大溶腔小跨度公路隧道溶洞處理方案研究

朱丹暉 聶 浩

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院,濟(jì)南 250022)

引言

我國中西部公路、鐵路山嶺隧道在修建過程中常面臨巖溶地質(zhì)災(zāi)害。 由于巖溶發(fā)育特征,溶洞具有不確定性、不規(guī)則性、復(fù)雜性等特點,導(dǎo)致隧道修建過程中突水、突泥風(fēng)險大幅增加,若處置不當(dāng),將嚴(yán)重影響隧道工程的穩(wěn)定性與安全性。

諸多學(xué)者對隧道穿越溶洞段的處治方案進(jìn)行研究。 崔炫等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)溶洞回填可有效抑制隧道圍巖變形[1];李元海等研究發(fā)現(xiàn),溶洞回填和注漿加固可有效降低圍巖位移和塑形區(qū)范圍[2];李雄周等提出在地表和隧道內(nèi)分別設(shè)置不同的加固措施來處治隧道巖溶發(fā)育段[3];李錕采用回填、橋跨和拱形防護(hù)等處治措施成功穿越巖灣隧道特大型溶洞段[4];王少輝等針對那丘隧道特大型溶洞段采用“承載樁基+縱橫框架梁板+鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)與回填的綜合處治方案,取得了良好的處治效果[5];曾蔚等采用大管棚超前支護(hù)與注漿加固結(jié)合的方法,解決了圓梁山隧道穿越高壓富水深埋充填粉細(xì)砂層溶洞問題[6];李勇亮采用主被動防護(hù)、防護(hù)棚架措施保證了營盤山隧道的安全施工,采用混凝土回填進(jìn)行溶洞處治取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會效益[7];聶信輝針對蘭花隧道巖溶發(fā)育段,采取預(yù)留過水通道及回填混凝土的處理方案成功通過巖溶發(fā)育段[8];羅文藝依托駝馬店隧道,系統(tǒng)總結(jié)了巖溶突涌水系統(tǒng)辨識的方法和技術(shù),為隧道襯砌設(shè)計提供參考[9];柴春陽等以麗香鐵路為背景,總結(jié)分析巖溶發(fā)育規(guī)律及對隧道工程的影響,為隧道設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[10]。 還有學(xué)者依托巖溶隧道工程實例通過理論計算、數(shù)值模擬等方法對巖溶隧道變形控制技術(shù)開展研究[11-13],并對襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[16-19]。

由于隧道與巖溶空間相對位置關(guān)系、巖溶空間形狀尺寸、巖溶范圍內(nèi)地下水賦存及滲流通道均有不同,溶洞處置方案較為復(fù)雜,仍需進(jìn)一步研究隧道穿越溶洞段的施工技術(shù)。 以貴州舒家?guī)r隧道為研究對象,利用工程類比法,綜合考慮地質(zhì)條件、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素,采用空腔回填、預(yù)留過水通道、隧拱+梁板的方式進(jìn)行巖溶區(qū)跨越,并利用數(shù)值模擬軟件分析隧拱結(jié)構(gòu)的受力特征及變形,以期為后續(xù)類似情況下隧道跨越巖溶段提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧址區(qū)位于貴州黔北高原地帶,場區(qū)屬巖溶-侵蝕地貌單元,采用雙向四車道高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計速度100 km/h,為分離式特長隧道,隧道主洞限界凈寬10.75 m,凈高5.0 m,隧道左右線凈距為13.9~17.6 m,隧道最大埋深363.3 m,隧道左線長3089 m,右線長3157 m。 隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),初期支護(hù)采用型鋼拱架+噴錨支護(hù),二次襯砌采用模筑混凝土結(jié)構(gòu),隧道典型斷面見圖1。

圖1 隧道襯砌典型斷面(單位:cm)

