隧道大型溶洞安全穩定性分析及綜合處理技術研究

王建軍

摘 要：本文結合呂臨鐵路車趕隧道，使用有限元ANSYS分析軟件及DP標準，實現了隧道的二維數值模擬分析，進而分析了隧道頂部溶洞的位置、規模對隧道應力及安全性的影響，并且對此類型溶洞中的綜合處理措施及技術進行了研究。通過實踐結果可以看出來，隧道頂部溶洞的距離和大小與隧道頂底板的應力具有一定的聯系，如果隧道頂部溶洞的距離和大小改變，那么頂底板的應力也會改變，并影響到溶洞頂板穩定性和施工安全，本文經過溶洞安全穩定性分析評價和施工技術合理選擇，制定的綜合處理技術是可行的。

關鍵詞：隧道大型溶洞；安全穩定性；綜合處理

巖溶地質在我國的分布較為廣泛，不少隧道都會穿越巖溶不良地質區域，在形成巖溶地質條件的過程中，還會出現沖蝕、侵蝕、坍塌及崩塌等一系列危險的地質現象，從而導致隧道在施工過程中出現涌水、巖溶突泥和地表坍塌等一系列的災害。那么，分析溶洞位置和大小對隧道安全性及穩定性的影響，通過合適的綜合處理技術解決問題，能夠提高隧道施工過程中的安全性，并且指導隧道巖溶地段的設計和施工具有重要的現實意義。

1工程概況

車趕隧道位于山西省呂梁市方山縣大武鎮與臨縣湍水頭鎮之間，隧道最大埋深293m，除出口段落因設置湍水頭車站設計1244m雙線隧道外，其余段落設計為單線。隧道進口里程為DK14+626，出口里程為DK26+444，全長11818m。隧道區位于山西臺地呂梁復背斜的次級構造王家會～王老婆山背斜東翼，近南北向構造較發育，隧址區巖溶發育。具體表現為波及全調查區的由褶皺和斷裂組成的NNE向構造帶。

2計算模型和模擬方案

2.1幾何模型和位移邊界條件

在施工過程中進行DK16+642段上臺階爆破開挖之后，上臺階拱腰左側揭示出大型溶洞，溶洞口長3.5m，寬1.5m，經此洞進去，實測前方溶洞縱向發育長度為90m，橫向發育寬度為40m，溶洞頂和底板之間的距離為3～13m，溶洞頂板為石灰巖，巖體完整，頂板可見多處沿節理裂隙方向發育的落水洞，其中分布危石，洞內總體無水，局部有少量滲水。因為在隧道開挖沒有進行永久襯砌時候的穩定性就會較低，那么，結合模型的使用并沒有充分考慮隧道的永久襯砌。隧道的支護參數詳見表1：

幾何模型的計算主要包括：x=-170-170m，y=800m，z=0-14m。X方向中的平面支點就是滑動鉸支座，0/15m平面中的節點也是滑動鉸支座。Y坐標軸中的左右節點表示固定鉸支座，地表是一個自由面，根據以上信息創建隧道有限元的計算模型【2】，詳見圖1：

2.2材料的模型和參數

通過混凝土的實體單位對底板和巖石進行模擬，通過混凝土噴層對鋼纖維進行模擬，通過等效材料對錨桿進行模擬。在對開挖隧道溶洞進行模擬之前，要全面對溶洞進行研究，主要包括溶洞揭示的大小、形態等，之后根據相關力學參數，現場工程的地質和圍巖力學參數，通過相關軟件實現力學參數朝著圍巖力學參數的轉變，【3】詳見表2：

2.3模擬的措施

簡單來說，模擬就是分析隧道頂板溶洞對圍巖的穩定性影響，主要包括溶洞的大小和位置，溶洞的位置處于創建模型的中間【4】。

溶洞的位置變化：選取溶洞大小為5*1*4m2，距離拱頂的距離分別為1m、1m、5m，創建的模型分別為M1、M2、M3；

溶洞的大小變化：固定溶洞的位置在隧道拱頂，溶洞和底板之間的距離為3～13m，溶洞的大小分別為3*1*4、3*1.2*3.5、1.5*1*6m2，創建模型分別為M4、M5、M6【5】。圖2為巖溶隧道的敏感性有限元分析剖面位置圖。

3數值的計算和分析

3.1主應力和模擬開挖的關系

模型在溶洞位置發生變化的時候，隧道主應力值也會產生相應的變化。簡而言之，在隧道開挖到剖面的位置時，頂板的最小及最大應力都非常大，在開挖的時候，如果開挖的范圍超過剖面，那么頂板就會產生一定的應力，最小應力和最大應力都會降低，這個時候隧道的穩定性是最高的。在開挖不斷進行的過程中，剖面的主應力并沒有太大的變化，這就是為什么要通過混凝土在開挖之后對其支護。那么，在隧道開挖的過程中就要及時支護，從而能夠有效提高隧道圍巖自身的承載力，避免由于開挖造成頂板穩定失衡。在溶洞的大小出現變化的時候，頂板主應力和溶洞的位置也會發生變化，并且變化的情況大致相同【6】。

