鐵路隧道巨型溶洞穩(wěn)定性評(píng)估與施工防護(hù)棚架設(shè)計(jì)

孫亞飛 , 王 軍, 于明洋

(1. 中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司, 山東 濟(jì)南 250101； 2. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

我國(guó)巖溶區(qū)面積達(dá)3.65×106km2，隨著交通建設(shè)大發(fā)展，公路、鐵路隧道工程越來(lái)越多地穿越巖溶區(qū)，遇到巨型溶洞的幾率也越來(lái)越大。由于巨型溶洞地質(zhì)條件復(fù)雜，洞內(nèi)危巖遍布且伴有落石、坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，使得隧道施工安全受到威脅。因此在溶洞揭示后，為確保施工期作業(yè)人員及機(jī)械設(shè)備安全，需對(duì)溶洞進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)及施工防護(hù)[1]。

目前國(guó)內(nèi)溶洞臨時(shí)施工安全防護(hù)技術(shù)得到了一定程度的應(yīng)用。曹校勇等[2]在羊橋壩隧道大型干溶洞施工期安全防護(hù)措施中，采用一種軌道頂推式雙層弧形拱架，并在外層鋼拱架上鋪設(shè)5 mm厚鋼板作為防護(hù)結(jié)構(gòu)。李勇良[3]在營(yíng)盤(pán)山隧道穿越巨型溶洞處治中，采用主被動(dòng)防護(hù)、棚架防護(hù)的方案，保證了施工人員安全。郭明[4]在介紹花果山隧道ZK96+794溶洞處治技術(shù)中提到，為排除掉塊對(duì)后期施工帶來(lái)的安全隱患，在上部溶洞空腔范圍內(nèi)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚架。大寨1#隧道ZDK31 + 956 溶洞施工時(shí)，加工了一種整體式防護(hù)棚架，采用裝載機(jī)推至溶洞部位區(qū)形成安全防護(hù)[5]。拉之洞隧道溶洞施工過(guò)程中，則將鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)車(chē)推進(jìn)溶洞進(jìn)行防護(hù)，以保證施工安全[6]。

現(xiàn)有的溶洞臨時(shí)施工安全防護(hù)技術(shù)多數(shù)僅注重結(jié)構(gòu)本身抵抗沖擊荷載的能力，對(duì)于結(jié)合溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及溶洞風(fēng)險(xiǎn)源荷載計(jì)算方面涉及較少。本文以黔張常鐵路高山隧道DIK53+678處巨型溶洞為研究對(duì)象，以溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析為前提，溶洞風(fēng)險(xiǎn)源荷載計(jì)算分析為依據(jù)，提出巨型溶洞臨時(shí)施工安全防護(hù)棚架設(shè)計(jì)，以期為鐵路隧道巨型溶洞臨時(shí)施工安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

巨型溶洞于2016年8月13日被揭示，隨后迅速搭建垂直通道(見(jiàn)圖1)，并經(jīng)專家論證，決定通過(guò)設(shè)置迂回平導(dǎo)、施工支洞及施工橫通道等繼續(xù)隧道掘進(jìn)施工和溶洞補(bǔ)充勘察工作。溶洞周邊通道線路設(shè)計(jì)如圖2所示。經(jīng)初步勘察，溶洞位于咸豐斜歪背斜的南東翼，處于奧陶系南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組、紅花園組厚—巨厚層灰?guī)r中。大氣降水對(duì)溶洞補(bǔ)給有限，僅有少量通過(guò)節(jié)理裂隙下滲，溶洞整體表現(xiàn)為干溶洞。巨型溶洞主要由主溶蝕裂隙通道、廳堂狀廊道及支洞3部分構(gòu)成，廳堂狀溶腔長(zhǎng)×寬×高約為124 m×(32～63)m×(46～65)m，溶腔頂部呈完整的大平層狀，底部從西側(cè)向東側(cè)約呈13°向下傾斜，塊石堆積體覆蓋，溶腔南端為裂隙型溶洞; 隧道正洞設(shè)計(jì)線路自東向西呈42°夾角跨越廳堂狀廊道，跨越長(zhǎng)度約71 m，隧道拱頂距溶洞最高處約2 m，軌面距溶洞底部36～57 m。

