巖溶洞穴對(duì)富水軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性影響分析及處治技術(shù)

李軍庫(kù)

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，天津300133）

0 引言

巖溶是山區(qū)隧道修建過(guò)程中經(jīng)常遇見的地貌之一，在我國(guó)西南部地區(qū)分布十分廣泛。在修建交通隧道時(shí)常常需要穿越巖溶區(qū)段，其中的溶洞會(huì)給隧道開挖過(guò)程帶來(lái)極大安全隱患，其風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在涌水、突泥等方面，隧道與溶洞間巖體的穩(wěn)定性給施工人員帶來(lái)潛在人身安全威脅和財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)。因此研究溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響并為實(shí)際工程提供理論支持顯得尤為迫切[1-2]。

靳航[3]研究了溶洞大小和所處位置對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。吳雷雷[4]通過(guò)研究表明當(dāng)隧道底部存在溶洞時(shí)，隧道與溶洞間的巖體形成應(yīng)力釋放區(qū)，拱腰周圍巖體形成應(yīng)力增高區(qū)。凌同華[5]研究了隧道底部存在溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。李長(zhǎng)春[6]研究了隧道拱部存在不同直徑溶洞的圍巖穩(wěn)定性。李元海[7]以武廣客運(yùn)專線大瑤山隧道為工程背景，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬分析了不同隧道與溶洞間距對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。李衛(wèi)紅[8]研究了溶洞所處方位、形態(tài)大小和與隧道間距對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。楊為民[9]以尚家灣隧道為工程背景，研究了大型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。劉書斌[10]以重慶雙碑隧道為工程背景，研究了溶洞對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響。桂鉻[11]等提出了主洞洞身開挖與初期支護(hù)施工技術(shù)，并運(yùn)用FLAC3D對(duì)特殊斷面的開挖施工進(jìn)行模擬，通過(guò)分析圍巖位移與結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)巖溶整體結(jié)構(gòu)開挖與支護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。方健[12]采用超前帷幕注漿的方法處治了溶洞。何佩軍[13]針對(duì)大型溶洞采用釋能降壓的方案對(duì)溶洞進(jìn)行了治理。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)溶洞對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性影響及處治措施有了較為廣泛的研究，但對(duì)于具有溶洞的富水軟弱圍巖高速公路隧道施工領(lǐng)域，相關(guān)研究較少。本文以云南臨滄臨翔至清水河高速公路上的馬家寨隧道為研究對(duì)象，建立了不同工況的隧道溶洞模型，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出不同溶洞情況下的處治措施，為今后類似的實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

云南省臨清高速公路馬家寨隧道，右洞全長(zhǎng)2 603m，左洞全長(zhǎng)2 543m，左右洞間距約為36米，左洞最大埋深約486米，右洞最大埋深約517米。隧道場(chǎng)區(qū)下伏基巖為二疊系上統(tǒng)南坡河組粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖，石炭系上統(tǒng)魚塘寨組灰?guī)r，泥盆系中上統(tǒng)變質(zhì)石英中細(xì)粒砂巖夾千枚巖、板巖，根據(jù)巖體的風(fēng)化節(jié)理、裂隙發(fā)育特征、巖體破碎程度、軟硬程度、新鮮程度，將基巖分為強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層。隧道場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，前者水量較小，埋藏較淺，狀如上層滯水。地下水埋藏較深，基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)～中風(fēng)化層裂隙中，水量較小。

本項(xiàng)目隧道內(nèi)V級(jí)圍巖采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，CD法開挖，采用控制爆破（預(yù)裂、微震爆破）施工。開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.6m，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6～8m。CD法施工示意圖如圖1所示。

施工步驟為：開挖左上部-I，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)-1、2；開挖左下部-II，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)-3、4；開挖右上部-III，施作初期支護(hù)-5；開挖右下部-IV，施作初期支護(hù)-6；分段拆除臨時(shí)支護(hù)-2、4，澆筑仰拱混凝土-7；施作仰拱回填混凝土-8；鋪設(shè)防水層、澆筑襯砌-9；施作電纜溝和排水溝、路面工程-10。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型參數(shù)選取

