六月田隧道巖溶坍塌地段洞內管棚支護穩定性分析*

張軍，李洪瑤，樊斌

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.上海隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

六月田隧道位于湖南湘西自治州，設計標準為Ⅰ級公路隧道，雙向四車道，行車速度80 km/h，左線長1 010 m，右線長1 015 m。左線施工到ZK10+803處時，在隧道右側壁出現被大量黏土夾礫石填充的溶洞，溶洞內的黏土呈軟塑狀，很快從掌子面噴涌而出形成突泥，地表下陷近30 m，并呈現長25 m、寬20 m的橢圓形空洞。施工中采用洞內管棚支護穿越巖溶坍塌地段，方法是在隧道內部掌子面后方開挖管棚工作室，將隧道洞身拱部開挖斷面加大，在掌子面上安設管棚孔口定位拱架，拱架上下掌子面噴射砼，在孔位處鉆孔安裝帶注漿孔的鋼管，再灌注砂漿。洞內管棚工藝復雜，端部不設套拱，根據需要可能進行鋼管搭接、管棚接長。由于管棚支護與圍巖相互作用復雜，尤其是在巖溶坍塌地段，圍巖壓力無法確定，管棚支護設計目前主要采用經驗類比法，支護穩定性難以評價。該文根據該隧道圍巖類型、漏斗形溶洞位置和處治方法、管棚支護參數等條件建立三維數值計算模型，分析圍巖類型、管棚支護參數、溶洞處治及溶洞位置對隧道變形的影響，揭示影響隧道洞內管棚支護穩定性的因素及規律。

1 工程概況

六月田隧道(見圖1)位于風化溶蝕山地，山的海拔高、坡度陡峭，地形起伏大。地面高程為430～567 m間有隧道軸線通過，相對高差約137 m，隧道最大埋深125.30 m。基巖多露于地表，山坡覆蓋層較薄，植被發育。地層結構分布依次為：1)黏土?；液稚?、褐黃、褐紅色，呈可～硬塑狀，含少量礫石，主要分布于隧道進、出口的山坡低洼處。2)瘤狀泥質灰巖。紫紅色夾灰綠色，瘤狀構造，隱晶質結構，薄～中層狀，節理裂隙部分發育，與灰巖交界處巖溶較發育，主要分布于山頂。3)灰巖?；?、灰白色，塊狀構造，隱晶質結構，中厚層狀，巖質硬實，微侵蝕，節理裂隙局部發育，局部發育溶蝕裂隙，巖層較完整，巖芯多呈柱狀，少量呈半邊狀，塊狀。地質勘察結果表明，隧道ZK10+798—830段發育有天然漏斗形巖溶，隧道圍巖為可塑狀的黏土夾礫石，圍巖破碎松散，自穩能力極差(見圖2)。

圖1 六月田隧道帶仰拱襯砌內輪廓斷面示意圖

圖2 六月田隧道左線(地質)縱斷面(單位：m)

為避免溶洞繼續坍塌，使隧道施工順利進行，施工方施作管棚工作室，沿隧道外輪廓線以5°仰角施作長24 m、間距33 cm的φ108 mm管棚。由于洞身圍巖為塌方堆積體，管棚下方與隧道開挖面形成一個三角形空腔，開挖后即對該空腔噴射砼作回填處理。

2 三維數值分析模型的建立

2.1 計算模型

以隧道為中心，模型尺寸為60 m×60 m×30 m，隧道建筑限界尺寸為高5.0 m、寬10.25 m，采用三心圓拱結構，隧道施工采用上下臺階法。以高10 m、上下半徑分別為5、3 m的圓錐嵌入圍巖模擬漏斗形巖溶發育，溶洞位于沿隧道方向14～17 m處，分別距底部、拱腰右側、拱頂1 m，溶洞填充材料為M7.5號漿砌片石。模型的邊界約束條件為上部自由，側面水平約束，底部完全約束。假定圍巖為均質各向同性彈塑性介質，采用莫爾-庫倫準則，將圍巖注漿區視為彈性體，定義為實體單元；管棚注漿支護假設為彈性體，定義為殼體單元；錨噴支護也假設為彈性體，定義為平面板單元(見圖3)。

