隧道大角度下穿既有隱伏溶洞最小頂板厚度的確定及工程問題分析

李曉林 張行道 雷路路 何鑫和

1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司 廣東深圳 518083；2.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300000；3.西安建筑科技大學(xué)隧道與地下結(jié)構(gòu)工程研究所 陜西西安 710055

我國巖溶具有分布廣、面積大的特點，尤其在云、貴、川等西南地區(qū)修建隧道時巖溶是最常見的不良地質(zhì)[1]。在巖溶段隧道的施工中，由于溶洞相對于隧道的位置、類型、填充程度各不相同，使得巖溶段隧道施工安全的風(fēng)險增大。若溶洞位于隧道下方，容易導(dǎo)致隧道底板的失穩(wěn)塌落；若巖溶位于隧道頂部，易導(dǎo)致隧道的坍塌；若隧道穿越高富水巖溶，易給隧道造成涌水突泥的危險[2]。

國內(nèi)許多學(xué)者對巖溶隧道進(jìn)行了研究，馬明月等[3-4]研究了超前地質(zhì)預(yù)報在巖溶隧道的應(yīng)用；張磊等[5-6]研究了充填溶洞的處理技術(shù)；趙勇等[7-8]進(jìn)行溶洞與隧道安全距離的研究。但對隧道下穿既有隱伏溶洞的頂板厚度問題研究較少，以下主要進(jìn)行就隧道與溶洞最小頂板厚度和受較大結(jié)構(gòu)面控制的巖柱塌陷進(jìn)行研究。

1 溶洞與隧道相互影響系統(tǒng)的簡化模型

在巖溶段隧道工程中，隧道圍巖的穩(wěn)定性受到溶洞位置、大小等因素的影響[9]，因此對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究時，通常將隧道受溶洞的影響因素進(jìn)行合理的簡化，形成簡單易算的力學(xué)模型。宋戰(zhàn)平等[10]假設(shè)溶洞在隧道上方是一個球形溶洞，且溶洞直徑尺寸小于2 倍隧道尺寸時，其簡化模型如圖1 所示。

圖1 隧道簡化模型

2 大跨度溶洞時隧道施工中的幾個問題分析

2.1 溶洞與隧道間巖柱垮塌機(jī)理分析

當(dāng)隧道施工沒有進(jìn)入影響溶洞穩(wěn)定的范圍時，巖柱受到周邊巖體的約束，處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)周圍巖體因隧道施工受到擾動時，對巖柱位移的約束消失，巖柱可能發(fā)生破壞，造成隧道拱頂坍塌事故。從分析隧道施工時巖柱中受力變化情況入手進(jìn)行隧道頂板巖柱破壞原因的研究。

（1）因隧道施工的影響，巖柱周圍巖體被破壞，巖柱的位移約束消失，此時隧道頂板力學(xué)簡化示意圖如圖2 所示。巖柱在重力的作用下，巖柱臨隧道一側(cè)將會出現(xiàn)拉應(yīng)力，而臨溶洞一側(cè)將會出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力；若拱頂側(cè)拉應(yīng)力超過巖柱的抗拉強(qiáng)度，巖柱將發(fā)生破快，引發(fā)拱頂?shù)奶?/p>

圖2 隧道頂板力學(xué)示意圖

（2）對于含水溶洞而言，隧道施工引起巖溶水的流失，溶洞周圍巖體含水率下降，改變了巖柱的受力狀態(tài)，巖體的浮托力降低，巖柱的荷載增加，當(dāng)荷載超過巖層承載極限后，巖柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致隧道拱頂?shù)奶?/p>

（3）隧道鉆爆法施工時，會對周邊巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆破沖擊波，對巖柱造成結(jié)構(gòu)破壞，增大了地下水徑流通道，導(dǎo)致隧道拱頂發(fā)生剪切破壞。

在上述共同作用影響下，隧道施工過程中拱頂巖柱初始狀態(tài)被打破，引起隧道拱頂?shù)奶瑢λ淼朗┕さ陌踩①|(zhì)量和工期造成嚴(yán)重的影響。

2.2 巖溶隧道最小頂板厚度問題

2.2.1 隧道與溶洞間巖柱的簡化模型

對于頂部溶洞的隧道工程而言，隧道施工時保證拱頂?shù)陌踩且粋€關(guān)鍵問題，拱頂與溶洞間巖柱的最小厚度關(guān)系到隧道施工的安全、質(zhì)量和效率。

對于頂部溶洞而言，其在隧道橫向尺寸大于隧道軸向尺寸，因此，在其自重和人為荷載的影響下，其兩端可簡化為簡支模式。對于對隧道危害最大的較薄巖柱的情況，可將頂板視為薄板。根據(jù)隧道頂板的狀態(tài)可將巖柱簡化為兩種力學(xué)模型進(jìn)行分析。

（1）四端簡支的薄板，其力學(xué)模型如圖3 所示。對于頂部存在大跨度溶洞或溶洞軸線與隧道軸線小角度相交的情況，因上部臨空，四邊巖層無挾制作用或巖體中存在較大裂隙，但是仍可由巖體支撐，其力學(xué)模型可簡化為四端簡支的薄板；

圖3 四端簡支薄板力學(xué)模型

（2）兩端簡支，對邊自由的薄板，其力學(xué)模型如圖4所示。在隧道跨度方向上，因上部臨空，兩端巖層無挾制作用，可視為簡支；而在溶洞跨度方向上，巖體中存在貫穿性的較大裂隙，可視為自由邊界。

