隧道拱頂溶洞處治及溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響分析

曹勇

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司，湖南長沙410004)

1 巖溶概述

巖溶是指水對可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用與特征的綜合地質(zhì)作用，以及由此產(chǎn)生的現(xiàn)象統(tǒng)稱。其表現(xiàn)形態(tài)主要有兩個(gè)方面:①地表有石林、溶溝、溶槽、洼地、漏斗;②地下有溶洞、落水洞、塌陷和暗河等，見圖1。某高速公路大部分隧道處于華夏地質(zhì)構(gòu)造體系，圍巖以白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、粘土為主，巖溶發(fā)育，其主要特征是溶洞、溶槽、溶溝、裂隙、巖溶管道、巖溶水等均比較發(fā)育。在隧道施工過程中，碰到許多巖溶地質(zhì)災(zāi)害的問題，給隧道的施工帶來很大的困難。

圖1 巖溶現(xiàn)象圖

2 拱頂溶洞的處治

2.1 拱頂小型溶洞的處治

2.1.1 無充填物小型溶洞

如果在隧道拱頂發(fā)現(xiàn)小溶洞時(shí)(高度小于4 m)，且洞內(nèi)無充填物，應(yīng)先對洞穴四壁噴一層混凝土(厚10 cm左右)，并在溶洞內(nèi)施做錨桿，錨桿深入圍巖不小于1.0 m，間距1.2 m×1.2 m。在溶洞內(nèi)預(yù)埋泵送混凝土管道，在初期支護(hù)完成之后，采用水泥砂漿或C10混凝土回填密實(shí)，見圖2。

圖2 無填充物小型溶洞的處治

2.1.2 有填充物小型溶洞

若在隧道拱頂發(fā)現(xiàn)小型充填型溶洞，應(yīng)在溶洞段采取超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，超前小導(dǎo)管(長度為6 m)，注漿壓力為1.5 MPa，隧道初期支護(hù)要加強(qiáng)，鋼拱架間距為0.5 m/榀，見圖3。

2.1.3 隱伏型巖溶洞穴

在隧道開挖過程中隱伏溶洞并沒有暴露出來，但它對隧道結(jié)構(gòu)及后期運(yùn)行安全的穩(wěn)定帶來很大的隱患，常常會(huì)造成隧道襯砌開裂、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。如果隱伏溶洞在隧道開挖輪廓線6 m范圍內(nèi)，那么就應(yīng)對其進(jìn)行注漿回填的措施。

圖3 有填充物小型溶洞的處治

采用普通水泥砂漿，注漿終壓為1.0～1.5 MPa，水灰比為:W∶C=0．6∶1～0．8∶1。注漿管為Ф42 mm焊接鋼管，長度以隱伏巖溶深度為準(zhǔn)。見圖4。

圖4 隧道隱伏溶洞處治

2.2 拱頂大型溶洞的處治

2.2.1 無填充大型溶洞的處治

1)混凝土護(hù)拱法。

當(dāng)拱頂出現(xiàn)大型無充填物溶洞，且溶腔壁比較穩(wěn)定時(shí)，可采用混凝土護(hù)拱法通過，護(hù)拱厚度1.5～2.0 m，且要求護(hù)拱兩側(cè)嵌入巖石內(nèi)不小于0.5 m，并用錨桿鎖腳，錨桿深入圍巖不小于1.5 m，同時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)，施工時(shí)注意預(yù)埋Ф11 cm HDPE透水管并以Ω型排水管引出，如圖5所示。

2)長管棚法。

當(dāng)拱頂出現(xiàn)溶洞，溶腔圍巖不穩(wěn)定時(shí)，且溶洞高度大于20 m時(shí)，可考慮用長管棚通過。

具體處治方法為:①檢查地表，用彩布遮蓋溶洞所轄區(qū)域，并在溶洞周圍施做截水溝，以防雨水進(jìn)入溶洞。②施做Ф108 cm長管棚，環(huán)向間距40 cm，管棚長15～20 m。為防止溶洞壁掉塊砸傷施工人員，建議在管棚上放沙袋。③初期支護(hù)的噴射混凝土加厚，如圖6。

圖5 護(hù)拱法

圖6 長管棚法

2.2.2 有填充物大型溶洞的處治技術(shù)

大型填充型溶洞的處治，有地表注漿法、長管棚法、小導(dǎo)管法等方法。地表注漿法是在地表埋設(shè)注漿管并對溶洞進(jìn)行注漿;長管棚法一般是在溶洞充填物沒有自穩(wěn)能力的情況下使用，在隧道開挖之前沿溶洞方向施做Φ108 mm鋼花管并進(jìn)行注漿;而小導(dǎo)管法通常是在溶洞充填物有一定的自穩(wěn)能力的情況下使用，對充填物進(jìn)行注漿加固。

