淺埋巖溶隧道變形施工安全控制研究

陸光福

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)修建了越來越多的隧道，遇到的不良地質(zhì)條件也越來越多。當(dāng)前，面對(duì)巖溶地區(qū)淺埋隧道圍巖在施工時(shí)的變形缺乏行之有效的控制方法[1]。當(dāng)有巖溶洞存在于隧道圍巖中時(shí)，不僅會(huì)使圍巖強(qiáng)度有所降低，還會(huì)導(dǎo)致滲透水壓力有所上升[2]，給隧道施工造成較大的安全隱患[3]。一般情況下，巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性均被看作強(qiáng)度問題，因此在巖溶隧道施工時(shí)，需通過數(shù)值模擬的方法建立模型，以分析各種施工條件下圍巖的變形情況，確保隧道施工安全。

1 工程概況

偏坡寨隧道位于貴州省金沙縣長(zhǎng)壩鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)為兩條分離式隧道，設(shè)計(jì)速度為100km/h。隧道最大埋深104.2m，進(jìn)口端洞門形式均為直削式，出口端洞門形式均為端墻式，建筑限界為14.5m×5m。左線ZK83+065～ZK84+760 段縱坡為1.66%，右線YK83+055～YK84+745 段縱坡為1.68%。隧道穿越可溶巖地層，巖溶強(qiáng)發(fā)育，施工開挖揭露隱伏巖溶易產(chǎn)生涌水、突泥現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，做好相關(guān)措施及應(yīng)急預(yù)案，確保隧道及施工安全。且場(chǎng)區(qū)地表分布較多的地表溶洞、巖溶洼地、巖溶泉點(diǎn)，物探巖溶異常，鉆探揭露巖溶情況，綜合判定場(chǎng)區(qū)為巖溶強(qiáng)發(fā)育。

2 施工分析

2.1 溶洞填充對(duì)隧道變形控制分析

圖1 隧道施工方案

結(jié)合現(xiàn)有的巖溶治理技術(shù)以及該隧道的地質(zhì)性質(zhì)，通過混凝土注漿的方式對(duì)溶洞進(jìn)行填充。該種施工技術(shù)有較為簡(jiǎn)單的工藝，且有明顯效果。但當(dāng)前還存在一些不足：因溶洞較為隱蔽，且受限于注漿技術(shù)，在項(xiàng)目施工時(shí)容易有不充分注漿或注漿過量的情況出現(xiàn)，不充分注漿會(huì)導(dǎo)致塌陷等工程事故出現(xiàn)，注漿過量又會(huì)導(dǎo)致施工成本有所增加，甚至?xí)哟笫┕るy度。簡(jiǎn)化隧道的溶洞模型：在隧道底部約3m 的位置有溶洞存在，尺寸約有8m 的跨度。隧道施工步驟如圖1 所示。通過模擬，對(duì)隧道30m 深度的截面圍巖和支護(hù)變形與受力情況進(jìn)行分析。

（1）圍巖變形分析

隧道位移在溶洞不同填充程度下有基本一致的變化情況，在0.25 到0.75 的填充程度下，隧道拱頂沉降和底部隆起均有所降低，在0.75 到1.00 的填充程度下，在總變形中，隧道拱頂約有28%的占比，隧道底部約有65%的占比，對(duì)比開挖時(shí)的變形量可知注漿的完整性非常重要，此外為確保隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定應(yīng)采取超前加固措施。對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析可知，隧道的水平收斂值隨著不斷增大的填充程度而不斷減小，但變形量?jī)H為0.3mm，表明對(duì)于隧道的圍巖水平位移而言，通過注漿的方式對(duì)隧道底部溶洞進(jìn)行填充能夠發(fā)揮控制作用，但影響較小。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

從模擬結(jié)果可知，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在填充程度不同的情況下有相似的受力，隧道的最大主應(yīng)力值隨著填充程度的不斷增加而有所增長(zhǎng)，和施工時(shí)的變形情況基本一致。從初期支護(hù)受力情況上看，應(yīng)施加一定預(yù)防措施，以確保結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.2 圍巖加固對(duì)淺埋隧道變形控制對(duì)比分析

（1）拱頂沉降

對(duì)于隧道的拱頂下沉而言，不同的支護(hù)方式會(huì)產(chǎn)生不同的影響。隧道拱頂在各支護(hù)方式下有基本一致的沉降趨勢(shì)，但對(duì)于拱頂下沉而言，不同支護(hù)方式下的控制效果也有所不同。采用超前小導(dǎo)管以及大管棚進(jìn)行支護(hù)能夠使隧道施工時(shí)拱頂沉降和突變均有所減小。

（2）地表沉降

從控制地表沉降的角度上看，支護(hù)方式對(duì)其有重要影響。隧道施工到隧道中線20mm 的位置時(shí)對(duì)地表有最大的影響，約有2mm 的沉降值，在20m 的范圍之外時(shí)，地表沉降均在2mm以內(nèi)，僅有較小的影響。