圖3 隧道三維分析模型

2.2 計算參數

根據勘察報告、設計規范中Ⅴ級圍巖參數，采用工程類比法確定模型各單元的物理力學參數(見表1)，其中初期支護包括鋼拱架、錨桿和砼，管棚支護包括鋼管、注漿材料和圍巖，計算時分別將初期支護及管棚支護視為一個整體，單元參數按等效原則折算得到。

表1 模型單元及力學指標

2.3 影響因素與施工過程模擬

影響洞內管棚支護穩定性的因素很多，主要因素為管棚支護參數、施工方法、注漿情況及溶洞位置、大小、處治情況。為研究這些因素對洞內管棚支護作用的影響，建立數值計算模型時將管棚支護狀態分別設定為無管棚、無注漿管棚支護、注漿管棚支護，將溶洞狀態設定為無溶洞、溶洞未填充、溶洞已填充，溶洞位置分別為拱頂、底部、右側拱腰處。施工流程為原地層—隧道開挖—初期支護—施作襯砌。Ⅴ級圍巖采用上下臺階法開挖，先開挖上臺階并及時施作錨桿和噴砼，待圍巖穩定后進行下臺階開挖并對下部進行支護。順著隧道軸線方向，通過數值計算，分別提取沿隧道拱頂、拱腰、底板三軸線上的點，分析拱頂、地表、底部的豎向位移，拱腰的水平向位移、豎向主應力的變化及分布狀況。

3 計算結果分析

3.1 管棚支護對隧道變形的影響

3.1.1 拱頂沉降

不同支護狀態下隧道拱頂豎向位移見圖4，拱頂沉降對比見圖5。

由圖4、圖5可知：無管棚、采用無注漿管棚和注漿管棚時，隧道軸向各點拱頂沉降最大值分別為7.01、4.49、3.77 mm，注漿管棚的效果最好，無注漿管棚次之，無管棚最差。采用注漿管棚時拱頂沉降比無管棚時減小43.3%，比無注漿時減小16.5%，管棚支護對改善圍巖的自承能力效果明顯。無注漿圍巖與管棚之間的摩阻力使圍巖受到的壓力減小，故拱頂沉降小于無管棚情況。注漿管棚的鋼管、注漿材料與圍巖膠結成一個剛度較大的整體，起到承受圍巖壓力的支護作用。管棚支護始末兩端的拱頂沉降比中部小很多，而無管棚情況下隧道拱頂沉降較大且呈均勻分布，說明管棚支護下圍巖整體剛度增大，變形減小。

圖4 不同支護狀態下隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖5 不同支護狀態下隧道拱頂沉降比較

3.1.2 水平位移

如圖6、圖7所示，隧道兩側向內收縮變形，影響最顯著的部位是拱腰，其左側向位移為正，右側向位移為負，呈對稱分布；無管棚、采用無注漿管棚和注漿管棚時，沿隧道拱腰處周邊收斂最大值分別為1.63、1.49、1.46 mm，采用注漿管棚時水平位移比無注漿管棚時減小8.5%，比無管棚時減小10.4%。管棚支護與無管棚相比，隧道開挖后周邊位移較小，說明管棚支護對隧道周邊收斂有一定控制作用，但與拱頂沉降的控制相比差很多，注漿管棚周邊位移與無注漿管棚相差無幾。

圖6 不同支護狀態下隧道水平位移云圖(單位：m)