2.1.1 圍巖參數(shù)

根據(jù)馬家寨隧道地質(zhì)勘查報(bào)告，研究溶洞區(qū)段隧道圍巖主要為V級(jí)，軟弱圍巖各參數(shù)的取值如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)

2.1.2 隧道主洞洞身支護(hù)參數(shù)

根據(jù)馬家寨隧道施工設(shè)計(jì)圖得知，噴射混凝土采用27cm厚的C25混凝土；鋼拱架采用I20a工字鋼，間距60cm；錨桿采用Φ25mm中空注漿錨桿；小導(dǎo)管采用Φ42mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.5m，搭接長(zhǎng)度2.7m。為簡(jiǎn)化模型，初期支護(hù)看作是噴射混凝土和鋼拱架的組合體。初期支護(hù)的等效彈性模量按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，E為組合體綜合彈性模量（MPa）；Ec為噴射混凝土的彈性模量（MPa）；Eg為鋼拱架的彈性模量（MPa）；Sg為鋼拱架的截面面積（m2）；Sc為噴射混凝土的截面面積（m2）。

超前小導(dǎo)管的等效彈性模量按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中，E0為超前小導(dǎo)管等效彈性模量（MPa）；E1為小導(dǎo)管管內(nèi)漿液彈性模量（MPa）；E2為小導(dǎo)管彈性模量（MPa）；I1為小導(dǎo)管管內(nèi)漿液慣性矩（m4）；I2為小導(dǎo)管慣性矩（m4）。

等效重度按照公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中，γ為小導(dǎo)管等效重度（kN·m-3）；γ1為小導(dǎo)管管內(nèi)漿液重度（kN·m-3）；γ2為小導(dǎo)管重度（kN·m-3）；A1為小導(dǎo)管管內(nèi)漿液截面面積（m2）；A2為小導(dǎo)管截面面積（m2）。

根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果并參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，隧道主洞洞身支護(hù)參數(shù)取值如表2所示。

表2 隧道主洞洞身支護(hù)參數(shù)

2.2 模型建立及邊界條件

采用Midas GTS NX軟件建立三維單元模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)圣維南原理，計(jì)算邊界應(yīng)取開挖洞徑的3～5倍，本文X軸水平方向兩邊各取約4倍的隧道洞徑，即距離中心點(diǎn)左右各取50m，Z軸豎直方向由隧道中心至上下邊界各取約40m，Y軸正方向開挖長(zhǎng)度取54m。模型左右邊界施加水平方向位移約束；模型下邊界施加法向位移約束；上邊界施加豎向均布荷載，以模擬計(jì)算邊界上方覆蓋巖層的自重；為了突出富水的特點(diǎn)，考慮水位并施加水壓力。建模時(shí)取最不利因素，不對(duì)二襯進(jìn)行模擬。隧道三維模型如圖2所示。

圖2 隧道三維模型

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)開挖情況發(fā)現(xiàn)，馬家寨隧道遇到的溶洞尺寸主要集中在2.0～8.0m范圍內(nèi)。本文計(jì)算中選取的溶洞位于隧道底部，與隧道凈距取3m，并將溶洞簡(jiǎn)化為球形研究，一共設(shè)置4種工況，溶洞的直徑分別為2.0m、5.0m以及8.0m，并與無(wú)溶洞工況進(jìn)行對(duì)比。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

隧道模型開挖長(zhǎng)度54m，溶洞位于隧道縱向中心位置，為了監(jiān)測(cè)隧道開挖過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性，選取隧道縱向27m處作為監(jiān)測(cè)斷面（如圖3）。

