溶洞內超厚回填路基沉降監測與預測研究

李明

(中鐵建大灣區建設有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著西南地區高鐵建設速度的加快，高鐵隧道穿越的溶洞越來越多，揭露巨型溶洞的幾率也越來越高。巨型溶洞體量大、內部情況復雜，極大地增加了隧道建設難度[1]。在各類巨型溶洞處置中，回填處置具有操作方便、施工簡單和成本經濟等優點[2]。但同時也存在回填體厚度大引起的工后沉降周期長和沉降不均勻等問題，容易威脅到高鐵列車運營安全。

目前，巨型溶洞處置技術和高填方路基沉降監測預測已經取得了諸多研究成果，盤山隧道巨型溶洞處置采用了大體積空心混凝土回填方法[3]，并介紹了溶洞內地下水處理措施，取得了良好的經濟效益和社會效益。宜萬鐵路龍麟宮隧道1號大型溶洞采用了路基填筑與明洞結構施工方案[4]，提高了溶洞底部承載能力，有效減少了工后沉降，經過持續工后監測證明施工方案安全可靠。永吉高速公路那丘隧道巨型溶洞采用了分層回填方案以及溶洞支護結構體系[5]，回填體沉降從施工到運營的一段時間都處于安全可控范圍。花梅[6]討論了幾種高鐵路基施工中常見的沉降監測方法，闡述了其工作原理并給出相應的適用條件。劉鵬[7]總結了測量對施工安全和施工時機選定的重要性，科學地指導了回填施工。鄭曉軍等[8]通過單點沉降計對路基全天監測，依托實際數據結合現場施工情況總結出路基產生沉降的原因，并提出相應的控制方法。王以榮[9]提出了利用有限元方法監測高填方路基沉降，分析結果并提出解決的辦法。蔡文霄[10]結合了現場實測數據和有限元軟件，深入研究路基回填工程中的一系列問題并給出了相應的控制措施。徐明等[11]通過對多個高填方工程的長期監測，得出了高填方長期的工后蠕變沉降與時間的對數大致呈線性關系的規律。

上述研究對溶洞回填沉降監測與預測研究有重要的參考價值，但針對隧道高位穿越巨型溶洞的鐵路工程，采用回填處置的方法較少，經回填產生的超厚回填體在施工期、運營期的沉降規律以及沉降預測的相關研究也比較少。文章以高山隧道巨型溶洞回填處置工程為研究對象，通過沉降監測研究施工荷載作用下溶洞內超厚回填體的沉降規律，建立了基于注漿減沉作用下的雙指數模型，用以預測超厚回填體沉降，研究表明高山隧道回填處置方案安全可靠，應用效果良好。

1 巨型溶洞工程概況

1.1 溶洞基本概況

巨型溶洞包括主溶洞、廳堂狀廊道和2個伴生支洞，如圖1所示。主溶洞呈北偏東45°發育，長約為450 m，并且在其南邊延伸出2號支洞，呈北偏東70°發育。廳堂狀廊道長約為124 m，底部塊石堆積體厚度約為50～65 m；隧道頂部凈空小，往常德方向還存在頂板侵線問題；隧道下部溶洞凈空較大，其高度為36～57 m，不論對施工還是工后運營都存在很大的安全隱患。隧道正洞長約71 m，與溶洞走向約呈42°夾角斜穿廳堂狀廊道和主溶裂隙通道。

1.2 回填施工方案簡述

針對該巨型溶洞，經研究決定使用“洞砟回填+上部注漿加固”的方法，洞砟回填示意圖如圖2所示。處置方案施工流程:溶洞底部到730 m高程面使用一般洞砟回填；在回填面上方施作一層50 cm厚止漿層；在止漿層到750 m高程使用級配洞砟回填并對回填體上部20 m范圍注漿；填筑5 m厚的級配碎石，完成后施作3 m厚的路基板基礎；再在路基板上方施工隧道明洞結構。

