溶洞空腔回填量對隧道穩定性的影響分析

嚴健雄

[摘? 要]：隨著高速鐵路建設向著巖溶發育地區發展，高速鐵路隧道修建遇到了越來越多的溶洞，溶洞空腔會給隧道施工帶來許多不可預測的危險。文章針對溶洞回填量對隧道穩定性造成的影響進行分析，利用有限元軟件FLAC3D對不同回填情況進行了數值模擬，通過分析隧道變形，發現超量回填反而會對隧道施工造成不良影響，回填距離隧道1倍洞徑范圍內的溶洞空腔就能將溶洞對隧道的影響降到最低。

[關鍵詞]：溶洞; 回填量; 數值模擬; 隧道變形

U455.49A

我國的西南部屬于多山區域，山嶺中的地形地貌復雜多變，在修建隧道工程時，常常會遇到溶洞的阻礙。有時會限于地形特殊而無法避開溶洞，只能盡量遠離溶洞區域[1]。以往研究發現溶洞會增大隧道靠近溶洞側的位移和正彎矩，采用臺階法進行洞內施工較為安全可靠[2]。溶洞與隧道的影響間距范圍為0～1倍洞徑，對溶洞進行回填可以改善圍巖應力狀態，并減小圍巖變形以及圍巖塑性區[3]。

本文在以往研究的基礎上，分析了回填量對隧道穩定性的影響，旨在得出可靠且經濟的回填方案，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

國內西南片區擬建一條高速鐵路隧道，擬建隧道穿越巖溶地層，地處山嶺區域，地勢陡峭，巖層分布錯綜復雜，地震斷裂帶分布廣。擬建隧道沿線出現了大型溶洞，洞內有一巨大的空腔，溶洞大廳高度在20～60 m，沿線路縱向長度56 m，橫向最大寬度105 m，溶洞底部是成分復雜的堆積體，溶洞段隧道距離地面約60 m，溶洞和隧道最近距離為8.53 m。

2 模型及參數

選取隧道與溶洞距離最近的橫斷面進行建模。模型的長寬高尺寸為56 m×200 m×180 m，隧道最大高度11.38 m，最大寬度13.62 m，初支厚0.15 m，二襯厚0.4 m，隧道拱頂距離地面60 m。

利用洞碴分級回填溶洞空腔，第一層回填高度為20 m，第二～五層回填時按每層10 m的高差進行回填。經過初步研究討論后，決定先回填隧道正下方的第一層和第二層，以確保施工過程中隧道底部不會出現塌陷。其中，圍巖和隧道二襯均采用實體單元進行模擬，隧道的初支采用殼單元進行模擬，錨桿采用錨索單元進行模擬。模型的橫斷面如圖 1所示。

根據現場勘探提供的地質資料可以得到圍巖以及堆積體的物理力學參數，如表1所示。

該隧道模型的支護包括初支（C30）、二襯（C35）和錨桿，它們的參數如表2所示。

3 模擬結果分析

3.1 終態分析

選取數值模擬結束后模型的最終狀態進行分析，利用布置的監測點位提取隧道的豎向位移和水平位移結果。圖 2為模擬結束后不同回填條件下隧道洞周的豎向位移情況，最大隆起出現在仰拱底，最大沉降出現在拱頂和右拱肩。對比柱狀圖中各個測點的豎向位移量可以發現，在隧道拱頂處，回填至第三層時測點的豎向位移比回填至第二層時減小了約27.3%，并且在其它各個監測點相對其它3種情況也更小。圖 3為模擬結束后不同回填條件下隧道洞周的水平位移情況，最大水平位移出現在左墻腳處，從柱狀圖中可以看出，溶洞回填至第三層時，隧道左墻腳處的水平位移比回填至第二層減小了約16.4%，繼續回填之后水平位移反而增大。

從模型最終狀態豎向位移和水平位移的分析中可以看出，回填至第三層時的隧道變形要優于另外3種回填情況。

3.2 過程分析

針對回填2層、回填3層、回填4層以及完全回填這4種情況，分析仰拱底豎向位移和左墻腳水平位移隨施工步的變化情況。

4種回填情況下，隧道位移的變化趨勢基本一致。從圖 4和圖 5中都可以看出，對比4種回填情況，回填至第三層在所有結果中表現最佳，這是由于第三層回填層是距離隧道最近的回填層，其與隧道右墻腳的最小距離為8.53 m，小于1倍洞徑，所以能對隧道的變形產生較大的影響。其他2層回填層與隧道的距離超出了1倍洞徑的范圍，繼續回填反而對隧道造成了負面影響，仰拱底的隆起量和左墻腳的水平位移量均有所增加。

綜上所述，回填至第三層時隧道具有良好的穩定性。

4 結論

結合終態分析和過程分析2種方式，分別對4種回填情況的豎向位移、水平位移以及圍巖壓力進行了研究，并通過分析得出了最優的回填方案。

在距離隧道較近處出現大型溶洞時，溶洞回填量越大并不代表會帶來越好的結果，超量回填反而會對隧道造成負面影響，會導致隧道的變形增加。所以當出現類似距離隧道較近的大型溶洞時，若采用回填方案治理溶洞，則回填量應該依具體情況而定，超出隧道1倍洞徑以外的區域可不進行回填，這樣既能保證隧道的安全性和穩定性，也能達到節省施工成本的目的。

參考文獻

[1] 劉建國. 貴廣鐵路坪山隧道巖溶發育情況分析[J]. 鐵道工程學報， 2015， 32（4）： 86-90.

[2] 裴樹林. 深埋大斷面隧道穿越大型隱伏溶洞施工工法比選[J]. 鐵道建筑， 2017， 57（9）： 74-77.

[3] 李元海，楊蘇，喻軍，等. 大型溶洞對隧道開挖穩定性的影響分析[J]. 現代隧道技術， 2016， 53（4）： 52-60.