圖3 隧道監(jiān)測(cè)斷面示意圖

3.1 圍巖穩(wěn)定性分析

隧道洞周位移能夠反映出隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性，是隧道圍巖變形的一個(gè)重要指標(biāo)。在計(jì)算中，洞周位移主要包括拱頂下沉、仰拱隆起以及周邊位移，不同工況下的洞周位移如表3、圖4所示。

表3 隧道洞周位移

由表3可知，富水軟弱圍巖隧道底部出現(xiàn)溶洞對(duì)仰拱豎向位移的影響較大，對(duì)拱頂豎向位移和周邊水平位移的影響較小。底部溶洞對(duì)拱頂?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)為豎向沉降，而且沉降量隨著溶洞尺寸的增大而減小，在無(wú)溶洞工況下，拱頂下沉為26.46mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個(gè)工況的拱頂下沉分別為26.33mm、26.10mm和25.70mm，相比無(wú)溶洞工況分別減小了0.5%、1.4%和2.9%；底部溶洞對(duì)仰拱的影響主要表現(xiàn)為豎向隆起，而且位移值隨著溶洞尺寸的增大而增大，在無(wú)溶洞工況下，仰拱隆起為32.29mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個(gè)工況的仰拱隆起分別為33.15mm、34.51mm和35.61mm，相比無(wú)溶洞工況分別增大了2.7%、6.7%和10.3%；底部溶洞對(duì)隧道周邊的影響主要表現(xiàn)為水平收斂，在無(wú)溶洞工況下，周邊位移為12.52mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個(gè)工況的周邊位移分別為12.36mm、12.34mm和12.60mm。

圖4 圍巖豎向位移分布

由于隧道底部存在溶洞，相當(dāng)于增加了隧道的斷面高度，圍巖水平方向剛度減小，增強(qiáng)了隧道的拱效應(yīng)，因此隧道拱頂沉降隨著溶洞尺寸的增大而減小。仰拱處和溶洞間圍巖變形剛度被底部溶洞削弱，仰拱與溶洞間圍巖高度又明顯小于隧道斷面高度，因此仰拱隆起變形隨著溶洞尺寸增大而增大。隧道開挖后，隧道兩側(cè)產(chǎn)生向溶洞方向的變形趨勢(shì)，因此向隧道內(nèi)部收斂的位移略微減少，而溶洞較大時(shí)圍巖水平方向剛度進(jìn)一步降低，周邊位移與無(wú)溶洞工況相比增大。

由圖4可知，富水軟弱圍巖隧道底部溶洞的存在改變了圍巖豎向位移分布，隨著溶洞尺寸的增大，圍巖豎向位移等值線向隧道與溶洞間富水軟弱巖層內(nèi)集中的趨勢(shì)逐漸增加，增大了溶洞處周圍軟弱巖體的豎向位移，仰拱豎向位移增大。隧道上部富水軟弱圍巖向隧道內(nèi)收斂的趨勢(shì)逐漸減弱，拱頂沉降量減小。

3.2 圍巖塑性區(qū)分析

圍巖塑性區(qū)是顯示圍巖塑性變形范圍的一個(gè)重要指標(biāo)，確定圍巖塑性區(qū)的范圍對(duì)評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性非常重要。不同工況下的圍巖塑性區(qū)如圖5所示。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布

由圖5可知，富水軟弱圍巖隧道底部出現(xiàn)溶洞顯著改變了圍巖塑性區(qū)的分布。在無(wú)溶洞工況下，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在拱腰以及仰拱左右兩側(cè)處；當(dāng)隧道底部存在2.0m溶洞時(shí)，溶洞洞周出現(xiàn)塑性區(qū)，溶洞上側(cè)由于靠近隧道，且富水巖層較為軟弱，塑性區(qū)范圍相對(duì)于下側(cè)更大，隧道洞周靠近溶洞側(cè)的塑性區(qū)范圍增大，遠(yuǎn)離溶洞側(cè)的塑性區(qū)范圍基本沒(méi)有變化，仰拱處塑性區(qū)有向下延伸的趨勢(shì)；當(dāng)隧道底部存在5.0m溶洞時(shí)，溶洞洞周塑性區(qū)范圍進(jìn)一步增大，隧道底部與溶洞上側(cè)塑性區(qū)形成貫通，隧道左右兩側(cè)塑性區(qū)范圍基本沒(méi)有變化；當(dāng)隧道底部存在8.0m溶洞時(shí)，溶洞上側(cè)塑性區(qū)范圍增大，下側(cè)塑性區(qū)范圍逐漸減小，隧道左右兩側(cè)塑性區(qū)范圍略微減小。

