隧道穿越大型充填溶洞綜合處治技術研究

2023-03-17 08:21:21劉東袁通姚宇洪

西部交通科技 2023年11期

劉東　袁通　姚宇洪

摘要：針對隧道穿越大型充填溶洞處治技術難題，文章結合廣西天峨至巴馬高速公路150余處充填型溶洞處治實例，借助數值計算、理論分析和現場試驗手段，系統開展了充填型溶洞處治及效果研究，提出采用加強型襯砌、框架型初支結構、雙層超前支護、CRD素混凝土臨時仰拱澆筑法、大鋼管鎖腳、鋼管樁仰拱基底預加固法等綜合處治技術。結果表明：該綜合處治技術對隧道安全、快速穿越大型充填溶洞效果顯著，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：巖溶隧道；充填溶洞；綜合處治技術

0引言

巖溶區域廣泛分布于我國的貴州、云南、廣西、四川等省區，其面積約占我國國土面積的1/3。由于長期受地下水溶蝕作用，可溶巖易溶解形成溶腔或大型溶洞。當溶洞與地表土層連通后將充填巖土碎屑和地下水，會給隧道工程建設帶來極大的安全風險。因此，研究充填型溶洞隧道圍巖穩定性和處治技術等受到諸多學者的關注。

李術才等為研究隧道承壓型隱伏充填溶洞涌水突泥災變演化過程，自主研發了大型隧道涌水突泥災變演化模擬試驗系統，試驗結果對隧道涌水突泥機制的研究和災害防治具有一定指導意義［1-2］；向明清基于兩端固結梁理論建立力學分析模型，推導了隱伏充填溶洞失穩的最小安全厚度，分析了其影響敏感參數，并根據分析結果提出相應的施工治理措施［3］；鄧書金等通過室內試驗，研究巖溶隧道充填型隱伏溶洞涌突水持續時間特征，研究結果對于隱伏溶洞涌突水災害預警與防治措施具有一定的理論指導價值［4］；韓鵬通過對比不同裝置類型下不同充填類型溶洞的地電學特征，分析其正反演結果，為充填型溶洞探測提供理論和實踐指導［5］。本文結合天峨至巴馬高速公路150余處充填型溶洞處治實踐，借助數值計算、理論分析、現場測試等綜合手段，對隧道穿越充填型溶洞處治技術進行研究，并分析處治效果。

1 工程概況

天峨至巴馬高速公路全長約105 km，隧道總長49 997.5 m/49座，占比達47.6%。全線隧道位于喀斯特地貌巖溶發育區，地下暗河眾多。據統計，隧道施工過程中揭露溶洞上千處，其中充填型溶洞總計150余處。

本項目充填型溶洞發育區域存在如下特點：（1）區域內匯聚有大量的地下水[KG（0.12mm]加速可溶巖的溶解，例如地表洼

地附近，與地表連通的巖溶裂隙、管道和地下暗河等；（2）區域內圍巖受地質構造作用圍巖破碎，例如斷層、褶皺等，使地下水的流通更加順暢。地表水流將地表黏土、碎石土等順巖溶裂隙、管道帶入溶洞，經過長時間的演化、沉積和溶洞巖壁崩落風化等行為，形成具有一定層次、夾雜大塊孤石的沉積物。該沉積物多呈欠固結狀態，承載力低，含水率較高，細顆粒以砂狀、粉砂狀為主，其與大塊孤石間膠結差，自穩能力差，施工風險高。本文結合上述充填型溶洞特點，研創出一套具有針對性的隧道穿越大型充填溶洞綜合處治技術。

2 綜合處治技術

該綜合處治技術包含襯砌支護設計、雙層超前支護設計、開挖工法設計、鎖腳支護設計和仰拱底軟基處治設計等，適用于隧道全斷面為溶洞充填物段落施工處治，同時也適用于洞身局部范圍圍巖為溶洞充填物，可針對性地采取其中部分處治技術。

2.1 襯砌支護設計

2.1.1 加強型襯砌

在充填型溶洞段隧道施工，由于圍巖自穩能力差，塑性圈相對較大，松散土層作用于隧道襯砌荷載較大，因此充填型溶洞段初支和二襯均需進行加強。現場實踐總結：充填型溶洞段隧道初支采用Ⅰ22b型鋼，間距為50 cm，此參數在保證初支滿足圍巖荷載要求的同時能減少單次進尺，在一定程度上保證充填型溶洞段隧道施工安全。