1)地表預(yù)注漿法(隧道埋深較淺)。

如果隧道埋深較淺，可以通過地表注漿對地層進(jìn)行加固，用普通水泥單液漿，注漿配比為:W∶C=0.6∶1～0.8∶1。進(jìn)行地表注漿時(shí)要注意漿液擴(kuò)散范圍，防止對隧道周邊的井泉、農(nóng)田造成污染。地表注漿的壓力一般控制在1.5～2.0 MPa。為了防止跑漿，在注漿范圍內(nèi)打一層厚度為15 cm的C20混凝土。注漿管外露1 m，間距1.5 m×1.5 m布置，長度應(yīng)具體情況而定(注漿管至少要伸入溶洞內(nèi))。另外，溶洞段隧道初期支護(hù)應(yīng)加強(qiáng)，鋼拱架間距為0.5 m/每榀，如圖7所示。

圖7 地表注漿法處治溶洞

2)超前大管棚預(yù)注漿法。

如果大型溶洞內(nèi)的充填物沒有自穩(wěn)能力，應(yīng)采取超前大管棚進(jìn)行支護(hù)并注漿，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5～8 m。大管棚直徑為Φ108 mm，外插角1°～3°，長度應(yīng)具體情況而定(至少要超過溶洞2 m)，環(huán)向間距0.3 m。對管棚進(jìn)行注漿，漿液為水泥單液漿，水灰比為:W∶C=0.6∶1～0.8∶1，注漿終壓為3.0～4.0 MPa。為了減小對圍巖的擾動(dòng)，隧道開挖方法為弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土上下臺(tái)階法。同時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)，且施工中注意預(yù)埋Φ 110 mm HPDE透水管并以Ω型排水管引出，如圖8所示。

圖8 長管棚法處治溶洞

3)超前小導(dǎo)管方案。

隧道拱部有大型充填型溶洞，且溶洞充填物有一定的自穩(wěn)能力時(shí)，采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)并注漿。隧道開挖后，采用Φ42 cm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向補(bǔ)漿，徑向注漿加固范圍為開挖輪廓線外3～6 m，施工中要預(yù)埋Φ11 cm HDPE透水管，如圖9所示。

圖9 小導(dǎo)管法處治溶洞

3 拱頂溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究

3.1 計(jì)算分析的內(nèi)容

計(jì)算分析包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:

1)溶洞大小的影響:溶洞簡化為圓柱，溶洞直徑用D表示，當(dāng)D分別為4、6、8、10 m時(shí)，分析不同直徑下拱頂溶洞對隧道圍巖應(yīng)力和位移的影響。

2)溶洞分布遠(yuǎn)近的影響:溶洞距拱頂距離用L表示，當(dāng)L分別為1、2、3、4、5、6、7、8 m時(shí)，分析拱頂溶洞對隧道圍巖應(yīng)力和位移的影響。

3.2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

以張花高速公路科洞隧道為例，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用摩爾—庫侖本構(gòu)關(guān)系，摩爾應(yīng)力圓見圖10，摩爾—庫倫準(zhǔn)則的形式為:

圖10 摩爾應(yīng)力圓

式中:τ為極限抗剪強(qiáng)度;C為巖土的粘結(jié)力;σn為受剪面上的法向應(yīng)力，以拉為正;φ為內(nèi)摩擦角;R是摩爾應(yīng)力圓半徑。

若以不變量σ、J2、θσ來表示摩爾—庫倫準(zhǔn)則，得到:

邊界條件為左右邊界水平(X向)位移固定、前后邊界縱向(Y向)位移固定、下邊界垂直位移固定。隧道開挖方法為弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土上下臺(tái)階法。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了拱頂溶洞尺寸對隧道圍巖位移、應(yīng)力的影響;拱頂溶洞離隧道的距離對隧道圍巖位移、應(yīng)力的影響，隧道圍巖參數(shù)見表1。

表1 圍巖參數(shù)表

3.3 隧道頂部巖溶對圍巖應(yīng)力、位移影響的數(shù)值分析

在數(shù)值計(jì)算中，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行建模，模型圖和劃分網(wǎng)格后的模型圖分別見圖11、圖12。

