPaMPaMPa
    灰岩22284.22.52
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  • [1]

    王泽峰, 钟世航. 陆地声纳法在探测岩溶区高铁隧道基底隐患中的应用[J]. 中国岩溶, 2019, 38(4): 573-577.

    WANG Zefeng, ZHONG Shihang. Application of the landsonar to detecting hidden hazards of tunnel base on high-speed railway in karst areas[J]. Carsologica Sinica, 2019, 38 (4): 573-577

    [2]

    陈洪松, 岳跃民, 王克林. 西南喀斯特地区石漠化综合治理: 成效、问题与对策[J]. 中国岩溶, 2018, 37(1): 37-42.

    CHEN Hongsong, YUE Yuemin, WANG Kelin. Comprehensive control on rocky desertification in karst regions of Southwestern China: Achievements, problems, and countermeasures[J]. Carsologica Sinica, 2018, 37 (1): 37-42

    [3]

    吕玉香, 蒋勇军, 王正雄, 胡伟. 西南岩溶槽谷区隧道建设的水文生态环境效应研究进展[J]. 生态学报, 2020, 40(6): 1851-1864.

    LV Yuxiang, JIANG Yongjun, WANG Zhengxiong, HU Wei. Review on the hydrology and the ecological and environmental effects of tunnel construction in the karst valley of Southwest China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40 (6): 1851-1864

    [4]

    周毅, 李术才, 李利平, 张乾青, 石少帅, 宋曙光, 王康, 陈迪杨, 孙尚渠. 地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(7): 1232-1240.

    ZHOU Yi, LI Shucai, LI Liping, ZHANG Qianqing, SHI Shaoshuai, SONG Shuguang, WANG Kang, CHEN Diyang, SUN Shangqu. New technology for fluid-solid coupling tests of underground engineering and its application in experimental simulation of water inrush in filled-type karst conduit[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37 (7): 1232-1240

    [5]

    李术才, 潘东东, 许振浩, 李利平, 林鹏, 袁永才, 高成路, 路为. 承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验[J]. 岩土力学, 2018, 39(9): 3164-3173. DOI: 10.16285/j.rsm.2016.2808.

    LI Shucai, PAN Dongdong, XU Zhenhao, LI Liping, LIN Peng, YUAN Yongcai, GAO Chenglu, LU Wei. A model test on catastrophic evolution process of water inrush of a concealed karst cave filled with confined water[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39 (9): 3164-3173. DOI:10.16285/j.rsm. 2016.2808.

    [6]

    李术才, 许振浩, 黄鑫, 林鹏, 赵晓成, 张庆松, 杨磊, 张霄, 孙怀凤, 潘东东. 隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(5): 1041-1069. DOI:10.13722/j. cnki.jrme.2017.1332.

    LI Shucai, XU Zhenhao, HUANG Xin, LIN Peng, ZHAO Xiaocheng, ZHANG Qingsong, YANG Lei, ZHANG Xiao, SUN Huaifeng, PAN Dongdong. Classification, geological identification, hazard mode and typical case studies of hazard-causing structures for water and mud inrush in tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37 (5): 1041-1069. DOI:10.13722/j.cnki. jrme. 2017.1332.

    [7]

    李俊杰. 广清高速路段岩溶发育特征及分类研究[J]. 土工基础, 2018, 32(3): 289-292.

    LI Junjie. Characteristics of karstic rock cavity along the Guangzhou-Qingyuan expressway alignment[J]. Soil Engineering and Foundation, 2018, 32 (3): 289-292

    [8]

    刘超群, 彭红君. 隧道掌子面与溶洞安全距离分析[J]. 现代隧道技术, 2012, 49(3): 109-113. DOI:10.13807/j.cnki.mtt.2012.03.017.

    LIU Chaoqun, PENG Hongjun. Analysis of the safe distance between a tunnel face and karst cave[J]. Modern Tunnelling Technology, 2012, 49 (3): 109-113. DOI:10.13807/j.cnki.mtt.2012.03.017.

    [9]

    储汉东. 岩溶隧道突水机理及防突层安全厚度研究[D]. 北京: 中国地质大学, 2017.

