隧道穿越溶洞群對圍巖及支護結構穩定性的影響

周凱， 胡敏

(1.中鐵十八局集團有限公司， 天津 300222；2.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

隧道穿越灰巖地質時經常遭遇大小及方向各異的溶洞，發育復雜的溶洞給隧道修建和后期運營帶來極高風險，溶洞群的存在會加劇這種影響。如何保證隧道安全穿越溶洞群對隧道建設至關重要。趙明階結合實體工程，運用有限元軟件分析了不同跨度溶洞與隧道在不同空間分布時對圍巖穩定性的影響。吳夢軍等通過相似試驗模擬隧道開挖通過溶洞的情況，探討了溶洞在不同發育程度和不同位置對隧道圍巖的影響，總結了公路隧道通過巖溶區時圍巖位移場、塑性區等的分布規律。劉鐵雄等根據相似模型理論，通過正交試驗對溶洞頂板從彈性階段到塑性階段再到破壞階段的荷載和位移進行了分析。Waltham A. C.等利用石膏等材料建立相似試驗模型，通過洞室頂端的破壞研究其頂板的破壞形態，同時對其能承受的極限荷載進行分析。Chen W. Z.等通過數值模擬及實地數據測量，提出了一個可運用于大型地下洞室開挖穩定性分析的蠕變-損傷耦合模型。Pan Y. W.等運用彈性模型研究了開挖速度和開挖面對隧道收斂的影響，認為開挖面只有在一定距離內對隧道收斂有影響，開挖速度影響隧道的初始收斂。李奎以桐子林隧道為背景，采用ANSYS軟件研究了隧道開挖過程中圍巖的位移和應力變化。劉悟輝等以高速公路下伏溶洞為工程背景，采用FLAC軟件建立三維模型，把汽車荷載加載到路基上，分析了路基和溶洞的塑性變形，并模擬對比圍巖在溶洞注漿前后的塑性變形量。李到洪等介紹了衡陽合江套湘江隧道溶洞處理方案，對侵入盾構主線1.5倍洞徑范圍未填充、半填充溶洞采用吹砂夾石+靜壓注漿進行處理，對填充物密實度中密以下溶洞進行靜壓注漿處理。吳雷雷以四川某高速公路巖溶隧道為研究對象，采用FLAC3D軟件模擬隧道溶洞的穩定性，分析了隧道與溶洞不同距離及不同位置時圍巖變形和應力變化。雖然對巖溶地質條件下隧道及溶腔的穩定性作了大量研究，但由于溶洞發育的不規則及溶腔有無充填的不確定性，加上巖溶地質研究的復雜性，制約了研究成果的適用性，而當隧道穿越溶洞群地層時，又增加了研究的復雜性及不確定性。因此，需針對具體工程出現的具體溶洞開展研究。該文依托黔張常高鐵隧道穿越DK151+651.9—747.9溶洞群為工程背景，利用數值模擬軟件對輔洞和主洞按照設計施工時圍巖和支護結構及溶腔的穩定性進行分析，驗證設計支護方案的合理性和可行性。

1 溶洞群概況

DK151+651.9—747.9段溶巖包含兩處(DK151+675—709段巖溶與DK151+712—733段巖溶)，位于1#橫通道(DK151+323)與2#橫通道(DK151+870)之間兩山的低洼地帶，標高為370～375 m，埋深為10～15 m。該區段處于隧道淺埋地段。隧道洞身通過地層巖性主要為三疊系中統嘉陵江組灰巖夾白云巖，巖體較完整，為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，地表溶丘與巖溶洼地相間分布，洼地內巖溶漏斗、落水洞發育，巖溶發育強烈。隧道在雨季開挖可能發生透水、塌方冒頂等事故。該區段隧道平面、縱斷面見圖1、圖2。

圖1 DK151+651.9—747.9隧道平面圖(單位：m)

圖2 DK151+651.9—747.9隧道縱斷面圖 (單位：標高為m，其他為cm)

1.1 DK151+675—709段巖溶形態及處治方案

1.1.1 溶洞形態

2016年2月2日晚，在DK151+708位置施作加深炮孔時，左側邊墻及右側拱頂出現明顯異常，補充數個加深炮孔均有明顯異常，但無水、無充填、無突水和突泥現象，經多方溝通確認后，進行揭示處理。2016年3月4日早晨施作下臺階超前水平鉆時，在DK151+709之后出現突進。2016年5月4日上午，在DK151+700掌子面施作加深炮孔時出現明顯異常，但無水、無充填、無突水和突泥現象。多方溝通后，進行小范圍揭示處理。2016年3月4日上午，掌子面爆破掘進至DK151+697時，掌子面右拱腳揭示出一溶洞，與平導DK151+710溶洞為同一溶洞倉。巖溶形態見圖3、圖4。

圖3 DK151+675—709段巖溶形態平面圖

圖4 DK151+675—709段巖溶形態縱斷面圖(單位：cm)