圖11 模型圖

3.3.1 隧道圍巖應(yīng)力分析

當(dāng)L不斷增加時(shí)，隧道圍巖豎向應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，取隧道周邊0.5 m厚的圍巖作為分析的對象，為了節(jié)約篇幅，只列出L=3、5 m時(shí)隧道圍巖豎向應(yīng)力等值線圖，見圖13和圖14。應(yīng)力為負(fù)時(shí)表明圍巖受壓，應(yīng)力為正時(shí)表明圍巖受拉。

圖12 網(wǎng)格模型圖

從圖13、圖14中可以看出隧道周邊圍巖豎向應(yīng)力的特點(diǎn)表現(xiàn)如下:

1)最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在隧道底部，最大壓應(yīng)力發(fā)生在隧道拱腳部位，最小壓應(yīng)力發(fā)生在隧道頂部，其值基本不發(fā)生變化，在0.2～0.25 MPa之間;當(dāng)L不斷增大時(shí)，最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力都有所減小;當(dāng)D增大時(shí)，情況類似。

2)隨著D的增大、L的減小，溶洞周圍應(yīng)力有明顯增大的趨勢，隧道和溶洞之間的巖層可能會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)，從而引起隧道塌方，所以當(dāng)D增大到一定的程度和L減小到一定的程度時(shí)，需要對溶洞進(jìn)行自身處理。

3.3.2 隧道周邊位移變化的分析

當(dāng)隧道頂部存在溶洞時(shí)，開挖后，隧道豎直方向位移云圖和位移矢量分別見圖15、圖16。

圖15 位移云圖(單位:mm)

圖16 位移矢量圖(單位:mm)

從圖15、圖16中可以看出隧道底部隆起，而隧道拱部下沉且位移最大。

在隧道中心斷面上布設(shè)4個(gè)特征點(diǎn)，如圖17所示，分析隧道拱頂溶洞D、L發(fā)生變化時(shí)對隧道圍巖周邊位移的影響。

圖17 隧道布設(shè)的特征點(diǎn)

對有溶洞時(shí)隧道開挖位移與無溶洞時(shí)隧道開挖的位移進(jìn)行對比，在隧道拱部沒有溶洞的情況下，隧道開挖后各特征點(diǎn)位移見表2。

表2 各特征點(diǎn)豎向位移表mm

當(dāng)隧道拱頂有溶洞存在時(shí)，隧道頂部溶洞D分別為2、4、6、8、10 m，L從1 m增加到8 m，隧道開挖后位移變化曲線如圖18所示。

圖18 開挖后各特征點(diǎn)的位移

從圖18可以看出，拱頂溶洞對隧道周邊圍巖位移的影響主要有以下幾個(gè)方面:

1)當(dāng)溶洞離隧道拱頂?shù)木嚯x超過5 m時(shí)，溶洞對隧道圍巖的影響就很小。

2)當(dāng)拱頂有溶洞分布時(shí)，拱腳點(diǎn)、隧道地面中心點(diǎn)在有溶洞分布時(shí)豎向位移小于無溶洞時(shí)隧道開挖時(shí)的位移;而隧道拱頂點(diǎn)、拱腰點(diǎn)豎向位移均大于無溶洞分布時(shí)隧道開挖的位移。

3)當(dāng)L不斷增大時(shí)，隧道拱腳、底部圍巖開挖豎向位移也增大;而隧道頂部、拱腰部位位移隨著L的增大而減小。當(dāng)D不斷增大時(shí)，隧道頂部位移、拱腰部位位移在減小;而拱腳位移、隧道底部位移卻隨D的增大而減小。

4 結(jié)束語

在巖溶地區(qū)進(jìn)行隧道的施工，必須堅(jiān)持"短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早閉合"的原則，且要加強(qiáng)監(jiān)控量測，從而避免安全事故的發(fā)生。對隧道拱頂溶洞的處治，要特別注意溶腔壁掉塊，以免砸傷施工人員，并結(jié)合具體情況，采用恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，倘若處理不?dāng)，則會(huì)給施工安全及隧道運(yùn)營帶來影響。拱頂溶洞離隧道的距離、溶洞的大小都會(huì)給隧道圍巖的穩(wěn)定帶來影響，拱腰以上圍巖豎向位移與L成反比，與D也成反比;隧道拱腳、隧道底部圍巖豎向位移與L成正比，與D成反比。隧道開挖最大壓應(yīng)力發(fā)生在拱腳部位，其值與D成反比，與L關(guān)系不大;而最大拉應(yīng)力發(fā)生在隧道底部，其值與D也成反比，與L成反比;最小壓應(yīng)力發(fā)生在隧道頂部，其值基本不變化。

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