蝦公山巖溶隧道施工穩(wěn)定性及加固措施研究

關(guān)鍵詞：巖溶隧道，圍巖穩(wěn)定性，溶洞位置，溶洞尺寸，超前管棚支護(hù)中圖分類號：U457+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.036文章編號：1673-4874（2025）03-0126-04

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程在山區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。然而，巖溶地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件使隧道施工面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在富水巖溶地層中，溶洞、裂隙等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在極易引發(fā)圍巖失穩(wěn)、突水及塌方等災(zāi)害[3]。這些地質(zhì)災(zāi)害不僅威脅施工人員的生命安全，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，顯著增加施工難度和成本。

針對巖溶地層中圍巖穩(wěn)定性的研究是確保隧道安全施工的重要環(huán)節(jié)之一。通過對圍巖穩(wěn)定性的分析，可以揭示巖溶隧道施工過程中不同地質(zhì)條件下圍巖的變形與應(yīng)力分布特征，為制定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)與加固措施提供理論依據(jù)[4-5]。目前，數(shù)值模擬技術(shù)在隧道圍巖穩(wěn)定性研究中得到廣泛應(yīng)用，尤其是對圍巖級別、溶洞方位與尺寸等參數(shù)的變化對隧道穩(wěn)定性的影響分析，具有顯著優(yōu)勢。此外，超前管棚支護(hù)作為巖溶隧道的重要加固措施，可以有效控制圍巖變形，提升施工安全性。

本研究以廣西某巖溶隧道為背景，通過建立三維數(shù)值模型，系統(tǒng)分析圍巖級別、溶洞位置與尺寸等因素對隧道拱頂沉降及圍巖穩(wěn)定性的影響，重點(diǎn)研究了超前管棚支護(hù)的加固效果。可為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1工程概況

蝦公山巖溶隧道位于宜州西過境線高速公路的關(guān)鍵路段，地處典型的喀斯特地貌區(qū)，區(qū)域內(nèi)巖溶地質(zhì)發(fā)育，隧道穿越多段復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造。該隧道為雙洞雙線設(shè)計(jì)，左線全長 2504m ，右線全長2 504m ，洞身最大埋深為 350m ，最小埋深為 12m ，是連接區(qū)域內(nèi)主要交通樞紐的重要通道。項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆谥械蜕角鹆甑孛矃^(qū)，地形總體由南向北傾斜，山嶺高度為 120～520m 。隧址區(qū)地表溝谷發(fā)育，多條河流與沖溝切割山體，形成多級階地，區(qū)域內(nèi)高程差異顯著。洞身大部分穿越坡地和沖溝，植被稀疏，部分山坡存在裸露基巖。隧址區(qū)局部巖層節(jié)理發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜，存在斷裂帶及裂隙水較發(fā)育的隱伏溶洞，地下水補(bǔ)給以大氣降水為主，巖溶水多沿灰?guī)r裂隙滲透，呈水平徑流和局部集中排泄形式。研究區(qū)域工程斷面如圖1所示。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，隧道右線 1×3+540 區(qū)域巖溶最為發(fā)育，存在多處隱伏溶洞，溶洞尺寸最大達(dá)20 m× 10m×8m ，局部溶腔充填泥質(zhì)夾層，穩(wěn)定性較差。此外，隧道大部分位于 IV～V 級圍巖段落，巖體破碎，易出現(xiàn)塌方、掉塊等現(xiàn)象。隧道洞身需穿越斷層破碎帶與富水溶洞，施工期間對圍巖支護(hù)與突水防控要求較高。

2圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

2.1數(shù)值模型的建立

為了研究巖溶隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性及加固措施的效果，基于實(shí)際地質(zhì)條件和工程參數(shù)，建立合理的三維數(shù)值模型是開展分析的關(guān)鍵。本文以宜州西過境線高速公路蝦公山巖溶隧道為研究對象，結(jié)合勘察資料，采用FLAC3D有限差分軟件建立溶洞-隧道耦合系統(tǒng)的三維數(shù)值模型，對圍巖變形特性和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行模擬分析。

模型尺寸根據(jù)隧道開挖對周邊圍巖的影響范圍確定，為避免邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的干擾，模型范圍在隧道開挖輪廓線的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展至3倍隧道直徑，模型整體尺寸為90 m×90m （長 × 高），沿縱向開挖深度為45 m 隧道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道形狀，直徑為 12m ，埋深為

