巖溶隧道超前加固方案比選

方智淳 朱正國，2 馬超義 王仁遠(yuǎn)

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.河北省金屬礦山安全高效開采技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043）

長大深埋隧道在修建過程中可能會(huì)遇到巖溶、巖爆、高地應(yīng)力、軟弱破碎帶、突泥突水等諸多地質(zhì)災(zāi)害［1］。其中，突泥突水是最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。泉州至南寧高速公路吉安至蓮花段永蓮隧道在修建過程中累計(jì)發(fā)生10余次突水突泥災(zāi)害，并且引發(fā)山頂?shù)乇硐孪荩瑸?zāi)害處治非常艱難。其主要原因是隧道穿越區(qū)域存在多個(gè)富水巖溶構(gòu)造，巖層較為破碎，受地下水侵蝕嚴(yán)重［2］。

近年來，模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算等技術(shù)的成熟使得巖溶隧道穩(wěn)定性研究得到快速發(fā)展。文獻(xiàn)［3］研究發(fā)現(xiàn)在高壓巖溶水的影響下裂隙不斷發(fā)展連通匯聚成線，逐漸形成完整的巖溶水流動(dòng)通道。文獻(xiàn)［4］研究在滲流作用下不同應(yīng)力狀態(tài)巖體裂隙的發(fā)展規(guī)律，并建立了滲透壓作用下壓剪巖石裂紋的軸向貫穿、巖橋剪切貫通斷裂破壞力學(xué)模型。文獻(xiàn)［5］通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測(cè)，得出隧頂溶腔大小和距離的變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［6］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究了巖溶區(qū)溶洞不同洞徑對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)［7-9］考慮溶洞單個(gè)因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體的影響，給出了溶洞與隧道之間安全距離和防突層厚度。巖溶區(qū)溶洞分布復(fù)雜多變，且填充型串珠狀溶洞還存在應(yīng)力疊加的問題，使得隧道施工過程中圍巖應(yīng)力分布更加復(fù)雜。

本文采用數(shù)值計(jì)算方法模擬分析隧道開挖過程中填充型串珠狀溶洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

新高坡隧道位于云南省鎮(zhèn)雄縣與貴州省畢節(jié)市交界處。隧址區(qū)絕對(duì)高程1 500～2 060 m，隧道進(jìn)、出口均位于溝谷陡坡地段。隧址區(qū)覆蓋層較薄，坡面植被發(fā)育。隧道穿越可溶巖地層長約2 082 m，占隧道全長的25.7%，正洞洞身Ⅴ級(jí)圍巖段長1 259 m。隧道左側(cè)4 m 存在直徑4 m、長6 m 填充型串珠狀溶洞。隧道采用三臺(tái)階法施工。

2 巖溶隧道超前加固方案優(yōu)化分析

2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

采用ANSYS 建立三維計(jì)算模型（圖1（a）），運(yùn)用FLAC 3D 對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。為減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，左右邊界距隧道中心線距離為5倍洞徑，底部邊界距隧道底部距離為5 倍洞徑。模型尺寸為90 m（x軸）×80 m（y軸）×100 m（z軸）。模型中隧道埋深50 m，隧道左側(cè)4 m 處存在直徑4 m、填充壓強(qiáng)1.0 MPa的溶洞，見圖1（b）。

圖1 整體模型及左側(cè)溶洞立體分布

圍巖按摩爾-庫侖理想彈塑性材料處理，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)為彈性材料。通過提高管棚、小導(dǎo)管加固范圍內(nèi)巖土體物理力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)支護(hù)效果。計(jì)算參數(shù)參照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］及《新高坡隧道地質(zhì)勘察報(bào)告》選取，詳見表1。

表1 圍巖、加固區(qū)及初期支護(hù)參數(shù)

選取隧道開挖斷面中部y=40 m 處作為監(jiān)測(cè)斷面，在斷面上拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳和仰拱布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 結(jié)果與分析

對(duì)小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿3 種超前加固方案進(jìn)行模擬分析，并與未加固時(shí)進(jìn)行對(duì)比。