(a) 溶洞入口

(b) 垂直人行梯

圖1溶洞平導(dǎo)揭露口和溶洞內(nèi)垂直人行梯

Fig. 1 Parallel adit opening of karst cave and vertical pedestrian ladder in karst cave

圖2 溶洞及周邊通道線路設(shè)計(jì)

隨后采用人工踏勘、無(wú)人機(jī)探測(cè)等措施詳細(xì)探測(cè)溶洞，發(fā)現(xiàn)危巖體和裂縫多出現(xiàn)于溶洞側(cè)壁位置，危巖體主要分為3類: 懸掛式危巖、疊坐式危巖和貼壁式危巖，危巖形式如圖3所示。主洞小里程端入口處有多塊對(duì)線路構(gòu)成威脅的懸掛式危巖，危巖主要受上部巖體粘結(jié)懸吊，與兩側(cè)巖體存在裂縫但尚有連接，下部則懸空而沒(méi)有支撐。主洞大里程端入口附近，側(cè)壁中部存在疊坐式危巖體，危巖已分離于母巖，僅受下部巖體單獨(dú)支撐，穩(wěn)定性差。平導(dǎo)揭露口洞壁存在多處貼壁式危巖，危巖多呈片形直立狀態(tài)，整體與母巖粘連但存在豎向裂縫。洞壁其他區(qū)域也存在多處危巖體和節(jié)理裂隙，在廳堂與主裂隙交叉位置尤其突出。

(a) 主洞大里程端懸掛式危巖

(b) 主洞小里程端疊坐式危巖

(c) 平導(dǎo)揭露口洞壁貼壁式危巖

圖3溶洞內(nèi)危巖照片

Fig. 3 Photos of dangerous rocks in karst caves

2 巨型溶洞穩(wěn)定性評(píng)估

考慮到該溶洞規(guī)模巨大，周壁危巖發(fā)育，將對(duì)隧道工程造成很大影響，因此，通過(guò)采用危巖體位移變形監(jiān)測(cè)、危巖體振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)、危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)巨型溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。

2.1 危巖體位移變形監(jiān)測(cè)

采用三維激光掃描儀對(duì)溶洞進(jìn)行無(wú)接觸式監(jiān)測(cè)[7]，利用3D色譜對(duì)比功能，對(duì)溶洞前后2次掃描結(jié)果進(jìn)行位移差值分析。經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)3個(gè)月的不連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、成像處理形成色譜分析圖，如圖4所示，其中紅色部分表示溶洞巖壁向洞內(nèi)位移，為不穩(wěn)定區(qū)域。

通過(guò)色譜分析圖標(biāo)識(shí)位置可以看出，受主洞大里程端和施工支洞爆破開(kāi)挖影響，這2處入口附近溶洞側(cè)壁危巖體向溶洞內(nèi)位移量較大，危巖體數(shù)量多，在3D色譜對(duì)比分析圖中形成紅色面域，多處危巖體的位移量超過(guò)30 mm，位移量最大值超過(guò)80 mm。

(a) 主洞小里程側(cè)溶洞表面位移色譜分析

(b) 主洞大里程側(cè)溶洞表面位移色譜分析

2.2 危巖體振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)