1.1.2 處治方案

根據該巖溶發育規模、形態及與隧道的關系，結合工程、水文和地質特征，確定埋設排水管路、保留排水通道后采用回填方式進行處理。方法如下：

(1) DK151+670—706拱部設φ89中管棚+φ42超前小導管，采用三臺階臨時橫撐法施工。

(2) DK151+675—709段平導與正洞間溶洞采用C20砼回填，回填面留向平導不小于2%的排水坡，正洞回填范圍為拱頂以上2 m，邊墻開挖輪廓線外3 m，仰拱底部全部回填。回填之前清除隧底以下淤泥等填充物，并清理落水洞處淤泥。

(3) PK152+710靠近平導側回填面頂部留一長×寬×深=2 m×2 m×1 m的集水池。在平導內向集水池底部鉆孔，并安裝2根φ200PVC管，通過PVC管將線路左側巖溶水引至平導側溝。

(4) 在DK151+680線路右側設置一綜合洞室，內設匯水沉淀池，尺寸為長×寬×深=27 m×2 m×3 m。匯水沉淀池底部預埋1根φ600鋼筋砼管將水引排至落水洞，中部埋設2根φ300鋼筋砼管將水引至中心排水溝，周圍埋設4根φ200市政波紋管將水引至匯水池內。

(5) DK151+708處溶洞采用C20砼回填，回填高度為拱部以上2 m。在DK151+680洞室內向DK151+708處右側溶腔鉆3個φ200鉆孔，將溶洞內水引排至洞室匯水池內。

1.2 DK151+712—733段巖溶形態及處治方案

1.2.1 溶洞形態

2015年9月16日，隧道出口導洞施工至PK151+710位置時拱部揭示一溶洞，溶洞走向與平導中線水平夾角約48°，溶洞向正洞方向延伸約40 m，另外一側約30 m，高6～8 m。溶洞底以平導為中心，呈中間高、兩側低發育。2016年2月4日上午，在DK151+735施作加深炮孔時左側邊墻出現明顯異常，補充數個加深炮孔均顯示存在明顯異常，但無水、無充填、無突水和突泥現象。經多方溝通后，進行揭示處理。2月4日中午爆破掘進至DK151+734時，掌子面右側(線路左側)揭示出一溶洞，溶洞內部延伸較長。該段溶洞發育規模較大，經多次探測，最終確認溶洞發育形態見圖5、圖6。

1.2.2 處治方案

(1) 掌子面回填洞砟，作為上臺階工作平臺。

(2) 清除溶洞內表面危石，平導邊墻外2 m范圍內采用C25噴射砼加固巖面，然后采用錨噴網支護加固巖體，錨桿長3 m，間距0.6 m×0.6 m；采用φ8鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm。

(3) PK151+711—700段采用H175型鋼拱架支護，拱架間距50 cm，二次襯砌采用40 cm厚C35砼。拱頂漏空部分灌注2 m厚C20砼，邊墻初期支護外側采用M10漿砌片石砼擋護，砼外設置1 m厚砂礫緩沖層。

(4) 平導兩側初期支護背后預留3根φ100 PVC排水管，將水引入水溝內。

圖5 DK151+712—733段巖溶縱斷面圖(單位：cm)

圖6 DK151+712—733段巖溶平面圖

(5) 根據下臺階開挖揭示圍巖情況，在小里程方向靠正洞側10 m范圍內預留泄水洞施作條件。

2 數值模擬分析

DK151+675—709段巖溶、DK151+712—733段巖溶相距很近，在隧道掘進過程中相互影響，故作為一個溶洞群進行分析。DK151+720—810為淺埋段(對應平導里程為PK151+682—822)，隧道開挖易發生地表塌方和冒頂。地表為溶丘、洼地相間地貌，洼地中分布較多巖溶漏斗及落水洞，地表徑流與地下水有強水力聯系。1#橫通道(DK151+870)和2#橫通道(DK151+323)與巖溶段相距較遠，分析時不予考慮。

2.1 模型建立

根據圖1、圖2建立有限元模型。模型長91 m(對應里程為DK151+657—748)，寬200 m，高84 m(高程為340～424 m)，隧道主體結構幾何尺寸與設計尺寸一致(見圖7)。根據溶洞形態，按照溶洞尺寸及與隧道的位置關系建立溶洞模型，溶洞集中分布在DK151+675—735段(見圖8、圖9)。

圖7 DK151+657—748段隧道圍巖模型

2.2 計算步確定

根據溶洞與主洞開挖范圍的位置關系，模擬時先輔洞開挖，然后將主洞開挖分為6個開挖步驟進行施工，分別為DK151+748—736、DK151+736—716、DK151+716—700、DK151+700—680、DK151+680—668和DK151+668—657。

圖8 DK151+657—748段隧道主洞、輔洞二次襯砌與溶洞位置關系

空腔為隧道主洞、輔洞二次襯砌范圍內的溶腔

2.3 計算參數選取

圍巖的物理力學指標根據地質勘查資料和設計資料取用。該段可溶性巖溶均為Ⅳ級圍巖，計算中采用摩爾-庫倫模型；初期支護采用彈塑性模型，厚度為3 m；二次襯砌結構假定為彈性殼單元，厚度為0.4 m；溶洞充填采用C20砼材料，計算中采用彈性模型。材料參數見表1。