溶洞于隧道右線揭露,隧道左線并未揭露溶洞,溶洞揭露處隧道埋深46.4 m,圍巖為強(qiáng)-中風(fēng)化石灰?guī)r,巖質(zhì)較硬,地表為斜坡地形,坡度為15°~25°,地表植被較茂密,以灌木為主,地表未發(fā)現(xiàn)落水洞及巖溶通道等。

1.2 溶洞概況

隧道出口右洞上臺階進(jìn)洞142.2 m 時,里程為YK41+003.8,發(fā)現(xiàn)右側(cè)存在垂直巖溶通道,巖溶與隧道相交于YK41+002.5,夾角約20°,溶洞沿隧道縱向?qū)?.4~8.6 m,開挖面以下溶洞深20~35 m,開挖面以上洞高約12 m,溶洞橫向?qū)捈s22 m。 此處巖溶通道的1/5 位于線路內(nèi),其余處于線路外。

洞內(nèi)可見石筍、石鐘乳等,洞壁存在濕痕及水滴,洞底有其他溶洞或巖溶裂隙管道相連通,為其水流下滲通道。 溶洞處圍巖為中風(fēng)化石灰?guī)r,穩(wěn)定性較好。開挖斷面出露中風(fēng)化石灰?guī)r,青灰色,中厚層狀,局部薄層,節(jié)理較發(fā)育,巖層近水平發(fā)育,巖體較完整,掌子面較干燥,溶洞實景見圖2、圖3。

圖2 隧道前方溶洞情況

圖3 溶洞與隧道相對位置關(guān)系

溶洞相對穩(wěn)定,可通過人工探查、測量對顯露的溶洞進(jìn)行揭示。 在右線掌子面進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報及超前鉆探,在溶洞附近以及已開挖通過的左線隧道中利用地質(zhì)雷達(dá)、鉆探孔(深度≮5.0 m)等方法進(jìn)行探查,以探明周圍是否還有溶洞。 通過對探測資料的綜合分析,確定溶洞范圍,結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 溶洞規(guī)模橫斷面示意(單位:cm)

圖5 溶洞規(guī)模平面示意(單位:cm)

2 工程措施

2.1 工程方案

當(dāng)隧道施工遇到溶洞時,一般采取跨越、加固洞穴、引排、截流巖溶水、清除充填物、填充物加固、回填夯實、封閉地表塌陷、疏排地表水等綜合治理措施。

對于中大型溶洞,一般采用跨越處理方案。 對于發(fā)育形態(tài)各異和發(fā)育規(guī)模不等的溶洞,跨越結(jié)構(gòu)可采用橋梁、地基梁、管梁、涵洞等形式,對于縱向范圍較大的空溶洞,跨越結(jié)構(gòu)可采用多跨連續(xù)梁或多跨簡支梁結(jié)構(gòu)。

溶洞處置原則是防止溶洞坍塌對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,并保持溶洞內(nèi)既有的水力聯(lián)系通道的暢通。 舒家?guī)r隧道右線YK41+003.8 處溶洞已穩(wěn)定,洞內(nèi)無明顯流水,僅有少量滲漏水,但不排除雨季滲漏水加大的情況;周邊巖體相對較好,綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素,采用隧拱+梁板跨越、空腔回填、預(yù)留過水通道的方案,溶洞沿隧道軸向跨度相對較小,隧道基礎(chǔ)部位設(shè)置縱梁跨越溶洞,縱梁和隧拱共同承擔(dān)回填混凝土及地層壓力,梁板承擔(dān)車輛荷載,處理措施見圖6、圖7。

圖6 溶洞處理橫斷面(單位:cm)

圖7 溶洞處理縱斷面 (單位:cm)

2.2 處理措施

(1)隧道結(jié)構(gòu)下應(yīng)回填密實,隧道底縱梁下3 m及兩側(cè)開挖外輪廓兩側(cè)2 m 采用C20 混凝土回填,回填混凝土層下3.0 m 范圍內(nèi),回填碎石料粒徑不宜大于150 mm,碎石料回填層孔隙率不應(yīng)大于23%,確保不會出現(xiàn)塌陷、不均勻沉降等情況。

