基于复杂地质建模的高架结构下方双隧道穿越喀斯特溶洞的效应分析

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Effect analysis of twin tunnels crossing karst cavities beneath an elevated structure based on complex geological modeling

　　摘要：在喀斯特地区及地质条件复杂的区域，在现有基础设施下方进行隧道开挖面临着巨大的挑战，这主要是由于地质条件的不确定性以及施工活动带来的干扰。本研究提出了一种三维数值分析框架，该框架结合了精细的地质建模与开挖过程模拟，用于评估双盾构隧道施工过程中周边地面及上方结构的力学响应。研究采用耦合马尔可夫链方法构建地质模型，该方法能够提升空间连续性，并预测喀斯特空洞出现的概率。该地质模型被引入FLAC3D中，以模拟复杂地质条件下的隧道-结构相互作用。研究系统评估了包括隧道面前压力在内的关键施工参数的影响。结果表明，传统的水平分层假设可能会显著低估变形响应，尤其是在地层较弱或存在断裂的区域。降低面前压力可以有效减少地表沉降和结构风险。与现场监测数据的对比进一步证实，经过改进的地质模型和模拟框架大大提升了变形预测的准确性。这些研究结果强调了在数值模拟中充分考虑地质不确定性对于提高喀斯特地区、地层条件多变环境下的施工安全性及指导施工控制的重要性。

引言：随着交通基础设施和城市轨道交通项目的快速发展，在喀斯特发育地区进行隧道开挖已成为一项不可避免且极为重要的工程挑战（Li等人，2010年）。喀斯特地貌广泛分布于碳酸盐岩地区，通常表现为各种溶解构造，如洞穴、通道、溶隙以及地下空洞（Mozafari等人，2020年）。这类喀斯特结构具有明显的空间不连续性和高度隐蔽性，导致地质层内存在显著的异质性及突然的变化。因此，这些特征大大增加了隧道施工过程中的地质不确定性和风险（Jiang等人，2026年；Li和Wu，2019年；Mahmoudi和Rajabi，2023年；Xu等人，2025a年）。在实际施工过程中，喀斯特特征可能引发诸如周围岩石承载力局部减弱、应力重分布以及支撑系统承受异常载荷等问题（Cui等人，2015年；Zaheri和Ranjbarnia，2022年）。在极端情况下，这些问题可能导致结构不稳定和过度地表沉降，从而对施工安全及进度控制产生不利影响（Li和Li，2014年；Sun等人，2024年；Xu等人，2025b年）。

尽管近年来喀斯特建模技术取得了显著进展，推动了数字地质建模和数值模拟的发展，但在实际工程应用中仍存在诸多挑战。现有的大多数地质建模方法主要依赖于稀疏的钻孔数据以及简单的线性插值来生成二维地质模型（Chilès和Delfiner，2013年；Strebelle，2002年）。这种简化处理方式无法充分体现地质不确定性以及地质单元特征之间的突变情况，尤其是在喀斯特溶解构造复杂的区域，这类模型往往低估了地质不确定性对结构变形的影响（Li等人，2025年）。幸运的是，现已出现几种新的地质建模方法，能够更有效地描述复杂的地下状况（Chen等人，2023年；Gong等人，2020年；Jiang等人，2024年；Lyu等人，2024年；Yang等人，2023年）。其中，本研究采用的耦合马尔可夫链模型具备更好的能力，可用于捕捉地质不确定性以及喀斯特特征出现的概率。

然而，尽管有了这些进展，将此类基于数据驱动或机器学习的地层模拟与数值分析相结合仍然十分有限，因为所生成的模型往往缺乏有限元/有限差分计算所需的拓扑一致性和元素级连续性（Zhang等人，2021年）。因此，将地质模拟与数值网格直接关联仍然面临困难（Hu等人，2022年；Zhong等人，2021年）。此外，无论是通过传统插值方法还是新的生成方法得到的复杂地质模型，要将其映射到有限元/有限差分平台上也存在很大难度，因为在离散化不规则的3D边界以及指定地质属性时，灵活性不足，常常导致地层接触面、空洞几何形态以及弱夹层的简化或扭曲。因此，地质模型和数值模型往往是独立开发的，这就使得难以将复杂的地质信息完整地转化为力学分析结果（Huang等人，2024年；Wang等人，2025年）。地质几何模型与其力学表示之间的这些不一致性，最终限制了在高度异质的喀斯特环境中模拟结果的可靠性。