針對充填型溶洞段隧道二襯支護，采用荷載結構法計算隧道襯砌結構受力，根據計算結果進行充填型溶洞段隧道二襯截面設計和配筋。二襯采用60 cm厚C35鋼筋混凝土，主筋采用25 mm鋼筋，間距為20 cm。驗算結果如下頁圖1～3和表1所示。

2.1.2 框架型初支結構

充填型溶洞段隧道初支受力大，掘進過程中易發生塌方或大變形，而初支發生塌方或大變形后破壞位置多為拱架接頭部位，且拱架多為受扭破壞。從拱架受力性能分析，主要原因在于細長型弧形拱架雖抗彎性能較強，但截面抗扭性能弱，且拱架接頭部位多為薄弱點。針對這一實際問題，研創了一種簡便經濟的初支加強技術：在拱架接頭部位兩端各焊接一根Ⅰ14型鋼加強主拱架的縱向連接，形成框架型初支結構受力體系，具體如圖4所示。該技術既增強了初支型鋼整體抗扭性能，同時解決了拱架接頭部位較薄弱問題。經實踐證明，這一初支加強技術對隧道穿越充填型溶洞施工效果顯著，該技術亦可應用于軟巖、洞口覆土層等隧道段落施工。

2.2 超前支護設計

2.2.1 雙層超前支護

溶洞沉積物多為欠固結土層，并夾雜有大塊孤石，土層含水率較高，內摩擦角小，孤石與土層間粘結性能差。在隧道開挖過程中，拱頂極易發生孤石滾落，并伴隨土層掉落，施工風險極大。針對此特性，創新采用雙層超前支護體系，即9 m長89×6 mm超前短管棚+5 m長50×5 mm超前鋼管，89×6 mm超前短管棚環向間距為40 cm，縱向排距為4 m，外傾角度為15°～20°，50×5 mm超前鋼管環向間距為40 cm，縱向排距為4 m，外傾角度為5°～12°。50×5 mm超前鋼管與89×6 mm超前短管棚之間環向和縱向對中錯排布置，如圖5所示。

為增加89×6 mm超前鋼管剛度，打設鋼管前在鋼管內塞入鋼筋籠，89×6 mm鋼管與50×5 mm鋼管管內均填充砂漿，增強整體剛度，如圖6所示。為保證短管棚打設角度不宜過大，可在初支鋼架上打孔，使89×6 mm鋼管從鋼架腹部穿過，鋼管尾部與鋼架焊接。由于鋼架上打孔孔徑較大，對拱架受力性能影響較大，需在管棚端頭部位下方架立4榀復拱，待二襯施工至此部位時，再拆除復拱。

2.2.2 雙層超前支護體系受力機理分析

采用超前短管棚+超前鋼管結合的雙層超前支護體系，充分發揮了兩者超前支護的優勢。

超前短管棚剛度大、防護距離長，能起到較強的懸挑作用，預防突發性的拱頂塌方、孤石滾落等地質災害。由于管棚鋼管較長、外傾角度較大，利用管棚注漿，對拱部松散圍巖加固范圍更大，拱部形成較厚的硬殼層。管棚間插入50×5 mm超前鋼管，并與下一環管棚形成交叉搭接形式，通過小導管注漿對硬殼層進一步加固，可避免管棚中間土層滑落。管棚與小導管形成雙層梁拱效應，兩者相輔相成，共同受力。

2.3 開挖工法設計

巖溶填充物一般呈砂狀或粉砂狀，粘聚力低。隧道開挖時拱頂和掌子面土層自穩能力差，大斷面開挖易引發拱頂或掌子面塌方。針對此問題，設計采用CRD開挖工法，減少掌子面臨空面并降低開挖高度。對于CRD開挖工法，以往設計中采用弧形型鋼并噴射混凝土形式作為臨時仰拱，但此工法存在如下弊端：（1）施工工藝較為復雜，當上臺階處于快速變形狀態時，由于本工藝操作時間長，不能起到及時控制變形的作用，且工人操作存在一定安全風險；（2）臨時仰拱作用發揮完畢后進行拆除較為困難。針對此問題，將弧形型鋼+噴射混凝土形式臨時仰拱優化為30 cm厚素混凝土臨時仰拱，此工藝可直接采用泵送混凝土形式澆筑，當上臺階變形大時能快速抑制變形并保證作業人員安全，在臨時仰拱作用發揮完畢后進行拆除也十分便利。