圖7 不同支護狀態下隧道水平位移比較

3.2 溶洞處治對隧道變形的影響

為便于比較，假設隧道拱頂的正上方1 m處存在溶洞，溶洞狀態分別為無溶洞、溶洞未填充、溶洞已填充，分析溶洞處治對隧道變形的影響。

3.2.1 拱頂沉降

如圖8、圖9所示，無溶洞時隧道開挖引起的拱頂沉降最小，最大值為4.60 mm；溶洞未填充時隧道拱頂沉降值最大，最大值為9.11 mm，溶洞的存在對開挖后隧道拱頂沉降的影響非常明顯。對隧道周圍的隱伏溶洞作填充處理非常必要，填充后隧道拱頂沉降比未填充時減小31.7%，隧道圍巖強度提高，圍巖穩定性增強。

圖8 不同溶洞處治狀態下隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖9 不同溶洞處治狀態下隧道拱頂沉降比較

3.2.2 水平位移

如圖10、圖11所示，隧道開挖后水平位移會因溶洞的存在而增大，呈現由下而上的發展趨勢；溶洞填充后，隧道水平位移得到控制，其發展范圍及量值明顯減小。溶洞未填充、填充及無溶洞時，隧道最大水平向位移分別為1.48、0.77、0.43 mm，溶洞填充時隧道水平向位移比未填充時減小47.9%，隧道周邊收斂大幅減小。

圖10 不同溶洞處治狀態下隧道水平位移云圖(單位：m)

圖11 不同溶洞處治狀態下隧道水平位移比較

3.3 溶洞位置對隧道變形的影響

溶洞位置也考慮3種情況，分別為拱頂溶洞、底部溶洞、右側拱腰處溶洞，位于沿隧道方向14～17 m處，分別距拱頂、拱腰右側、底部1 m。

3.3.1 拱頂沉降

如圖12、圖13所示，溶洞位置不同，隧道豎向位移大小有較大差別，豎向位移受拱頂溶洞的影響最大，底部溶洞次之，拱腰右側溶洞的影響最小；隧道周圍隱伏溶洞的位置不同，對開挖后隧道拱頂沉降的影響有較大差別，拱頂、拱腰右側、底部存在溶洞時，隧道拱頂沉降最大值分別為6.69、3.53、6.25 mm，拱頂存在溶洞時隧道拱頂沉降比拱腰存在溶洞時增大47.2%，比底部存在溶洞時增加6.6%，拱頂和底部存在溶洞對隧道拱頂沉降的影響顯著。

圖12 不同溶洞位置時隧道豎向位移云圖(單位：m)

圖13 不同溶洞位置時隧道拱頂沉降比較

3.3.2 水平位移

如圖13、圖14所示，拱頂存在溶洞時，與其他兩種位置溶洞相比，隧道掌子面處水平位移增大，上臺階和上下臺階分界處都表現出對稱發展的較大水平位移，說明隧道掌子面的穩定性受拱頂溶洞較大的負面影響；拱頂、拱腰右側、底部存在溶洞時，隧道水平位移最大值分別為1.34、0.61、1.33 mm，拱頂和底部存在溶洞對隧道水平位移的影響較明顯。

圖14 不同溶洞位置時隧道水平位移云圖(單位：m)

圖15 不同溶洞位置時隧道水平位移比較

4 結論

(1)巖溶坍塌地段采用洞內管棚超前支護是一種有效的技術手段，可增強隧道開挖圍巖的穩定性，其中注漿管棚的效果最好，無注漿管棚的效果次之。

(2)隧道周圍有隱伏溶洞時，采取溶洞填充措施可減小隧道豎向和水平位移。

(3)溶洞位置不同，對管棚支護效果的影響不同，其中拱頂溶洞的影響最大，底部溶洞次之，拱腰右側溶洞的影響最小。

(4)與無注漿管棚相比，注漿管棚對隧道豎向位移的控制效果比對水平位移的控制效果更好。

(5)拱頂溶洞對掌子面的穩定性影響最大，開挖至靠近溶洞時掌子面上會出現較大水平位移，施工時需考慮對掌子面進行支護和加固。