溶洞揭示后洞壁多處見(jiàn)有塊石掉落，故采用爆破振動(dòng)速度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行溶洞危巖體爆破擾動(dòng)監(jiān)測(cè)。爆破振動(dòng)速度測(cè)試系統(tǒng)由磁電式拾振器、爆破振動(dòng)采集儀和動(dòng)態(tài)分析軟件組成。在溶洞與隧道、平導(dǎo)交叉口附近設(shè)置爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，共在溶洞設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)垂向和水平2個(gè)方向拾振器，每次爆破采集1次振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)巖體振動(dòng)速度變化，并結(jié)合溶洞內(nèi)落石情況，發(fā)現(xiàn)受主洞大里程端爆破擾動(dòng)影響，1#測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度較大，并與落石存在明顯關(guān)聯(lián)性。

圖5 危巖體振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)

繪制1#測(cè)點(diǎn)水平爆破振動(dòng)速度與爆心距關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知： 隨著爆心距減小，溶洞表層巖體振動(dòng)速度越來(lái)越大。當(dāng)溶洞初現(xiàn)落石時(shí)，測(cè)點(diǎn)水平爆破振動(dòng)速度超過(guò)1.0 cm/s; 當(dāng)水平爆破振動(dòng)速度超過(guò)1.5 cm/s時(shí)，溶洞內(nèi)出現(xiàn)大面積落石。因此，隨著主洞開(kāi)挖靠近，要控制爆破裝藥量等參數(shù)，使測(cè)點(diǎn)水平爆破振動(dòng)速度小于1.0 cm/s，減少落石風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 爆破振動(dòng)擾動(dòng)與落石相關(guān)關(guān)系

Fig. 6 Correlation between blasting vibration disturbance and rockfall

2.3 危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測(cè)

采用電子全站儀對(duì)溶洞內(nèi)典型危巖體裂縫進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)[8]。在溶洞中選取貼壁式、懸掛式危巖各1處，周?chē)荚O(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖7)，進(jìn)行危巖體豎向裂縫變化監(jiān)測(cè)，結(jié)合爆破擾動(dòng)監(jiān)測(cè)分析裂縫寬度發(fā)展與爆破振動(dòng)速度關(guān)系，如圖8所示。分析表明： 隨著爆破振動(dòng)速度的增加，危巖裂縫有明顯擴(kuò)展的趨勢(shì)，貼壁式危巖裂縫寬度增長(zhǎng)速度較快，實(shí)際監(jiān)測(cè)中此類危巖落石較多; 對(duì)照無(wú)人機(jī)探測(cè)，說(shuō)明平導(dǎo)入口與施工支洞入口間洞壁不穩(wěn)定，落石風(fēng)險(xiǎn)極大； 懸掛式危巖裂縫發(fā)展較慢，落石風(fēng)險(xiǎn)較弱。

(a) 貼壁式危巖裂縫監(jiān)測(cè)

(b) 懸掛式危巖裂縫監(jiān)測(cè)

圖8爆破振動(dòng)速度對(duì)巖體裂縫發(fā)展影響曲線

Fig. 8 Influence curves of blasting vibration velocity on rock crack development

將溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。分析可知，溶洞側(cè)壁多處危巖體向溶洞內(nèi)位移，其中大里程端主洞入口處、支洞入口處側(cè)壁位移量最大值超過(guò)80 mm，存在危巖或形成新危巖的可能性很大; 隧道爆破掘進(jìn)逐漸靠近溶洞，水平爆破振動(dòng)速度若不能得到有效控制，洞內(nèi)將面臨更大的落石風(fēng)險(xiǎn); 周壁危巖體裂縫寬度增長(zhǎng)速度較快，隨著施工的進(jìn)一步開(kāi)展，很有可能發(fā)生掉落。

結(jié)合勘察和調(diào)研分析，溶洞埋深約200 m，廳堂和主裂隙廊道體型巨大，廳堂長(zhǎng)124 m，空腔體積超過(guò)50萬(wàn)m3，巖層近水平產(chǎn)狀、輕度風(fēng)化，雖形成自然塌落拱但頂板和側(cè)壁裂隙顯著發(fā)育，特別是貼壁式危巖分布較廣，在開(kāi)挖擾動(dòng)下剝離掉落的可能性較高。因此，有必要在洞內(nèi)設(shè)立臨時(shí)施工安全防護(hù)結(jié)構(gòu)，為接下來(lái)的鉆探施工等工作提供安全保障。