2.4 鎖腳支護設計

巖溶填充物內鎖腳錨管受力較為復雜。隨著溶洞填充物的沉降變形，初支受上部荷載作用通過拱架傳遞至鎖腳錨管，給鎖腳錨管施加豎向壓力；初支受兩側松散土層的側向擠壓，向內收斂變形，給鎖腳錨管施加向內的拉拔力；鋼拱架給鎖腳錨管施加豎向壓力的同時，會在鎖腳錨管的端頭部位產生彎矩；同時隨著鎖腳錨管的位移，在鎖腳錨管表面產生摩阻力和橫向支撐力，錨管末端同時產生支撐力。具體受力模型如圖7所示。

根據圖7鎖腳錨管受力模型分析可知，在巖溶填充物內，鎖腳錨管主要受土體表面摩阻力和拱架帶來的壓力和彎矩。基于此，為增強鎖腳錨管的鎖腳效果，可通過增大鎖腳錨管的表面積、摩阻系數等提高鎖腳錨管的表面摩阻力；通過增加錨管橫截面以提高鎖腳錨管的抗彎性能。因此，充填型溶洞段落上臺階采用9 m長89×6 mm鎖腳大鋼管，考慮下臺階機械操作的便利性，下臺階拱腳部位采用5 m長50×5 mm鎖腳鋼管進行鎖腳加強（見圖8），同時在鎖腳鋼管上設置倒刺形式，以增強鎖腳錨管的表面摩擦系數，具體可參考圖6方式設置倒刺。

2.5 仰拱底軟基處治設計

2.5.1 鋼管樁仰拱基底預加固

針對隧道底部發育較厚溶洞填充物情況，經觸探試驗其承載力往往難以滿足設計要求，且壓縮變形較大，因此需對隧道基底進行加固處治，以避免結構物沉降變形過大。由于采用換填方式難以達到處治效果，且當開挖較深時易導致初支失穩，而大型機械無法在隧道內操作，因此選用鋼管樁進行隧道基底加固。由于復合地基加固處治時間較長，且鋼管注漿加固前期注入的漿液對基底進一步軟化，為保證處治過程中初支穩定，可在下臺階開挖前預先采用鋼管樁進行地基加固，并施作臨時仰拱和鎖腳大鋼管等措施，待漿液凝固后再進行下臺階開挖并截斷下臺階部位鋼管，如下頁圖9所示。仰拱開挖后，在鋼管樁樁頂鋪設一層50 cm厚的碎石褥墊層和鋼筋混凝土承臺，保證鋼管樁整體受力并充分發揮樁間土承載力，如下頁圖10所示。

仰拱底軟基處治時，應避免一次性開挖仰拱長度過長，建議每6 m一循環開挖，待基底處治完畢并封閉成環后再進行下一循環施工。

2.5.2 復合地基承載力測試

為驗證鋼管樁對隧道底軟基的加固效果，采用靜載荷試驗對復合地基承載力進行測試，測試結果如表2和圖11所示。

由表2和圖11可知，隨附加荷載逐漸增大，地基沉降總體呈線性增大趨勢，當施加至396 kPa時最大沉降量為20 mm，滿足隧道基底承載力和地基沉降變形控制要求。當附加荷載消除時，地基殘余沉降變形為18.38 mm，這主要是由土顆粒間孔隙壓縮引起的。

3 結語

（1）數值分析結果表明：加強型襯砌支護參數滿足隧道在充填型溶洞內結構受力要求。通過加強初支型鋼縱向連接，形成框架型初支結構體系，能極大地提高隧道初支承載力。

（2）分析超前短管棚+超前鋼管雙層支護體系受力機理，表明兩者相輔相成，形成雙層梁拱效應。該雙層超前支護體系對隧道下穿充填型溶洞或在其他軟巖、土質圍巖等施工效果顯著。

（3）研究鎖腳錨管在巖溶填充物段落的受力機理，表明采用加大鎖腳錨管長度、截面尺寸和鋼管表面設置倒刺等形式能在一定程度上增強鎖腳作用。采用CRD工法開挖，同時創新性地采用素混凝土臨時仰拱澆筑法，能有效確保隧道安全穿越充填型溶洞。

（4）充填型溶洞段內創新性采用鋼管樁仰拱基底預加固法，能保證隧道下臺階開挖和軟基處治過程中結構穩定；靜載荷試驗研究結果表明，該復合地基加固法效果顯著。

參考文獻：

［1］李術才，潘東東，許振浩，等.承壓型隱伏溶洞突水災變演化過程模型試驗［J］.巖土力學，2018，39（9）：3 164-3 173.

［2］馮源.巖溶地區隱伏溶洞誘發公路隧道頂部圍巖塌方破壞模式研究［D］.長沙：長沙理工大學，2019.