30～50m ，并按照中隔墻預(yù)留開挖法（CRD法）模擬施工 過程中各階段的力學(xué)行為。隧道計(jì)算模型及監(jiān)測點(diǎn)布 設(shè)如圖2所示。

具體工況如表2所示，共進(jìn)行9組數(shù)值模型計(jì)算。

2.2計(jì)算參數(shù)及邊界條件

為了準(zhǔn)確模擬宜州西過境線高速公路蝦公山巖溶隧道的實(shí)際地質(zhì)條件，計(jì)算中所采用的參數(shù)基于區(qū)域勘察數(shù)據(jù)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，主要包括圍巖參數(shù)、支護(hù)材料參數(shù)，具體如表1所示。模型底部邊界采用固定約束，側(cè)邊界限制水平位移，上部邊界自由，以模擬地層實(shí)際受力狀態(tài)。

2.3計(jì)算工況設(shè)置

為全面分析巖溶隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性及其影響因素，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，計(jì)算工況主要從圍巖等級、溶洞位置距隧道的距離及溶洞尺寸三方面進(jìn)行設(shè)置。圍巖等級分別為Ⅲ級、V級、V級，模擬不同穩(wěn)定性巖體的力學(xué)響應(yīng)特性；溶洞位置分別設(shè)置在兩隧道中心處和距離中心上、下4m的位置上，以分析溶洞相對位置對圍巖變形和應(yīng)力分布的影響，具體如圖3所示；溶洞尺寸分別為4 .m，5m，6m ，代表不同規(guī)模溶洞的影響程度，

3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1圍巖級別的影響

工況 1^?～3^? 的拱頂沉降隨開挖施工的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，Ⅲ級圍巖的拱頂沉降量最小，總沉降量約為 14mm ，表明圍巖具有較好的完整性和較高的承載能力，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)有限的變形壓力。而V級圍巖的沉降量最大，總沉降量接近 35mm ，且增長速率較快，說明圍巖穩(wěn)定性極差，開挖施工對圍巖造成嚴(yán)重?cái)_動，支護(hù)系統(tǒng)的壓力和變形均達(dá)到顯著水平。本次對比分析表明，拱頂沉降量顯著受圍巖等級影響。Ⅲ級圍巖具備較好的穩(wěn)定性，支護(hù)需求較低；V級圍巖由于破碎性高、承載力低，施工擾動導(dǎo)致拱頂沉降顯著增加，支護(hù)設(shè)計(jì)與施工控制需重點(diǎn)關(guān)注；級圍巖處于兩者之間，需根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)靈活調(diào)整支護(hù)措施。

3.2溶洞位置的影響

不同溶洞位置（偏上 4m. 中間、偏下 4m 對拱頂沉降的影響如圖5所示。由圖5可知，工況 4^? 拱頂沉降量最大，總沉降量約為23. 42mm 。在開挖施工過程中，由于溶洞偏上位置的巖體對拱頂?shù)某休d能力減弱，導(dǎo)致應(yīng)力重分布更顯著，拱頂沉降幅度最大。工況 5^? 拱頂沉降量次之，總沉降量約為 22.47mm 。溶洞位于隧道中間時(shí)，隧道上下圍巖的支撐相對均勻，盡管沉降量較大，但比溶洞偏上的情況更可控。工況 6^? 拱頂沉降量最小，總沉降量約為21.99mm。因?yàn)槿芏次恢闷聲r(shí)，上部圍巖的完整性更強(qiáng)，使拱頂變形較小。

綜上所述，當(dāng)溶洞位置偏上時(shí)，由于溶洞對拱頂巖體直接削弱，圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致拱頂變形最大，穩(wěn)定性最差。溶洞偏下時(shí)，由于上部圍巖保持相對完整，拱頂沉降量最小，隧道整體穩(wěn)定性較好。溶洞位于隧道中間時(shí)，上下圍巖承載能力對稱分布，沉降量和穩(wěn)定性介于兩者之間。

3.3 溶洞尺寸的影響

不同溶洞尺寸對拱頂沉降的影響如圖6所示。由圖6可知，溶洞尺寸為4m（工況 7^? ）時(shí)拱頂沉降量最小，總沉降量約為14.12mm。在施工過程中，由于溶洞尺寸較小，對圍巖整體穩(wěn)定性的削弱作用有限，拱頂沉降相對較小。溶洞尺寸為6m（工況 9^? ）時(shí)拱頂沉降量最大，總沉降量約為19.18mm。溶洞尺寸進(jìn)一步增大，對圍巖支撐系統(tǒng)的破壞效應(yīng)顯著增強(qiáng)，引起沉降量大幅增加。

