山區(qū)公路隧道下隱伏富水溶洞處治方法

作者簡介：羅敏淅（1985—），工程師，主要從事道路土建工程的管理工作。

摘要：傲江隧道左洞入口處發(fā)現(xiàn)一個(gè)溶洞，溶洞位于明洞與暗挖法連接處，洞內(nèi)有水且下部與地下暗河直接相連。為解決該難題，文章提出架設(shè)一座長為18.5 m的跨板跨越暗河，該方法不僅可直接跨越溶洞，提高施工效率，樁基施工還提高了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證了隧道的安全。同時(shí)，利用有限差分法軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)該方法可行性進(jìn)行探究，通過提取隧道拱頂沉降、隧道邊墻收斂以及實(shí)心板變形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)變形均在安全范圍內(nèi)，因此該處治方法可有效地解決溶洞跨越難題，保證隧道的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：溶洞；地下河；隧道處治方法

中圖分類號(hào)：U457⁺.2A451564

0 引言

在我國的中西部地區(qū)，廣泛分布著石灰?guī)r以及溶洞，西南部以云南、貴州為主^［1］。在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，隧道需要穿越含有溶洞的地層，可能出現(xiàn)坍塌、巖爆、突水突泥等各類地質(zhì)災(zāi)害，造成隧道施工事故^［2-3］。

巖溶災(zāi)害中一個(gè)巨大風(fēng)險(xiǎn)是地下水，針對(duì)富水溶洞的研究已有很多^［4-7］。宋戰(zhàn)平^［8］對(duì)西南區(qū)域中600多處隧道巖溶災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查研究，并把溶洞分為隱伏溶洞和出露溶洞兩個(gè)類型。顧偉^［9］以營盤山隧道為例，闡述了隧道穿越溶洞時(shí)使用先回填再支護(hù)最后完成隧道正洞的施工方法。張玉石^［10］利用有限元軟件比較不同施工方法對(duì)巖溶隧道的控制作用，并得出結(jié)論：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法＞CRD法＞上下臺(tái)階法＞全斷面法。

根據(jù)先前研究經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)開挖方法會(huì)大大降低施工速度，同時(shí)溶洞常出現(xiàn)在隧道的中間位置，多為無水溶洞。但是傲江隧道的洞口處存在一個(gè)富水溶洞，該溶洞與地下河相連，相應(yīng)的處置經(jīng)驗(yàn)較少。該洞口處圍巖松散具有較大的危險(xiǎn)性，富水溶洞的存在導(dǎo)致施工復(fù)雜性進(jìn)一步提高。因此，本文針對(duì)傲江隧道溶洞段提出采用17 m×28.5 m的跨板跨越暗河，該方法可使隧道直接跨越富水溶洞以減小其對(duì)施工安全的影響。此外，本文還利用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了分析。

1 富水溶洞基本情況

傲江隧道位于天等縣龍茗鎮(zhèn)傲江屯附近，為雙洞小凈距短隧道，設(shè)計(jì)長度為142 m。左右線兩端洞門型式均為端墻式，洞口圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖。

在隧道巴馬段左洞入口處發(fā)現(xiàn)一個(gè)溶洞，溶洞內(nèi)有水且下部與地下暗河相連接。該段暗河溝渠極發(fā)育，巴馬端暗河口長約8 m，寬約16 m；憑祥端暗河口長約8 m，寬約7 m。暗河另一出口位于兼作村民穿山的人行通道溶洞中，毛洞高約3～5 m，寬3 m，長約150 m，毛洞內(nèi)暗河口長約24 m，寬約3 m。豐水期暴雨后該暗河出水量很大，淹沒周邊低洼處的旱地和農(nóng)田。溶洞內(nèi)水位距離隧道仰拱底部4 m左右。

為得到準(zhǔn)確的溶洞形態(tài)，對(duì)傲江隧道左洞ZK127+288～328段進(jìn)行等間距鉆探，鉆孔間距為5 m，每個(gè)斷面設(shè)置7個(gè)鉆孔，鉆孔長度為16 m，并根據(jù)鉆孔測(cè)試結(jié)果繪制三維溶洞形態(tài)如圖1所示。地下溶洞主要影響范圍是ZK127+280～ZK127+295段，橫斷面呈梯形，隨后溶洞范圍迅速變小，并通過底部與隧道左側(cè)的狹長暗河相連。

2 隧道支護(hù)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞調(diào)研情況，確定本工程將采用10.5 m+18 m的實(shí)心連續(xù)板橋跨越暗河，隧道口路基段采用樁基礎(chǔ)橋臺(tái)，在ZK127+285明暗交界位置設(shè)置一道擴(kuò)大基礎(chǔ)蓋梁。

圖2～3分別為隧道溶洞處理段平面圖和立面圖。10.5 m的實(shí)心板為隧道洞口明挖段，該段實(shí)心板兩側(cè)分別固定在外側(cè)橋梁橋臺(tái)與明暗挖交接處的蓋梁上；18 m的實(shí)心板兩側(cè)分別固定在蓋梁和原巖上方。為方便施工，實(shí)心連續(xù)板橫向分為8段并進(jìn)行拼接，共計(jì)17 m。兩端還設(shè)置背墻和臺(tái)帽防止板的滑動(dòng)。

圖4表示A-A橫斷面（洞外橋臺(tái)位置）支護(hù)設(shè)計(jì)。橋臺(tái)總長度為18 m。橋臺(tái)結(jié)構(gòu)從下至上分別為橋梁樁基、承臺(tái)、前墻、背墻和臺(tái)帽。由于洞外橋臺(tái)未在溶洞內(nèi)，因此其樁基長度僅為15 m，直徑為1.6 m。