(2)為避免溶腔頂部落石對隧道結(jié)構(gòu)形成沖擊荷載,于隧道兩側(cè)及頂部位置采用分次泵送C20 混凝土回填,并于混凝土上鋪設(shè)1.0 m 厚緩沖層。

(3)為避免后期回填洞渣由于溶蝕、回填密實度不足等原因?qū)е鲁两?使得隧道兩側(cè)回填混凝土重量作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu),嚴(yán)重危害隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全,隧道兩側(cè)混凝土分次泵送,且在隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置外傾1:0.1 木模板,于模板內(nèi)側(cè)設(shè)雙層防水板,可形成有效滑動面,結(jié)構(gòu)受力較為明確,有利于結(jié)構(gòu)安全。

(4)為構(gòu)造有效過水通道,于回填頂面預(yù)埋斜向排水管(?100 mm),沿隧道軸向間距3.0 m 設(shè)置,斜向排水管與隧道環(huán)向、橫向排水盲管相連。 并于隧道縱向下預(yù)埋?300 mm 過水通道,過水管沿隧道軸向間距3.0 m 設(shè)置。

(5)隧拱初期支護(hù)采用型鋼拱架,間距60 cm,二次襯砌采用50 cm 厚C35 模筑混凝土,二襯主筋為?20 mm 三級鋼,間距20 cm。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

為驗證溶洞段隧道支護(hù)方式及參數(shù)的安全合理,對溶洞段隧道襯砌進(jìn)行三維計算分析。 依據(jù)溶洞段隧道襯砌施作順序進(jìn)行模擬,依次為溶洞底部洞渣回填,隧道兩側(cè)模板外混凝土回填,隧道初期支護(hù)及背后混凝土回填,底縱梁及二次襯砌施作,梁板施作。

由于回填洞渣后期可能存在進(jìn)一步溶蝕、回填密實度不足等原因,計算不考慮洞渣支撐作用,僅計算底縱梁支撐作用下襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及安全性。

3.2 模型建立

將回填混凝土按圍巖考慮,假定圍巖為連續(xù)性介質(zhì),在不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的情況下進(jìn)行模型建立,圍巖采用M-C 模型,復(fù)合式襯砌分別采用shell 單元與實體單位進(jìn)行模擬。

隧道跨越溶洞范圍內(nèi)沿軸向設(shè)置兩道變形縫,模型尺寸為90 m×80 m×16.1 m(X×Y×Z),隧道相對位置關(guān)系及開挖支護(hù)模型見圖8、圖9。

圖8 隧道與溶洞相對位置關(guān)系模型(單位:m)

圖9 隧道開挖支護(hù)模型

溶洞段隧道埋深46.4 m,模型上部不進(jìn)行約束,四周及底部采用位移約束。

隧道初期支護(hù)中,假定鋼拱架與噴射混凝土變形協(xié)調(diào),從而對鋼拱架與初期支護(hù)進(jìn)行剛度等效,有

式中,E0為C20 噴射混凝土的彈性模量;Eg為鋼拱架鋼材的彈性模量;Ac與Ag分別為初期支護(hù)橫截面中噴射混凝土與鋼拱架的截面面積。 等效后剛度與計算所用參數(shù)見表1。

表1 隧道開挖支護(hù)模擬參數(shù)

3.3 模型過程

(1)溶洞模擬

隧道施工前溶洞已穩(wěn)定,利用Null 模型進(jìn)行模擬開挖。

(2)隧道施工模擬

依據(jù)實際施工順序,首先進(jìn)行洞渣回填模擬,即臨時恢復(fù)隧道結(jié)構(gòu)下模型單元,然后利用實體單位模擬回填混凝土,利用shell 結(jié)構(gòu)單位模擬隧道初支,利用實體單元模擬底縱梁及二襯結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)模擬完成后,將隧道下方洞渣利用null 模型清除,不考慮洞渣支撐作用,進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)計算分析。