4巖溶隧道超前管棚支護(hù)方案研究

超前管棚支護(hù)作為一種有效的超前支護(hù)手段，通過設(shè)置鋼管形成保護(hù)傘狀結(jié)構(gòu)，提前對圍巖施加支撐力，可以有效控制施工擾動引起的圍巖變形和塌方風(fēng)險(xiǎn)。本次研究結(jié)合蝦公山巖溶隧道的地質(zhì)條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)了超前管棚支護(hù)方案。管棚長度為 45m ，直徑為 74mm ，縱向間距為35m，環(huán)向根數(shù)為32根，布設(shè)范圍為 120^° 。管棚計(jì)算參數(shù)如表3所示。

采用管棚加固后，拱頂沉降變化曲線如圖7所示。由圖7可知，超前管棚支護(hù)對巖溶隧道拱頂沉降的控制效果顯著。未支護(hù)條件下，拱頂最大沉降量為23. 33mm ，沉降增長速率較快，尤其在開挖步數(shù) 40～60 時(shí)，沉降量從2.07mm迅速增長至22.01mm，圍巖自穩(wěn)能力差且存在明顯的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；而采用超前管棚支護(hù)后，最大沉降量降至 3.48mm ，相比未支護(hù)條件減少了85. 08% 。此外，在支護(hù)作用下，沉降增長速率顯著降低，在快速增長階段，沉降量僅從0.28mm增長至2.96mm，增長速率減少了約 86% 。在趨于穩(wěn)定階段，超前支護(hù)進(jìn)一步顯現(xiàn)其對圍巖變形的控制作用，沉降波動幅度 lt;0.01mm 圍巖基本保持穩(wěn)定。綜合來看，超前管棚支護(hù)通過分散應(yīng)力和限制圍巖變形，有效降低了施工過程中拱頂沉降量和增長速率，顯著提升了隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。

分析表明，溶洞尺寸對拱頂沉降的影響具有明顯的分界點(diǎn)。當(dāng)溶洞尺寸 lt;5m 時(shí)，沉降量和增長速率相對較小，圍巖穩(wěn)定性較好；當(dāng)溶洞尺寸 gt;5 m后，沉降量顯著增大，增長速率加快，圍巖穩(wěn)定性明顯下降。因此，對于大尺寸溶洞區(qū)域的隧道施工，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施并實(shí)時(shí)監(jiān)測，以確保施工安全和圍巖穩(wěn)定。

5結(jié)語

本文根據(jù)宜州西過境線高速公路實(shí)際工程背景，通過對蝦公山巖溶隧道施工圍巖穩(wěn)定性及超前管棚支護(hù)效果的研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）圍巖級別越低（V級圍巖），拱頂沉降量和增長速率越大，圍巖穩(wěn)定性顯著下降，支護(hù)需求較高；高級圍巖（Ⅲ級圍巖）具有較好的穩(wěn)定性和承載能力，沉降量較小，變形易于控制。

（2）溶洞偏上位置對拱頂巖體的削弱作用最強(qiáng)，拱頂沉降量最大，圍巖穩(wěn)定性最差；溶洞位于隧道中間時(shí)，上下圍巖的承載能力相對均衡，變形適中；溶洞偏下位置時(shí)，由于上部圍巖完整性較強(qiáng)，拱頂沉降最小，隧道整體穩(wěn)定性較好。

（3）當(dāng)溶洞尺寸 lt;5 m時(shí)，對圍巖的削弱作用有限，拱頂沉降量和增長速率較小；當(dāng)溶洞尺寸 gt;5 m時(shí)，圍巖穩(wěn)定性顯著下降，拱頂沉降量和增長速率大幅增加。因此，大尺寸溶洞區(qū)域需采取加強(qiáng)支護(hù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測措施。

（4）超前管棚支護(hù)通過形成傘狀加固結(jié)構(gòu)，有效分散圍巖應(yīng)力并限制變形，顯著降低了施工過程中的拱頂沉降量和增長速率。研究表明，超前管棚支護(hù)使拱頂最大沉降量減少了約85. 08% ，增長速率降低了約 86% ，并使圍巖變形在趨于穩(wěn)定階段波動幅度 lt;0.01mm ，大幅提升了隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。

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收稿日期：2024-12-12