3 施工防護(hù)棚架設(shè)計(jì)

3.1 落石沖擊力計(jì)算

落石沖擊力是進(jìn)行落石危險(xiǎn)區(qū)被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一[9]，對(duì)落石沖擊力的計(jì)算能有效指導(dǎo)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析結(jié)果

3.1.1 現(xiàn)有的落石沖擊力計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)落石沖擊力計(jì)算的依據(jù)主要有《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]、《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》[11]以及楊其新等基于室內(nèi)試驗(yàn)建立的經(jīng)驗(yàn)公式[12]，國(guó)外代表性的計(jì)算方法主要有日本方法及瑞士方法[13]。匯總以上計(jì)算方法如表2所示。

表2 現(xiàn)有落石沖擊力計(jì)算方法

注: P為落石沖擊力，kN； P(Z)為落石陷入緩沖層的單位阻力，kPa； F為落石等效球體的截面積，m2； γ為緩沖填土的容重，kN/m3； Z為落石沖擊陷入緩沖土層的深度，m； φ為緩沖填土的內(nèi)摩擦角，(°)； v為落石碰撞前的末段速度，m/s； Q為石塊重力，kN； g為重力加速度，m/s2； m為落石質(zhì)量，t； v0為落石沖擊速度，m/s； t為沖擊持續(xù)時(shí)間，s； h為緩沖土層計(jì)算厚度，m； c為壓縮波在緩沖土層中的往復(fù)速度，m/s； ν為泊松比； E為回填土彈性模量，kPa； ρ為回填土密度，kg/m3； ζ 為和緩沖土層密度有關(guān)的系數(shù)； amax為沖擊過(guò)程最大加速度，m/s2； H為落石下落高度，m； λ為梅拉常數(shù)；ME為通過(guò)荷載板試驗(yàn)得到的緩沖土層變形模量kPa。

3.1.2 巨型溶洞落石沖擊力計(jì)算

在現(xiàn)有的落石沖擊力計(jì)算方法中，每種計(jì)算方法均有其局限性，落石沖擊力的計(jì)算結(jié)果也有較大偏差。由表2可知，《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》方法是對(duì)落石沖擊過(guò)程做一定的簡(jiǎn)化，具有理論概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確等特點(diǎn)，是建立在大量的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上得出的[14]，與試驗(yàn)條件下得出的結(jié)果相比更接近實(shí)際工程。因此，選用該計(jì)算方法進(jìn)行巨型溶洞落石沖擊力計(jì)算。

3.2 防護(hù)棚架設(shè)計(jì)及校核

根據(jù)巨型溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果，特別是落石風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，必須要在溶洞內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)施工安全防護(hù)，保障鉆探等工作順利進(jìn)行。

3.2.1 防護(hù)棚架初步設(shè)計(jì)及校核

考慮到溶洞體量巨大，鉆探等施工點(diǎn)不固定，擬采用整體式鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚架作為臨時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)，防護(hù)棚架設(shè)計(jì)遵循“確保安全、經(jīng)濟(jì)合理”的原則。初步設(shè)計(jì)方案為: 棚架結(jié)構(gòu)主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檁條(I16a)、檁條上方鋼板(厚5mm)和鋼板外側(cè)廢舊輪胎(雙層)組成，具體如圖9所示。屋架整體由3部分組成: 左右屋面和底面。左右屋面架頂部的型鋼端部焊接帶孔鋼板，鋼板間夾橡膠墊，然后采用螺栓連接，可將螺栓受到的剪切力有效轉(zhuǎn)化為鋼板摩擦力; 左右屋面架和地面也采用螺栓連接。屋面和地面結(jié)構(gòu)由型鋼和鋼板焊接而成，焊縫強(qiáng)度不低于母材承載力。