3.4 計算結(jié)果與分析

(1)位移分析

沿隧道開挖方向,對襯砌施作后隧道拱頂、拱腰位移及縱梁位移進(jìn)行監(jiān)測,分析拱頂及縱梁的豎向位移及拱腰的水平位移,計算結(jié)果見圖10~圖13。

圖10 隧道施作后襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位:m)

圖11 沿隧道軸向拱頂豎向位移曲線

圖12 沿隧道軸向拱腰水平位移曲線

圖13 沿隧道軸向縱梁豎向位移曲線

隧道襯砌支護(hù)后豎向變形及水平收斂較小,拱頂二次襯砌最大沉降量為0.58 mm,縱梁最大豎向沉降量為0.76 mm,拱腰水平位移較小,僅為0.07 mm。

(2)應(yīng)力分析

依據(jù)應(yīng)力計算云圖,縱梁支點位置縱梁及隧道襯砌結(jié)構(gòu)位置存在壓應(yīng)力集中,縱梁中心位置存在拉應(yīng)力集中,見圖14~圖16。

圖14 二襯結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖15 二襯結(jié)構(gòu)X 向水平向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖16 二襯結(jié)構(gòu)Y 向水平向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

依據(jù)應(yīng)力云圖,隧道襯砌及縱梁支點位置壓應(yīng)力最大為4.21 MPa,縱梁中心位置拉應(yīng)力最大為0.43 MPa,小于混凝土結(jié)構(gòu)抗壓及抗拉強(qiáng)度。

(3)圍巖變形分析

為分析隧道施工過程圍巖的穩(wěn)定性,對隧道拱頂(原溶洞頂部)沿隧道軸向中心位置圍巖設(shè)置監(jiān)測點,監(jiān)測施工過程圍巖豎向變形,計算結(jié)果見圖17。

圖17 隧道拱頂圍巖隨施工工序豎向位移變化曲線

4 方案應(yīng)用

針對溶洞體積大,但沿隧道軸向跨度相對較小,且隧道襯砌位于溶腔上部的情況,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式進(jìn)行巖溶區(qū)跨越方案較為合理,通過工程類比與數(shù)值模擬計算綜合分析,確定為本項目溶洞跨越最終方案。 目前,該段溶洞處理已完成,對隧道進(jìn)行監(jiān)測,于溶洞處置中心位置設(shè)置一組監(jiān)測斷面,具體監(jiān)測點及監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖18~圖21。

圖18 觀測點布設(shè)示意(單位:cm)

圖19 隧道累積豎向沉降監(jiān)測

圖20 隧道累積拱腰水平收斂監(jiān)測

圖21 縱梁累積豎向沉降監(jiān)測

洞內(nèi)變形監(jiān)測結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)各部位變形值非常小,隧洞拱頂與縱梁幾乎無豎向位移,隧道水平收斂無位移,隧道處于穩(wěn)定狀態(tài),隧道二襯表面無滲水現(xiàn)象,處置方案基本合理。

5 結(jié)論及建議

(1)經(jīng)數(shù)值計算分析,隧道襯砌施作后,縱梁最大沉降量為0.76 mm,隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.58 mm,隧道水平收斂最大為0.07 mm。

(2)隧道跨越溶洞段襯砌施作后,縱梁支點位置處存在壓應(yīng)力集中,最大壓力應(yīng)力為4.21 MPa,縱梁中心位置存在拉應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力為0.43 MPa,均小于結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度。

(3)針對溶洞體積大,但沿隧道軸向跨度相對較小,且隧道襯砌位于溶腔上部的情況,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式較為合理。

(4)溶洞處理應(yīng)綜合考慮溶洞規(guī)模、溶腔大小與隧道相對位置關(guān)系,結(jié)合溶洞段水文地質(zhì)條件,合理疏導(dǎo)地下水,綜合確定隧道襯砌及防排水措施。