（3）水平收斂

隧道拱腰在不同支護(hù)方式中有不同的最終收斂值，在無超前支護(hù)時(shí)該值為7.6mm，在超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)該值為7.05mm，在超前大管棚支護(hù)時(shí)該值為5.35mm，相比于超前小導(dǎo)管，采用超前大管棚的方式進(jìn)行支護(hù)時(shí)對(duì)拱腰變形的抑制效果約為其四倍多。在具體施工時(shí)可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合理確定支護(hù)方式，確保有經(jīng)濟(jì)合理的施工進(jìn)度。

（4）應(yīng)力分析

隨著不斷增加的支護(hù)強(qiáng)度，初期支護(hù)可承受的最大主應(yīng)力不斷降低。在無初期支護(hù)的條件下施工時(shí)約有3.13MPa 的最大主應(yīng)力，比C30 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度要大，且該應(yīng)力處于隧道的右拱頂處，超出規(guī)范要求。對(duì)于初期支護(hù)而言，施加小導(dǎo)管支護(hù)可使其應(yīng)力得到約70%的降低，約有0.93MPa 的應(yīng)力值，使拱頂初期支護(hù)應(yīng)力得到有效降低，使初期支護(hù)可有效承受。隧道應(yīng)力值施加超前大管棚支護(hù)的條件下約有82%的減小，對(duì)于初期支護(hù)上的應(yīng)力而言，不同的支護(hù)方式下有基本相似的變化情況。建議在該隧道施工時(shí)，通過小導(dǎo)管支護(hù)的方式加固圍巖。

2.3 循環(huán)進(jìn)尺對(duì)地形變化控制對(duì)比分析

對(duì)于工程工期以及施工質(zhì)量而言，循環(huán)進(jìn)尺有重要意義。本文對(duì)隧道位移和應(yīng)力在不同循環(huán)進(jìn)尺條件下的變化情況進(jìn)行分析，探討在30cm 初期支護(hù)厚度和15GPa 彈性模量的條件下，不同循環(huán)進(jìn)尺所產(chǎn)生的影響。

（1）施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)拱頂沉降

對(duì)于隧道的拱頂變形而言，開挖進(jìn)尺對(duì)其有重要的控制作用，通過完工后隧道拱頂沉降的趨勢(shì)進(jìn)行分析可知，在完成初期支護(hù)施工后，隨著不斷向前的掌子面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)有基本一致的變化情況，導(dǎo)致在具體施工時(shí)，開挖進(jìn)尺是否合理對(duì)變形控制效果有較大的影響。

（2）水平收斂

隧道模型拱腰水平收斂的情況，所得結(jié)果如表1 所示。

表1 不同循環(huán)進(jìn)尺拱腰水平收斂值（單位：mm）

隧道拱腰收斂值在開挖進(jìn)尺不同的情況下有著比拱頂更小的數(shù)值，并且水平收斂隨著不斷增加的開挖進(jìn)尺表現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，1.0m 和1.5m 的循環(huán)進(jìn)尺條件下，比起0.5m 的循環(huán)進(jìn)尺有著更大的水平收斂，總體上，拱腰收斂受開挖進(jìn)尺的影響較小。

（3）應(yīng)力變化

拱頂和拱腰是初期支護(hù)最大主應(yīng)力所出現(xiàn)的位置。初期支護(hù)最大主應(yīng)力在開挖進(jìn)尺不同時(shí)的變化情況如表2 所示。

表2 不同循環(huán)進(jìn)尺隧道最大主應(yīng)力表（單位：kPa）

初期支護(hù)拱頂在越大的循環(huán)進(jìn)尺條件下，需要承受越大的最大主應(yīng)力，拱腰則越小。隨著不斷增加的循環(huán)進(jìn)尺拱頂支護(hù)的最大主應(yīng)力也在不斷增加，在較大的循環(huán)進(jìn)尺下，初期支護(hù)所產(chǎn)生的最大主應(yīng)力已經(jīng)在軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之上，有破壞產(chǎn)生。因此建議以1.0m 作為隧道的循環(huán)進(jìn)尺。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析，所得結(jié)論為：

（1）在溶洞全填充的情況下有著更好的控制效果，且填充底部溶洞主要是控制隧道的豎向位移。隧道填充難免會(huì)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此為確保施工安全，需施加超前支護(hù)措施。

（2）超前小導(dǎo)管和大管棚的支護(hù)方式能夠?qū)鷰r變形起到很好的控制作用，且對(duì)于隧道拱頂有更為明顯的控制作用，能夠有效降低隧道沉降值，對(duì)隧道初期支護(hù)受力進(jìn)行有效的改善，確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）采用CRD 法進(jìn)行巖溶區(qū)隧道的施工時(shí)，隨著不斷增加的循環(huán)進(jìn)尺圍巖的變形也在不斷增加，基于安全的角度進(jìn)行考慮，建議選擇以1.0m 作為循環(huán)進(jìn)尺。