2 超厚回填體沉降監測設計

為了保證施工安全，并有效考察超厚回填體的沉降規律，必須監測超厚回填體的沉降，以防止回填體塌陷和不均勻沉降對施工造成的危害。因此，在施工現場建立了沉降在線監測系統，監測數據可預測回填體內部沉降變形的發展態勢，為工程實踐提供理論支撐。

2.1 表層沉降監測設計

沿隧道中心線路布設了上、中、下3條測線，分別位于左、右側邊墻的外側以及隧道中心線，每條測線設有6個監測點，測點上布置壓差式靜力水準儀，編號為BU1～6、BM1～6和BD1～6，再在每條測線平導口穩定的巖壁上布設一個基準點，如圖3所示。

2.2 分層沉降監測設計

分層沉降監測的對象是新增回填體和底部原先就有的堆積體，沿左右側邊墻和線路中心一共布置了6個測孔，包括5個淺孔和1個深孔，淺孔編號為FQ1～5，主要監測上部回填體的分層沉降；深孔編號為FS1，主要監測底部巖溶堆積體的分層沉降，測點分布如圖4所示。將多點位移計根據測孔深度和擬監測深度埋置4～5個在測孔內，各測點相隔10 m，共設29個測點，如圖5所示。

圖4 測點布置平面圖

圖5 測點布置剖面圖

3 超厚回填體沉降規律分析

3.1 表層沉降監測數據分析

當開始對超厚回填體進行上部注漿時，運行表層沉降監測系統，每隔4 h記錄一次沉降值，每天的沉降值取當天沉降平均值，共監測記錄382 d。為高效分析沉降規律，特將全部監測時間段分為監測前期、中期和后期，其前期和中期各為140 d、后期為102 d。根據監測所得數據繪制出累計沉降量如圖6所示。

圖6 超厚回填體表層沉降量曲線圖

通過圖6可以看出:

(1)3條測線測點的增長速率雖快慢不一，但從整體來看各測點的沉降發展規律相近。監測前期初始階段為瞬時沉降階段，因為有新增荷載，各條測線的累計沉降量都增長迅速，然后隨著施工的逐步完成，各條測線的增長速率逐漸降低，這說明早期的回填體不夠密實，隨著隧道上部施工荷載增大，回填體也逐漸被擠壓密實；監測中期沉降速度幾乎不變，回填體沉降進入主固結沉降階段；監測后期回填體上方沒有新增荷載，沉降趨于穩定，說明已進入次固結沉降階段。

(2)比較各測線的沉降趨勢可發現，不同位置對沉降造成影響的程度不盡相同。從沉降量曲線的增長速率來看，上、下測線的沉降主要發生在回填施工開始階段，到中后期回填進入尾聲后沉降逐漸穩定下來；而中間側線與上、下測線差異較大，前期增長緩慢，當隧道明洞結構施工開始后沉降快速增長。這說明兩邊回填體密實性較中部回填體的密實性差，這與現場施工基本一致，主要是溶洞周邊施工不便，回填體受新增荷載后有壓密沉降，主要發生在監測前期；線路中心上的測點主要受隧道主體結構施工荷載影響，沉降主要發生在監測中期，即隧道明洞施工階段。

綜合上述分析結果，沉降量隨時間逐漸增加，沉降速率隨時間逐漸減小，回填體沉降主要受自身重力和新增荷載影響，隨著施工進入尾聲，新增荷載逐漸消失，回填體沉降趨于穩定，至隧道明洞結構施工結束，回填體沉降已完成總沉降的絕大部分。

3.2 分層沉降監測數據分析

從洞砟回填施工后第35 d開始(即鋼筋混凝土路基板施工開始)監測回填體分層沉降，一共監測337 d，其中前237 d是施工期，后面100 d是靜置期。兩測點之間的沉降差值即為測點之間回填體的分層沉降量。

通過圖7中各測點沉降曲線的變化，并結合溶洞內施工情況，可以看出:

圖7 回填體各測點沉降曲線圖

(1)埋深0～-7 m范圍內是摻5%級配碎石層和注漿洞砟層，該分層累計沉降量均＜3 mm，說明該分層回填體注漿加固效果好；埋深-7～-17 m范圍內也是注漿洞砟層，該分層累計沉降量大約為9 mm，說明注漿對抑制回填體沉降有明顯作用；埋深-17～-27 m范圍內是洞砟注漿層的下部以及相鄰的未注漿層頂部，該分層累計沉降量10～30 mm，FQ2測點分層沉降變化最大，經分析是因為該處注漿不足，導致沉降變形量大；FQ4和FQ5測孔在深度-27～-47 m范圍內沉降量均＞25 mm，因為這層是洞砟未注漿層的頂部，這一層內的洞砟孔隙較多且不密實，所以容易產生沉降。

(2)通過每一層沉降值對比可知，沉降產生的主要區域是回填洞砟未注漿層和注漿層底部的注漿不充分層，對于注漿充分的回填體，其沉降顯著減小。

3.3 底部堆積體沉降監測分析

深孔內FS1測點沉降曲線如圖8所示。

圖8 FS沉降曲線圖

通過圖8可以看出，分層壓縮量在上部較大，越往下越小。其中-40～-50 m之間主要由回填體沒有注漿層和溶洞新近塌落體組成，分層沉降量最大，說明填筑體之間還存在著較大孔隙；-50～-60 m之間主要是由溶洞早期堆積體組成，因長期受溶洞落石的沖擊作用已變得較為密實，所以分層沉降量較小；-60～-80 m之間FS1-3、FS1-4、FS1-5等3個測點的沉降曲線幾乎重合，沉降速率也基本是相同的，說明底部堆積體下部固結完成，孔隙率極小，隧道施工新增荷載與上部回填體對此部分堆積體基本沒有影響。

4 超厚回填體沉降預測

隧道施工完成后，超厚回填體的沉降也基本完成，但之后因為自身重力和列車動載的影響，沉降還會緩慢增加，溶洞段隧道明洞結構設計時預留50 cm凈空，為證明能否安全運營，采用沉降預測模型計算超厚回填體的最終沉降[12-15]，以保障隧道安全。

4.1 常用沉降預測模型分析

對于回填體沉降預測，已有不少預測方法，現以常用的指數模型、拋物線模型和雙曲線模型對超厚回填體沉降監測數據進行分析，具體如下:

4.1.1 指數模型沉降預測

選擇線路中線沉降量較大的測點BM2進行沉降預測，以該測點的預測沉降量代表回填體表層整體沉降。

擬合沉降曲線如圖9所示，擬合后獲得曲線公式由式(1)表示為

圖9 回填土沉降實測曲線與指數曲線擬合圖

式中S為沉降量，mm；t為天數，d。

擬合曲線與實測曲線擬合度R=0.99，符合QCR9230—2016《鐵路沉降變形觀測及評估技術規程》[16]，可以進行回填體沉降預測。

4.1.2 拋物線模型沉降預測

選擇線路中線沉降量較大的測點BM2進行沉降預測，以該測點的預測沉降量代表回填體表層整體沉降。擬合前后沉降量S由式(2)和(3)表示為

式中y為固變量；x為自變量；a、b為沉降擬合參數。

擬合沉降曲線如圖10所示，R=0.99，符合QCR 9230—2016關于擬合度≥0.92的要求，可以進行回填體沉降預測。

圖10 回填土沉降實測曲線與拋物線擬合圖

4.1.3 雙曲線模型沉降預測

選擇線路中線沉降量較大的測點BM2行沉降預測，以該測點的預測沉降量代表回填體表層整體沉降。

圖11 回填土沉降實測曲線與雙曲線擬合圖

R=0.99，符合QCR 9230—2016關于擬合度≥0.92的要求，可以進行回填體沉降預測。

4.1.4 各沉降模型對比

指數法、拋物線法和雙曲線法沉降預測模型的沉降預測結果見表1，通過預測結果發現，3種預測方法均證明巨型溶洞主洞中線測點BM2表層沉降在運營100 a后仍滿足施工及運營要求。