通過(guò)分析得知，在富水軟弱圍巖條件下，隨著溶洞尺寸的增大，局部增大了隧道和溶洞之間夾層的塑性區(qū)范圍，對(duì)遠(yuǎn)離溶洞側(cè)塑性區(qū)范圍影響相對(duì)較小。當(dāng)隧道底部存在溶洞時(shí)，由于富水軟弱圍巖條件較差，隧道與溶洞間塑性區(qū)均形成貫通，隧道底部易向溶洞內(nèi)發(fā)生塌陷，因此要注意及時(shí)處治溶洞。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力是判斷圍巖穩(wěn)定和隧道安全的一個(gè)重要指標(biāo)，不同工況下各關(guān)鍵點(diǎn)最大主應(yīng)力見圖6、圖7。

圖6 各關(guān)鍵點(diǎn)最大主應(yīng)力

由圖6可知，在富水軟弱圍巖條件下，由于拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，因此該處壓應(yīng)力最大，仰拱處的圍巖最大主應(yīng)力相對(duì)較小，在施工開挖時(shí)應(yīng)更加注意對(duì)拱腳處富水軟弱圍巖的加固。隨著溶洞尺寸的增大，拱頂處圍巖最大主應(yīng)力由6.68MPa逐漸增加到6.72MPa；拱肩處圍巖最大主應(yīng)力由7.84MPa減小到7.8MPa；拱腰處圍巖最大主應(yīng)力由7.19MPa逐漸減小到6.87MPa；拱腳處圍巖最大主應(yīng)力由9.92MPa逐漸減小到9.60MPa；仰拱處圍巖最大主應(yīng)力由2.46MPa逐漸增加到3.01MPa。由此可見，當(dāng)富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞時(shí)，拱頂和拱肩處圍巖最大主應(yīng)力基本不變，可以忽略。對(duì)拱腰和拱腳處圍巖最大主應(yīng)力影響較小，對(duì)仰拱處圍巖最大主應(yīng)力影響相對(duì)較大。

隧道開挖后釋放了底部溶洞自身存在的集中應(yīng)力，導(dǎo)致拱腳處壓應(yīng)力降低。隧道底部溶洞削弱了仰拱與溶洞間圍巖的強(qiáng)度，隧道高度遠(yuǎn)大于仰拱與溶洞間圍巖厚度，因此仰拱處的圍巖變形隨壓應(yīng)力值變化幅度最大。

圖7 圍巖最大主應(yīng)力分布

由圖7可知，富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞顯著影響圍巖最大主應(yīng)力的分布，溶洞洞周圍巖最大主應(yīng)力相比無(wú)溶洞工況明顯增大，由于溶洞上側(cè)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道底部富水軟弱圍巖容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。整體圍巖的最大主應(yīng)力均呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，由此可以看出富水軟弱圍巖受力狀態(tài)良好，圍巖的成拱效應(yīng)得到了充分發(fā)揮。

圍巖變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力變化規(guī)律與文獻(xiàn)[14]基本相同，拱頂沉降隨溶洞尺寸增大而減?。谎龉柏Q向位移隨溶洞尺寸增大而增大；拱腳處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，其值隨溶洞尺寸增大而減?。谎龉疤帒?yīng)力隨溶洞尺寸增大而增大。驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的合理與準(zhǔn)確性。