在喀斯特环境中，三维有限差分法和有限元法被广泛用于分析隧道与地层的相互作用，包括开挖引发的扰动、围岩变形以及支撑系统的响应，人们通常使用FLAC3D等软件来识别塑性区并研究与附近空洞相关的破坏机制（Ranjbarnia等人，2015年；Zaheri等人，2022年）。然而，现有研究大多集中在隧道肩部、反向坡或侧壁附近的空洞所引发的局部效应上（Pengtao等人，2026年；Wu等人，2022年），而隧道直接与空洞相交时的关键结构状况则研究得不够充分。大多数数值模型还通过假设地层均匀或呈水平分层，并将空洞仅仅视为空洞或含水较多的弱层，进一步简化了地质条件（Pan等人，2019年；Zhang等人，2024年），而没有考虑更现实的情况，即在实际隧道施工前空洞可能是被填充的。这样一来，就忽视了填充材料或加固材料在隧道与空洞相交时的重要力学作用，从而降低了模拟结果的可靠性和工程适用性。此外，在城市环境中，要在现有结构下方进行隧道施工，比如在高架桥基础下方采用双盾构法施工，就必须仔细考虑施工带来的地面扰动，因为即使是适度的变形也可能导致差异沉降，进而危及结构安全（Huang等人，2024年；Ng和Lu，2014年；Tian等人，2025年）。然而，目前的建模框架很少能够全面体现开挖工序、支撑系统响应、面稳定性控制、同步注浆以及复杂地质变化之间的相互作用。因此，传统的数值模拟很难真实再现隧道、地面与结构之间的相互作用，这在一定程度上降低了其在施工控制、方法比较以及早期风险预警方面的有效性。

为了解决这些问题，本文提出了一种集成的地质-数值建模框架，该框架将概率地质建模与三维力学分析相结合，从而实现更为真实的喀斯特结构建模以及精确的力学行为模拟。首先，采用耦合马尔可夫链方法构建三维地质模型，有效描述空间变异特征、层间过渡特征以及喀斯特分布的不确定性。随后，将该地质模型高效地映射到FLAC3D的网格系统中，在元素层面精确指定地质属性，从而确保几何与力学的一致性。基于这种方法，可以对隧道施工过程进行更为精细的数值模拟，研究填充后的空洞与结构之间的相互作用所产生的变形特征，以及这些特征对高架结构的影响。这些模拟结果通过与现场监测数据进行对比验证，为喀斯特地区的隧道设计、施工控制以及结构安全评估提供了有力的支持与理论依据。

部分内容摘录：

复杂地质条件下的模拟框架：为模拟在复杂地质条件下的隧道开挖过程，本研究建立了一个综合框架，该框架将地质建模、开挖力学以及数值网格整合在一起。该框架由三个主要部分组成：（1）利用耦合马尔可夫链进行概率地质建模；（2）对开挖引发的力学过程进行真实模拟；（3）进行地层到网格的映射，以确保地质解释与数值模拟之间的一致性。

隧道施工的复杂环境：为了准确评估在复杂地质和结构条件下的双盾构隧道的力学响应，有必要全面了解隧道施工所处的工程环境。研究区域存在着地层条件多变、可能存在喀斯特现象，以及隧道线路上方有高架交通结构等多种复杂因素，这些因素都带来了较大的不确定性。

桥墩沉降的验证：为进一步评估数值模拟的可靠性，在双隧道线路正上方的桥墩周围布置了结构监测点。在数值模型中，高架桥被简化处理，仅保留桥墩部分；因此，计算得到的桥墩顶部的位移可以合理地作为传递到桥面的变形的指标。这种方法使得可以直观地对比模拟得到的桥墩响应与实际情况。

桩基的响应分析：为进一步评估后续开挖可能带来的影响，本节研究了双隧道穿越完成后对桩基的影响。图13展示了双线隧道穿越作用下桥墩基础系统的位移分布情况。从沉降云图可以看出，桩基的变形具有明显的空间异性，最大的地面沉降和桥墩沉降出现在中部区域。

讨论与局限性：所提出的地质-数值框架能够更真实地反映喀斯特地层中的地层变异情况，研究表明，与传统的水平分层假设相比，地质异质性会显著放大开挖引发的变形以及结构响应。关于喀斯特隧道施工、双隧道开挖以及隧道-结构相互作用方面的类似问题，在以往的研究中也有大量探讨（Do等人，2022年；Elwood和……）

结论：本研究提出了一种集成建模框架，用于评估地质条件复杂且易发生喀斯特现象地区的隧道-结构相互作用。通过将概率地质建模与精细的施工阶段模拟相结合，该框架能够真实反映地下条件的变异情况以及开挖引发的力学行为。（1）建立了一种统一的地质-数值框架，并通过与现场监测数据的对比进行了验证。经过改进的耦合……

CRediT作者贡献声明：
Qi Hao Jiang：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，资金获取，概念构思。Tian Run Gao：可视化，软件应用，方法论。Dong Ming Zhang：写作——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。Zhong Qiang Liu：写作——审阅与编辑，监督，概念构思。Hong Wei Huang：写作——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了青年科学家计划（2021YFF0502200）、中国国家重点研发计划（2018YFB2101005）、国家自然科学基金（编号52478411）以及中国国家留学基金委（CSC）（202406260153）的大力支持。在此对各位资助方表示衷心的感谢。

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