明暗挖交接處在溶洞范圍內(nèi)，因此提出增加蓋梁長度和樁基長度、直徑的方法以提高支護(hù)強(qiáng)度。蓋梁高2.4 m，長約22 m，為鋼筋混凝土蓋澆施工。蓋梁上同樣設(shè)置擋塊，防止現(xiàn)澆實(shí)心板的滑動(dòng)。樁基的直徑增加到2 m，長度增加到20 m，確保樁基打入溶洞水下的基巖內(nèi)。

山區(qū)公路隧道下隱伏富水溶洞處治方法/羅敏淅，包其龍

隧道溶洞處理段的施工工序如圖5所示。在隧道入口管棚施作完成后，要對(duì)溶洞處理段施作臨時(shí)套拱，防止隧道上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，同時(shí)對(duì)具備施工條件的樁基進(jìn)行施作。隨后待明洞達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除其套拱，緊接著施作橋臺(tái)、蓋梁，最后整體澆筑實(shí)心板和仰拱二襯，形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 數(shù)值模擬基本情況

為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性，通過有限差分法軟件FLAC 3D建立全尺寸模型，分析富水溶洞作用下圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實(shí)心板的變形情況。

整個(gè)模型長138 m、高120 m、寬28.5 m（即整個(gè)橋梁長度），隧道至邊界的寬度均大于隧道跨度5倍。模型細(xì)部單元尺寸為1 m，整個(gè)模型共生成12萬個(gè)網(wǎng)格，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁圖6所示。因溶洞邊界過于復(fù)雜，本文將其簡化為梯形體進(jìn)行分析。外部圍巖采用摩爾-庫侖模型，其參數(shù)參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)，如下頁表1所示。其余各結(jié)構(gòu)均采用彈性模型，參數(shù)根據(jù)其設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)進(jìn)行確定，具體參數(shù)如下頁表2所示。數(shù)值模擬的施工順序?qū)⑴c實(shí)際施工順序相同。

3.2 結(jié)果分析

圖7為隧道橫斷面的豎向位移云圖。由圖7可知，隧道上部位移最大值為1.34 cm，位于拱頂初期支護(hù)外側(cè)的原巖區(qū)；隧道下方最大變形為3.38 cm，其位置在橫板下方位置，這表明支護(hù)可有效地減小溶洞的影響。

圖8和圖9分別展示隧道拱頂圍巖、拱肩和拱腳收斂、實(shí)心板變形沿縱向變形分布情況。由圖8可知，隨著隧道的掘進(jìn)，拱肩收斂變形幾乎沒有變化；拱頂和拱腳圍巖變形逐漸增大，同時(shí)拱頂變形速率基本保持不變，而拱腳變形速率先小后大。因此，可以說明隧道下方溶洞的影響范圍有限，僅能影響到隧道下部圍巖變形以及其支護(hù)的力學(xué)特征。

通過對(duì)圖9實(shí)心板沿縱向分布變形分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著掌子面的推進(jìn)，變形逐漸增大，但在橋臺(tái)和蓋梁的位置實(shí)心板變形明顯減小，其中橋臺(tái)位置的變形最小，僅為2.2 cm。這是由于橋臺(tái)處于溶洞范圍外，且橋臺(tái)厚度也較大。此外，橋梁10.5 m段相較于18 m段變形峰值也更小，究其主要原因是兩段支撐剛度不同，橋臺(tái)和蓋梁的下部均有樁基打入基巖中，其剛度遠(yuǎn)大于未處理的原巖，因此在后續(xù)施工中需要注意18 m段實(shí)心板的變形情況。

通過對(duì)圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實(shí)心板的變形進(jìn)行分析，各變形均在合理范圍內(nèi)，表明本文提出的施工方法可以有效地解決溶洞跨越問題，保證隧道的穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

為確保本方法的安全性，本節(jié)通過對(duì)18 m實(shí)心板中的ZK127+288、ZK127+293、ZK127+303三個(gè)斷面的拱底沉降和收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10～12所示。由圖10～12可知，3個(gè)斷面拱頂沉降和收斂變形依次為13 mm、16 mm；14 mm、17 mm；16 mm、15 mm。其中ZK127+293斷面的拱頂沉降和ZK127+288斷面的收斂變形最大。

此外，根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面的位置與變形大小的關(guān)系可以得到以下結(jié)論：（1）ZK127+288與ZK127+293斷面均位于溶洞內(nèi)，但ZK127+288更靠近蓋梁，因此變形更小；（2）ZK127+303斷面為18 m實(shí)心板端部，ZK127+303斷面拱頂沉降大于ZK127+288斷面，說明原巖的支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于蓋梁結(jié)構(gòu)；（3）3個(gè)斷面的收斂變形基本相同，說明該支護(hù)方式下對(duì)隧道水平收斂影響較小，與前面數(shù)值分析結(jié)果相同。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以確定，各斷面拱頂變形和收斂變形均lt;2 cm，完全處于安全范圍內(nèi)，表明本施工方法可確保施工的安全性。

5 結(jié)語

本文針對(duì)傲江隧道左洞明暗挖交界處溶洞問題提出了實(shí)心板跨越方案，并利用有限差分法軟件FLAC 3D建模和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）溶洞影響范圍有限，對(duì)于隧道拱頂和拱肩影響較小，拱腳和實(shí)心板受到影響較大。

（2）樁基礎(chǔ)、橋臺(tái)和蓋梁的施作可有效提高支護(hù)剛度，減小隧道的變形。原巖無法對(duì)實(shí)心板提供樁基礎(chǔ)、橋臺(tái)和蓋梁的支護(hù)力，導(dǎo)致該斷面變形較大。

（3）數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實(shí)心板的變形均在合理范圍內(nèi)，因此本文提出的方法可以有效地解決溶洞跨越問題，保證隧道的穩(wěn)定。

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