圖4 兩端簡支薄板力學(xué)模型

2.2.2 隧道頂板安全厚度的經(jīng)驗估算法

隧道頂板的安全厚度是指施工過程中保證隧道與溶洞之間巖層穩(wěn)定性的最小巖層厚度[11]。此厚度保證在隧道的施工過程中不會引起拱頂?shù)奶_保隧道施工順利的進(jìn)行。

在隧道施工時，在爆破振動等因素的影響下，巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重分布，圍巖強(qiáng)度降低，對我國西南地區(qū)多處巖溶隧道塌方資料的分析，隧道頂部松動帶的高度按式(1)進(jìn)行估算。

式中：B——隧道的跨度，m；

I——B＝5m 的圍巖垂直荷載高度為準(zhǔn)，B每增減1m 時的圍巖垂直荷載高度增減率；當(dāng)B＜5 時，取i＝0.2；B＝5～15m 時，取i＝0.1；B＞15m 時，取i＝0.1；

S——圍巖的級別。

考慮到鉆爆法開挖過程中，強(qiáng)烈的沖擊波會對圍巖造成破壞，降低圍巖強(qiáng)度，為保證隧道頂板的安全，將安全系數(shù)取為2，以確保隧道開挖時的隧道頂板安全。因此，隧道的最小安全頂板厚度可按式(2)估算。

按式(2)計算出隧道頂板的最小安全厚度，如果小于溶洞與隧道間巖柱厚度，則可以推斷隧道頂板是比較安全的；反之隧道頂板是不安全的，必須對其進(jìn)行預(yù)處理，保證隧道頂板的安全。

2.3 受較大結(jié)構(gòu)面控制時的巖柱塌陷分析

隧道在斷層帶的附近施工時，常常會發(fā)生一些較大規(guī)模、有突發(fā)性的陷落現(xiàn)象。此類隧道災(zāi)害一般規(guī)模較大，調(diào)查表明，此類危害受到巖脈、斷層或較大結(jié)構(gòu)面的影響較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度弱化或不足時，將會導(dǎo)致柱狀體的塌落，造成隧道事故。此類事故的發(fā)生主要有兩種類型：第一種塌陷一般在隧道開挖爆破時發(fā)生，對施工人員和設(shè)備的危害性相對較小；第二種塌陷一般發(fā)生在有較大規(guī)模且具有充填性質(zhì)溶洞段，且發(fā)生時間一般滯后于掌子面開挖時間，所以第二種塌陷因其一定的隱蔽性對隧道施工人員和設(shè)備的危害性較大，因此論文主要針對此類坍塌進(jìn)行分析。

根據(jù)對巖溶區(qū)隧道頂板巖柱塌陷資料的綜合分析，認(rèn)為易形成隧道頂部巖柱塌陷條件如下：

（1）在以自重應(yīng)力場為主的巖溶地區(qū)，易出現(xiàn)隧道頂板巖柱的塌陷問題。與構(gòu)造應(yīng)力大的巖溶地區(qū)相比，以自重應(yīng)力場為主的巖溶地區(qū)，其最大主應(yīng)力為豎直方向，而水平向應(yīng)力相對較小，這種應(yīng)力狀態(tài)有利于垂直裂隙的張開和巖體的塌落；在隧道開挖時，豎向荷載的卸除將導(dǎo)致豎向裂隙面強(qiáng)度的降低，引發(fā)巖柱的塌陷；

（2）在巖層平緩的巖溶地段，易產(chǎn)生較大的溶洞；且在該地段，巖體多存在平面X 剪節(jié)理，其延伸遠(yuǎn)，切割深，穿層高度大，不受局部地層巖性、小構(gòu)造的限制。它們易將層板狀巖體切割成菱形塊體，在張應(yīng)力作用下，當(dāng)這類結(jié)構(gòu)巖體在底部開挖后，易于發(fā)生坍塌、陷落；

（3）受地質(zhì)構(gòu)造的控制，在向斜軸部易形成較大的溶洞，且在向斜軸部巖體上層存在較大壓應(yīng)力，下層存在較大的拉應(yīng)力，當(dāng)下方隧道施工開挖后，在自重作用下，拉應(yīng)力增加，巖體結(jié)構(gòu)容易被破壞形成塊體向下脫落，繼而引拱頂頂板坍塌事故。

以上部位巖體在隧道開挖之前，隧道與溶洞間巖柱在鉛直方向上受拉，水平方向上受壓。在隧道開挖之后，鉛直方向上拉應(yīng)力將進(jìn)一步增強(qiáng)，同時靠隧道一側(cè)巖體在水平方向上也將受拉。當(dāng)拉應(yīng)力超過下部巖體的抗拉強(qiáng)度時，巖層將發(fā)生冒落。在各種因素的綜合作用下，隧道與溶洞間巖柱極易發(fā)生塌陷事故。

3 結(jié)論

（1）通過對隧道與隧道頂部溶洞間的巖柱力學(xué)模型進(jìn)行簡化。將巖柱簡化為薄板問題，根據(jù)其邊界條件得出兩個力學(xué)模型，通過對模型的理論分析，得出巖柱的最小安全厚度計算公式。

（2）對影響隧道與巖溶溶洞間巖柱穩(wěn)定性的各因素進(jìn)行了討論，提出了施工期隧道頂板坍陷的主要影響因素，分析了頂板垮塌的機(jī)理。

（3）對存在較大結(jié)構(gòu)面影響的巖柱的塌陷問題進(jìn)行研究，提出頂部巖柱塌陷的影響因素，并通過力學(xué)極限平衡的分析，得出了評價巖柱塌陷的計算公式。