    CHU Handong. Study on mechanism of water inrush and safety thickness of against-inrush layer in karst tunnel[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2017

    [10]

    邹洋, 彭立敏, 张智勇, 雷明锋, 彭龙, 施成华. 基于突变理论的岩溶隧道拱顶安全厚度分析与失稳预测[J]. 铁道科学与工程学报, 2021, 18(10): 2651-2659. DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20201075.

    ZOU Yang, PENG Limin, ZHANG Zhiyong, LEI Mingfeng, PENG long, SHI Chenghua. Safety thickness analysis and stability prediction of tunnel roof in karst region based on catastrophe theory[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2021, 18 (10): 2651-2659. DOI:10.19713/j.cnki. 43-1423/u.T20201075.

    [11]

    孙周. 基于强度理论的隐伏溶洞与隧道安全距离预测模型研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2018.

    SUN Zhou. Research on safety distance prediction model of hidden caverns and tunnel based on strength theory[D]. Changsha: Changsha University of technology, 2018

    [12]

    张桥. 小三峡岩溶隧道围岩防突层安全厚度有限元分析[J]. 中国岩溶, 2020, 39(4): 614-621.

    ZHANG Qiao. Finite element analysis on safety thickness of the inrush prevention layer inrock beds of the small Three Gorges karst tunnel[J]. Carsologica Sinica, 2020, 39 (4): 614-621

    [13]

    赖金星, 汪珂, 邱军领. 溶洞位置对隧道结构影响的数值模拟研究[J]. 公路, 2015, 60(8): 275-281.

    LAI Jinxing, WANG Ke, QIU Junling. Numerical simulation and research on the influence of different positions of concealed karst caves in tunnel structure[J]. Highway, 2015, 60 (8): 275-281

    [14]

    郭佳奇. 岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2011.

    GUO Jiaqi. Study on against-inrush thickness and waterburst mechanism of karst tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011

    [15]

    郭佳奇, 乔春生, 曹茜. 侧部高压富水溶腔与隧道间岩柱安全厚度的研究[J]. 现代隧道技术, 2010, 47(6): 10-16. DOI: 10.13807/j.cnki.mtt.201 0.06.003.

    GUO Jiaqi, QIAO Chunsheng, CAO Xi. Research on safe thickness of rock pillar between the tunnel and adjacent karst cave with pressurised water[J]. Modern Tunnel Technology, 2010, 47 (6): 10-16. DOI:10.13807/j.cnki. mtt. 2010.06.003.

    [16]

    陈禹成, 王朝阳, 郭明, 林鹏. 隐伏溶洞对隧道围岩稳定性影响规律及处治技术[J]. 山东大学学报(工学版), 2020, 50(5): 33-43.

    CHEN Yucheng, WANG Chaoyang, GUO Ming, LIN Peng. Influence of concealed karst cave on surrounding rock stability and its treatment technology[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2020, 50 (5): 33-43

    [17]

    师海, 白明洲, 许兆义, 田岗. 基于突变理论的岩溶隧道与隐伏溶洞安全距离分析[J]. 现代隧道技术, 2016, 53(4): 61-69. DOI:10.13807/j.cnki.mtt.201 6.04.009.

    SHI Hai, BAI Mingzhou, XU Zhaoyi, TIAN Gang. Analysis of the safe distance between a karst tunnel and a concealed karst cave based on catastrophe theory[J]. Modern Tunnel Technology, 2016, 53 (4): 61-69. DOI:10.13807/j.cnki. mtt. 2016.04.009.

    [18]

    刘扬, 林国庆, 苏秀婷, 陈健, 郑煜茜, 刘涛. 大直径盾构隧道与下伏溶洞安全距离[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(29): 12727-12734.

    LIU Yang, LIN Guoqing, SU Xiuting, CHEN Jian, ZHENG Yuqian, LIU Tao. Safety distance between large diameter shield tunnel and underlying karst cave[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21 (29): 12727-12734

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出版历程
收稿日期:  2022-12-26
刊出日期:  2023-12-25

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