3.2主應力和巖溶位置及大小的關系

3.2.1溶洞大小相同時候溶洞距離頂板的距離影響頂板主應力值的情況。首先，在隧道開挖并沒有達到溶洞兩側位置的時候，那么就不會影響到頂板的穩定性。如果溶洞和頂板之間的距離逐漸縮短，這個時候頂板就具有較大的拉應力值，那么隧道頂板的穩定性也是最差的，在頂板最小主應力值不斷降低的過程中，壓應力值在不斷的提高。在隧道開挖的時候，頂板最大主應力會由之前不同的初期値越來越相同，最小主應力仍然和開挖時候的值具有較大的差距【7】。

3.2.2溶洞正下部中間計算步數相同的時候，溶洞和頂板之間的距離越短，那么隧道頂板壓應力值就越小，隧道頂板穩定性也會越大。相反，壓應力值就會越大，隧道頂板穩定性就會越小【8】。

4溶洞穩定性分析評價及施工建議

4.1基于溶洞開挖揭示現狀及上述數值計算和結論分析，目前溶洞頂板基本處于穩定狀態。

4.2從施工安全角度出發，首先需對隧道施工影響范圍內的巖溶洞壁、頂板及時進行主動支護是必要的，特別是頂板節理裂隙發育區，以避免開挖造成頂板穩定失衡。

4.3對于巖溶大廳采用混凝土支頂墻減跨，相對縮小溶洞空間并優化頂板與隧道空間結構關系，利于保證溶洞頂板穩定和施工安全。

5溶洞綜合處理技術

通過前述隧道開挖與溶洞穩定性關系研究，根據揭示溶洞的形態、規模及工程地質、水文地質條件，綜合考慮隧道施工安全及進度，該大型溶洞采用明挖法施工+溶洞壁主動支護+溶洞大廳混凝土支頂墻減跨+明洞襯砌結構并加強頂部回填處理+強化溶洞前方暗洞支護結構及措施的綜合處理技術。

5.1綜合處理技術

5.1.1溶洞大廳處理

①危石清除及洞壁主動支護

溶洞頂板巖層呈水平層，并可見多處落水洞，洞壁發育石鐘乳、石筍、石柱和大面積方解石結晶體，在施工擾動下容易造成危石和節理裂隙發育部位失穩甚至局部塌方，為確保主體工程施工及運營安全，同時盡量減小處理過程對頂板的擾動，從已施工隧道側采用機械逐段清除溶洞頂部及邊墻危石后，在加強監控量測的基礎上，對在隧道開挖影響范圍內溶洞頂板及側壁局部地段采用噴錨網防護，具體措施采用：Φ22砂漿錨桿，長6m，梅花形布置，間距1.2m×1.2m，15cm厚C25網噴混凝土，單層Φ8鋼筋網，網格間距25cm×25cm。

②混凝土支頂墻減跨

為減小溶洞相對跨度及保證施工安全，隧道開挖之前綜合考慮頂板節理裂隙發育情況、落水洞發育情況及周邊危石體情況，在襯砌結構兩側設置混凝土支頂墻。經過現場詳細勘查及結構分析，溶洞大廳中在隧道襯砌結構（右側DK16+652～+692.5段（40.5m）、左側DK16+640～+659段（19m）及左側DK16+670～+685段（15m））外側2.0m～6.35m清理溶洞表面孤石、浮土及危石后，設置C25混凝土支頂墻（頂寬為2.0m，底寬為3.0m），具體高度及位置按照實測斷面施工，頂部應嵌入石灰巖結構【9】。

5.1.2明洞襯砌結構和頂部處理

溶洞段隧道結構采用明洞結構，明洞結構類型和尺寸根據圍巖的級別、地形、地質條件及結構，按照《隧規》的要求通過破損階段法進行鋼筋混凝土結構的裂縫計算及強度的校核，結合實際工程進行確定。明洞的主體使用C35鋼筋混凝土，拱墻和仰拱厚度為60cm，洞頂的回填厚度>2m，設置隔水層，其與溶洞頂板之間的空隙使用C20混凝土填充。為了防止明洞背后積水、漏水，在襯砌的背后鋪設防水卷材，在明洞襯砌背后設置排水盲溝，在邊墻襯砌背后設置排水盲溝，墻低設置泄水管，通過泄水管引入洞內側溝。明洞襯砌使用外貼式防水層，明洞頂回填土表面設置隔水層，使用粘土隔水層【10】。

5.1.3溶洞影響段暗洞支護結構及措施

受大型溶洞發育影響，隧道前方圍巖呈現為斷裂破碎帶結構，為了確保后續施工安全，加強溶洞影響段前方20m范圍暗洞襯砌結構和支護措施。具體采用ф108大管棚超前支護（大管棚長度25m、環向間距40cm）+ф42小導管局部加強+I20b工字鋼架、錨網噴聯合支護+襯砌結構降級加強。

6 結束語

大型溶洞是隧道工程施工的攔路虎，且巖溶形態各異、情況多變，巖溶發育的不規律性及復雜性對隧道工程的影響又難以一概而論，如何系統分析溶洞規模、形態及與隧道空間結構關系并進行穩定性分析評價對制定巖溶整治方案和施工及運營安全具有重大的現實意義，因此，需把對巖溶特征的深入研究分析和針對性施工處理技術緊密結合，才能安全有效地處理好具體的巖溶形態，確保隧道工程安全順利實施。

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