3 計算結果與分析

3.1 初始位移場計算結果及分析

隧道未開挖時，圍巖在自重應力場作用下會發生初始位移，數值模擬中需考慮這部分位移并在計算隧道開挖引起的位移時將其扣除才能得到實際開挖引起的位移。隧道未開挖前的初始位移狀態模擬結果見圖10。

由圖10可知：開挖前消除初始地應力產生的位移為-1.45×10-2～1.6×10-2mm，其值很小，可忽略不計。

表1 模型計算中各材料的參數值

圖10 隧道未開挖時圍巖的初始位移場(單位：m)

3.2 開挖引起的主洞圍巖和支護結構變形計算結果及分析

模擬輔洞開挖的同時，將DK151+748—657分為6個施工步驟進行計算，模擬各施工步引起的主洞圍巖及支護結構變形。

3.2.1 豎向變形計算結果及分析

不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構豎向位移見圖11。

由圖11可知：輔洞開挖及主洞各施工區段引起的主洞圍巖和支護結構的豎向變形不同。輔洞開挖支護對主洞豎向變形的影響較小，最大下降變形為0.6 mm，最大隆起變形為0.4 mm，且主要影響范圍為輔洞支護結構拱頂處。DK151+748—736段開挖支護對圍巖變形的影響不大。開挖到溶洞段時，變形急劇增大。如DK151+736—716段開挖支護完成后，支護結構最大下沉4.7 mm，拱底最大隆起1.5 mm；DK151+716—700段開挖支護完成后，支護結構最大下沉8.8 mm，拱底最大隆起1.53 mm；DK151+700—680段完成后，支護結構最大下沉12.5 mm，拱底最大隆起1.72 mm。溶洞段開挖支護結束后，后續的開挖仍將對溶巖變形產生影響。該段全部開挖支護完成后，支護結構最終下沉16.7 mm，拱底隆起1.7 mm。需注意的是，開挖引起主洞豎向變形時，拱底隆起變形較小，受溶洞支護注漿的影響，主洞最大豎向變形不是出現在隧道頂部，而是出現在溶巖DK151+736—716段隧道拱腰處，且該區段屬于淺埋段，整個開挖過程中隧道上方圍巖有明顯下沉趨勢。

圖11 不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構豎向位移(單位：m)

3.2.2 橫向變形計算結果及分析

不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構橫向位移見圖12。

由圖12可知：隧道開挖引起的主洞圍巖及支護結構橫向變形變化規律與豎向變形類似，幅度較小，最大橫向變形發生在溶巖DK151+736—716段隧道拱頂，為5 mm(方向指向輔洞)，該段隧道右側拱角處也發生了較大變形。

3.2.3 縱向變形計算結果及分析

不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構縱向位移見圖13。

由圖13可知：輔洞及主洞各施工區段的開挖支護對主洞圍巖及支護結構縱向變形的影響極小，可忽略不計。

3.3 開挖引起的溶洞塑性區計算結果及分析

對輔洞開挖和主洞6個區段施工引起的溶洞塑性區進行分析，結果見圖14。

從圖14可以看出：輔洞及主洞開挖前由于地應力作用，溶洞表面有小范圍進入塑性狀態；輔洞開挖支護完成后，塑性區面積有所減小；主洞DK151+748—736段開挖支護結束后，溶腔內側圍巖又重新產生塑性區；DK151+716—700段開挖支護結束時，DK151+700—680段溶腔塑性區范圍有所增大，需特別注意溶腔的穩定性；DK151+700—680段開挖支護結束后，DK151+680—668段局部圍巖產生塑性變形；DK151+668—657段開挖支護結束時，DK151+748—736段支護有塑性區產生，需加強監控。總體而言，在輔洞及主洞施工過程中，溶洞的塑性區發展區域不大，說明支護設計及處治措施起到了良好效果。

圖12 不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構橫向位移(單位：m)

圖13 不同施工步引起的主洞圍巖及支護結構縱向位移(單位：m)

圖14 不同施工步引起的溶洞塑性區

4 結論

(1) 輔洞及主洞不同區段施工引起的主洞圍巖和支護結構的位移變化不同，輔洞引起的主洞圍巖及支護結構變形較小，主洞在巖溶區段開挖時引起的圍巖和支護結構變形最大。

(2) 輔洞及主洞施工引起的主洞圍巖和支護結構的豎向位移最大，橫向位移次之，縱向位移極小，可忽略不計。

(3) 輔洞及主洞施工會引起溶腔塑性區的不同發展，尤其在溶腔段施工時溶腔區域塑性區會增大，需重視該區段施工時溶腔的穩定性。

(4) 該隧道輔洞及主洞穿越溶洞群時引起的主洞圍巖及支護結構變形和溶腔塑性區變化均在可控范圍內，該溶洞群支護設計方案合理、可行。