1）隧道結(jié)構(gòu)水平位移

未加固與加固方案隧道結(jié)構(gòu)各部位最大水平位移對(duì)比見圖2?？芍孩俑鞣桨竿馏w最大水平位移都出現(xiàn)在左拱腰處，未加固、小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿方案左拱腰最大水平位移分別為81.69，72.74，58.69，46.25 mm，與未加固方案相比，各方案最大水平位移分別減少了10.96 %，28.16 %，43.38%，管棚+小導(dǎo)管注漿方案更有利于控制其水平位移。②各方案仰拱水平位移最小，拱頂次之。③管棚+小導(dǎo)管注漿方案下水平位移受影響最大的部位是拱頂，相較于未加固方案其值減少了61.92%。

圖2 未加固與加固方案隧道各部位最大水平位移對(duì)比

2）隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

未加固與加固方案隧道結(jié)構(gòu)各部位最大豎向位移對(duì)比見圖3?？芍孩? 種方案最大豎向位移均出現(xiàn)在拱頂。未加固、小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿方案拱頂最大豎向位移分別為98.88，87.33，67.84，50.96 mm，與未加固方案相比，各方案最大豎向位移分別減少了11.68 %，31.39 %，48.46 %。管棚+小導(dǎo)管注漿方案更有利于控制隧道豎向位移。②管棚+小導(dǎo)管注漿方案下豎向位移受影響最大的部位是仰拱，相較于未加固方案其值減少了50.38%。③方案一定時(shí)拱頂、左拱肩以及仰拱最大豎向位移相差不大，拱腳最大豎向位移最小、拱腰次之。

圖3 未加固與加固方案隧道結(jié)構(gòu)各部位最大豎向位移對(duì)比

3）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力

未加固與加固方案初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力對(duì)比見圖4。

圖4 未加固與加固方案初期支護(hù)所受壓應(yīng)力對(duì)比（單位：Pa）

由圖4可知：①4種方案初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位所受最大壓應(yīng)力由大到小排序依次為：拱肩＞拱腰＞拱頂＞拱腳＞仰拱，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在右拱肩。②與未加固時(shí)相比，小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿方案右拱肩所受最大壓應(yīng)力分別減少了5.37%，15.44%，23.13%；左拱肩最大壓應(yīng)力分別減少了2.25%，11.52%，23.16%。③管棚+小導(dǎo)管注漿方案最大壓應(yīng)力最小，左右拱肩最大壓應(yīng)力分別為12.61，13.59 MPa，小于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度（15.0 MPa）。從初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的角度考慮，應(yīng)采用管棚+小導(dǎo)管注漿方案。

3 超前加固方案實(shí)施效果

實(shí)際施工采用管棚+小導(dǎo)管注漿超前加固方案后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比見表2?？梢姡耗M值均小于現(xiàn)場實(shí)測(cè)值，但二者相對(duì)誤差在可接受范圍，說明管棚+小導(dǎo)管注漿方案現(xiàn)場施工效果良好。

表2 管棚+小導(dǎo)管注漿實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

4 結(jié)論

1）小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿3 種加固方案對(duì)減小隧道結(jié)構(gòu)水平位移都有一定的作用。各方案隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移均出現(xiàn)在左拱腰，管棚+小導(dǎo)管注漿方案最大水平位移最小，與未加固時(shí)相比其值減少了43.38%。

2）小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿3 種加固方案對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)豎向位移都有一定的作用。各方案隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移均出現(xiàn)在拱頂，管棚+小導(dǎo)管注漿方案控制豎向位移的效果最好，與未加固時(shí)相比其值減少了48.46%。

3）小導(dǎo)管注漿、管棚、管棚+小導(dǎo)管注漿3 種加固方案對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力均有一定改善作用。各方案最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在右拱肩，管棚+小導(dǎo)管注漿方案最大壓應(yīng)力最小，與未加固時(shí)相比其值減小了23.13%，且小于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)C30 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

從控制隧道洞周位移和確保支護(hù)結(jié)構(gòu)受力綜合考慮，最終選取管棚+小導(dǎo)管注漿綜合超前加固方案，現(xiàn)場施工效果良好。