4 溶洞處治方案與技術(shù)

隧道底部存在溶洞容易影響富水軟弱圍巖的整體穩(wěn)定性，因此在施工開挖前應(yīng)該采取必要的處治方案對(duì)溶洞進(jìn)行治理。本項(xiàng)目根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)際情況選擇相應(yīng)的溶洞處治方案，按照動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的原則進(jìn)行處治，溶洞處治動(dòng)態(tài)施工流程為：開挖后對(duì)圍巖地質(zhì)進(jìn)行觀察；發(fā)現(xiàn)溶洞后確定溶洞的形態(tài)、尺寸及空間位置；共同研究并確定處治方案；施工單位對(duì)溶洞進(jìn)行處治。

針對(duì)富水軟弱圍巖隧道底部溶洞尺寸小于2.0m的情況下，處治方案如圖8所示，采用C10片石混凝土回填，如果溶洞內(nèi)有充填物，則必須挖除后再進(jìn)行回填，每間隔2米安設(shè)一處DN110HDPE透水管相通。

針對(duì)富水軟弱圍巖隧道底部溶洞尺寸大于2.0m的情況下，處治方案如圖9所示,主要分兩種。當(dāng)溶洞發(fā)育相對(duì)較窄時(shí)采用方案一，其內(nèi)容是利用鋼筋混凝土梁跨越，梁高50～100cm，需要提前安設(shè)DN110HDPE透水管。當(dāng)溶洞發(fā)育相對(duì)較寬且隧道底部充填物無(wú)法換填處理時(shí)采用方案二，其內(nèi)容是利用樁基礎(chǔ)托梁跨越，在二襯邊墻腳下設(shè)置樁基礎(chǔ)，將樁端嵌入巖體內(nèi)承受荷載，防止隧道出現(xiàn)不均勻沉降，并設(shè)鋼筋混凝土梁跨越，需要提前安設(shè)DN110HDPE透水管。

圖8 小于2.0m溶洞處治方案

圖9 大于2.0m溶洞處治方案

5 結(jié)論

①富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞對(duì)仰拱的豎向位移影響最大，從32.29mm增加到35.61mm，增幅為10.3%，溶洞對(duì)拱頂?shù)呢Q向位移和周邊水平收斂影響相對(duì)較小，說(shuō)明在富水軟弱圍巖條件下，隧道底部與溶洞間的圍巖變形剛度較差，隧道施工時(shí)應(yīng)密切關(guān)注隧道底部的圍巖狀態(tài)，并采取相關(guān)的加固措施。

②富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞明顯影響了圍巖塑性區(qū)的分布，隨著溶洞尺寸增大，局部增大了隧道和溶洞間的塑性區(qū)范圍，對(duì)遠(yuǎn)離溶洞側(cè)的圍巖塑性區(qū)范圍無(wú)顯著影響。由于富水軟弱圍巖條件較差，各個(gè)工況的隧道與溶洞間塑性區(qū)均形成貫通，易導(dǎo)致隧道底部失穩(wěn)、塌陷，因此在隧道施工時(shí)需注意及時(shí)對(duì)溶洞采取處治措施。

③富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞顯著改變了圍巖最大主應(yīng)力的分布，圍巖最大壓應(yīng)力發(fā)生在拱腳處，其值從9.92MPa減小到9.60MPa，圍巖最小壓應(yīng)力發(fā)生在仰拱處，其值從2.46MPa增加到3.01MPa。由于溶洞與富水軟弱圍巖隧道底部間的圍巖厚度較薄，溶洞上側(cè)存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域的圍巖整體穩(wěn)定性較差，若不及時(shí)采取相關(guān)加固措施容易發(fā)生不良地質(zhì)災(zāi)害。

④根據(jù)溶洞的發(fā)育程度提出不同處治方案，按照動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的原則進(jìn)行處治，防止施工過(guò)程中出現(xiàn)巨大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。