由表1可看出，指數曲線模型預測的沉降值相對最小，且5 a之后沉降量穩定不再增長，基本符合現有理論規律；拋物線曲線模型預測的沉降值相對最大，但直至100 a后都沒有明顯收斂趨勢，說明與實際不符；雙曲線模型預測的沉降值前期低于指數模型結果，后期大于指數模型結果，且緩慢增長，基本符合沉降規律。

表1 測點BM5預測結果對比表/mm

4.2 考慮注漿加固的雙指數沉降預測模型分析

通過3種沉降模型分析對比，現有沉降預測模型均沒有考慮注漿減沉，從而沉降預測值偏大。為了準確預測巨型溶洞超厚回填體沉降，基于分層沉降曲線規律，在指數模型基礎上考慮注漿減沉作用，提出一種雙指數曲線模型，并根據已有的沉降數據對其驗證分析。

傳統指數法預測模型表達式由式(5)表示為

式中a′、b′、k為沉降擬合參數。

由于加入了注漿，需考慮注漿減沉作用，以此為依據完善傳統指數法，修正后雙指數模型表達式由式(6)表示為

式中A0、A1、B1為沉降曲線擬合參數；a″為注漿減沉對沉降量的控制效果；b″為注漿減沉對沉降時間的控制效果。

為證明雙指數曲線模型的適用性，根據已有FQ3測點沉降數據進行比對。由圖8可知，FQ3設置的測點中，埋深在5～25 m之間的是經過注漿的回填體范圍內，埋深在25～45 m之間的是沒有經過注漿的回填體范圍內，取這兩層的沉降量觀測數據，再基于該數據將經過注漿減沉及未經過注漿減沉的回填體沉降量用考慮注漿作用的雙指數模型進行計算，結果如圖12所示。

圖12 FQ3測點回填體沉降曲線圖

經過計算對比分析，雙指數曲線模型可以很好的預測經過注漿減沉的回填體沉降，將雙指數曲線模型預測結果列于表2，可發現因為雙指數曲線模型考慮過注漿減沉的作用，預測值與實測值誤差甚小，經雙指數模型計算，最終表層沉降量為246.79 mm，其中施工階段為227.68 mm，隧道閉合后為19.11 mm，小于隧道結構預留凈空500 mm。

表2 測點FQ3預測結果表

為預防超厚回填體的工后沉降影響隧道的安全運營，在洞砟回填時就采用了振動碾壓和上部注漿等減沉手段。每回填洞砟3～5 m厚就立馬攤平、振動碾壓一次。由于回填量巨大，考慮到下部回填體因受上部土壓已比較密實，且工后沉降以蠕變沉降為主，沉降量較小；所以沒有實施回填體全部注漿加固，僅對上部回填體進行注漿加固。沉降監測表明，采用“洞砟回填+上部注漿加固”處置方案回填體沉降合理可控，技術合理可靠。

5 結論

由以上研究可知:

(1)超厚回填體自身重力和上部新增施工荷載是引起超厚回填體沉降的主要因素，而各層的沉降量又不盡相同:回填體注漿不充分層、回填體未注漿層和巖溶堆積體表層是產生沉降的主要區域；而摻5%級配碎石層、回填體注漿層和深部堆積體產生的沉降較小；超厚回填體的沉降與施工完成后自身蠕變沉降相關性甚小。

(2)埋深0～-17 m范圍內是摻5%級配碎石層和注漿洞砟層，該分層回填體沉降較少，說明注漿可有效減少沉降；埋深-17～-27 m范圍內是洞砟注漿層的下部以及相鄰的未注漿層頂部，該分層回填體沉降較大，主要是因為注漿不足；埋深-27～-47 m范圍內是洞砟未注漿層的頂部，沉降最大。

(3)已有沉降預測模型如指數模型、拋物線模型和雙曲線模型均沒有考慮注漿加固對沉降規律的影響，導致沉降預測值過大。基于分層沉降曲線規律和傳統指數模型，考慮注漿減沉作用，提出適用于巨型溶洞超厚回填體的雙指數曲線沉降預測模型，并基于實測數據進行了驗證，經驗證分析可知，雙指數曲線模型可以很好的預測經過注漿減沉的回填體沉降。