采用PKPM校核棚架抗沖擊性能，根據(jù)落石可能砸擊的位置不同，校核方式如下: 1)取1榀三角形框架，校核框架頂部節(jié)點(diǎn)，腰邊1/3節(jié)點(diǎn)、中點(diǎn)和2/3節(jié)點(diǎn)處抗沖擊力; 2)按4跨連續(xù)梁校核連接2榀框架的檁條防沖擊力，主要校核兩跨檁條中點(diǎn)。

(a) 防護(hù)棚架正面圖

(b) 防護(hù)棚架側(cè)面圖

Fig. 9 Preliminary design sketches of protective shed frame (unit: mm)

經(jīng)校核，檁條中點(diǎn)極限抗沖擊荷載為200 kN，三角形框架腰邊中點(diǎn)極限抗沖擊荷載為180 kN。根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》落石荷載計(jì)算公式，按照180 kN荷載反算，防護(hù)棚架僅能抵御0.1 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，不能滿足防護(hù)要求，需優(yōu)化防護(hù)棚架。

3.2.2 防護(hù)棚架改進(jìn)及校核

防護(hù)棚架中2榀三角形屋架的間距由1 000 mm改為500 mm; 頂部增加聯(lián)系橫梁，加大框架整體性; 腰邊中部增加可拆卸的垂向支撐鋼管，加強(qiáng)腰邊防沖擊力; 連接框架的檁條改用20a工字鋼加工，防護(hù)棚架外側(cè)掛廢舊輪胎。改進(jìn)后防護(hù)棚架設(shè)計(jì)如圖10所示。

經(jīng)再次校核，檁條中點(diǎn)極限抗沖擊荷載為840 kN，三角形框架腰邊中點(diǎn)極限抗沖擊荷載為580 kN，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》落石荷載計(jì)算公式，按照580 kN抗沖擊荷載反算，相當(dāng)于可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，滿足巨型溶洞安全防護(hù)要求。

(a) 防護(hù)棚架正面圖

(b) 防護(hù)棚架側(cè)面圖

Fig. 10 Improved design sketches of protective shed frame (unit: mm)

4 結(jié)論與討論

1)通過(guò)危巖體分布探測(cè)、危巖體位移變形監(jiān)測(cè)、危巖體振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)和危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測(cè)4項(xiàng)內(nèi)容對(duì)溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明洞內(nèi)危巖分布較多，溶洞周壁存在變形，特別是受開(kāi)挖爆破影響，溶洞內(nèi)落石風(fēng)險(xiǎn)較大，有必要進(jìn)行臨時(shí)施工安全防護(hù)。

2)分析了國(guó)內(nèi)外各種落石沖擊力計(jì)算方法，根據(jù)巨型溶洞可能落石尺寸，采用《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》推薦的方法進(jìn)行了落石荷載計(jì)算，落石沖擊力達(dá)到442.1 kN，以此作為臨時(shí)施工安全防護(hù)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3)設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式三角形鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚架，棚架結(jié)構(gòu)主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檁條(I20a)、頂部聯(lián)系橫梁、腰邊支撐鋼管(可拆卸)、檁條上方鋼板(厚5 mm)和鋼板外側(cè)廢舊輪胎組成。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，防護(hù)棚架可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，滿足巨型溶洞安全防護(hù)要求。

4)隧道開(kāi)挖采用循環(huán)爆破，溶洞圍巖存在累計(jì)損傷，隨著累計(jì)損傷的積累，巖體可能在較小振動(dòng)下發(fā)生掉落，但本文沒(méi)有考慮溶洞頂板和側(cè)壁巖體的累積損傷問(wèn)題。落石過(guò)程發(fā)生突然，沒(méi)有得到有效觀測(cè)，故落石沖擊持續(xù)時(shí)間參考了其他文獻(xiàn)，不夠精確。接下來(lái)應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)以上2個(gè)問(wèn)題開(kāi)展研究。