蝦公山巖溶隧道施工穩定性及加固措施研究

關鍵詞：巖溶隧道，圍巖穩定性，溶洞位置，溶洞尺寸，超前管棚支護中圖分類號：U457+.3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.036文章編號：1673-4874（2025）03-0126-04

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設的快速發展，隧道工程在山區交通網絡中的應用越來越廣泛[1-2]。然而，巖溶地區復雜的地質條件使隧道施工面臨諸多技術挑戰，特別是在富水巖溶地層中，溶洞、裂隙等不良地質結構的存在極易引發圍巖失穩、突水及塌方等災害[3]。這些地質災害不僅威脅施工人員的生命安全，還可能導致嚴重的經濟損失，顯著增加施工難度和成本。

針對巖溶地層中圍巖穩定性的研究是確保隧道安全施工的重要環節之一。通過對圍巖穩定性的分析，可以揭示巖溶隧道施工過程中不同地質條件下圍巖的變形與應力分布特征，為制定合理的支護設計與加固措施提供理論依據[4-5]。目前，數值模擬技術在隧道圍巖穩定性研究中得到廣泛應用，尤其是對圍巖級別、溶洞方位與尺寸等參數的變化對隧道穩定性的影響分析，具有顯著優勢。此外，超前管棚支護作為巖溶隧道的重要加固措施，可以有效控制圍巖變形，提升施工安全性。

本研究以廣西某巖溶隧道為背景，通過建立三維數值模型，系統分析圍巖級別、溶洞位置與尺寸等因素對隧道拱頂沉降及圍巖穩定性的影響，重點研究了超前管棚支護的加固效果。可為類似工程的設計與施工提供參考。

1工程概況

蝦公山巖溶隧道位于宜州西過境線高速公路的關鍵路段，地處典型的喀斯特地貌區，區域內巖溶地質發育，隧道穿越多段復雜地質構造。該隧道為雙洞雙線設計，左線全長 2504m ，右線全長2 504m ，洞身最大埋深為 350m ，最小埋深為 12m ，是連接區域內主要交通樞紐的重要通道。項目所在區域屬于中低山丘陵地貌區，地形總體由南向北傾斜，山嶺高度為 120～520m 。隧址區地表溝谷發育，多條河流與沖溝切割山體，形成多級階地，區域內高程差異顯著。洞身大部分穿越坡地和沖溝，植被稀疏，部分山坡存在裸露基巖。隧址區局部巖層節理發育、構造復雜，存在斷裂帶及裂隙水較發育的隱伏溶洞，地下水補給以大氣降水為主，巖溶水多沿灰巖裂隙滲透，呈水平徑流和局部集中排泄形式。研究區域工程斷面如圖1所示。

根據地質勘察結果，隧道右線 1×3+540 區域巖溶最為發育，存在多處隱伏溶洞，溶洞尺寸最大達20 m× 10m×8m ，局部溶腔充填泥質夾層，穩定性較差。此外，隧道大部分位于 IV～V 級圍巖段落，巖體破碎，易出現塌方、掉塊等現象。隧道洞身需穿越斷層破碎帶與富水溶洞，施工期間對圍巖支護與突水防控要求較高。

2圍巖穩定性數值模擬研究

2.1數值模型的建立

為了研究巖溶隧道施工過程中圍巖的穩定性及加固措施的效果，基于實際地質條件和工程參數，建立合理的三維數值模型是開展分析的關鍵。本文以宜州西過境線高速公路蝦公山巖溶隧道為研究對象，結合勘察資料，采用FLAC3D有限差分軟件建立溶洞-隧道耦合系統的三維數值模型，對圍巖變形特性和支護結構受力進行模擬分析。

模型尺寸根據隧道開挖對周邊圍巖的影響范圍確定，為避免邊界效應對計算結果的干擾，模型范圍在隧道開挖輪廓線的基礎上向外擴展至3倍隧道直徑，模型整體尺寸為90 m×90m （長 × 高），沿縱向開挖深度為45 m 隧道斷面采用標準雙線隧道形狀，直徑為 12m ，埋深為

30～50m ，并按照中隔墻預留開挖法（CRD法）模擬施工 過程中各階段的力學行為。隧道計算模型及監測點布 設如圖2所示。

具體工況如表2所示，共進行9組數值模型計算。

2.2計算參數及邊界條件

為了準確模擬宜州西過境線高速公路蝦公山巖溶隧道的實際地質條件，計算中所采用的參數基于區域勘察數據、室內試驗結果及工程經驗進行設置，主要包括圍巖參數、支護材料參數，具體如表1所示。模型底部邊界采用固定約束，側邊界限制水平位移，上部邊界自由，以模擬地層實際受力狀態。

2.3計算工況設置

為全面分析巖溶隧道施工過程中圍巖穩定性及其影響因素，結合實際工程地質條件，計算工況主要從圍巖等級、溶洞位置距隧道的距離及溶洞尺寸三方面進行設置。圍巖等級分別為Ⅲ級、V級、V級，模擬不同穩定性巖體的力學響應特性；溶洞位置分別設置在兩隧道中心處和距離中心上、下4m的位置上，以分析溶洞相對位置對圍巖變形和應力分布的影響，具體如圖3所示；溶洞尺寸分別為4 .m，5m，6m ，代表不同規模溶洞的影響程度，

3數值計算結果

3.1圍巖級別的影響

工況 1^?～3^? 的拱頂沉降隨開挖施工的變化規律如圖4所示。由圖4可知，Ⅲ級圍巖的拱頂沉降量最小，總沉降量約為 14mm ，表明圍巖具有較好的完整性和較高的承載能力，支護結構主要承擔有限的變形壓力。而V級圍巖的沉降量最大，總沉降量接近 35mm ，且增長速率較快，說明圍巖穩定性極差，開挖施工對圍巖造成嚴重擾動，支護系統的壓力和變形均達到顯著水平。本次對比分析表明，拱頂沉降量顯著受圍巖等級影響。Ⅲ級圍巖具備較好的穩定性，支護需求較低；V級圍巖由于破碎性高、承載力低，施工擾動導致拱頂沉降顯著增加，支護設計與施工控制需重點關注；級圍巖處于兩者之間，需根據實際監測數據靈活調整支護措施。

3.2溶洞位置的影響

不同溶洞位置（偏上 4m. 中間、偏下 4m 對拱頂沉降的影響如圖5所示。由圖5可知，工況 4^? 拱頂沉降量最大，總沉降量約為23. 42mm 。在開挖施工過程中，由于溶洞偏上位置的巖體對拱頂的承載能力減弱，導致應力重分布更顯著，拱頂沉降幅度最大。工況 5^? 拱頂沉降量次之，總沉降量約為 22.47mm 。溶洞位于隧道中間時，隧道上下圍巖的支撐相對均勻，盡管沉降量較大，但比溶洞偏上的情況更可控。工況 6^? 拱頂沉降量最小，總沉降量約為21.99mm。因為溶洞位置偏下時，上部圍巖的完整性更強，使拱頂變形較小。

綜上所述，當溶洞位置偏上時，由于溶洞對拱頂巖體直接削弱，圍巖應力重分布導致拱頂變形最大，穩定性最差。溶洞偏下時，由于上部圍巖保持相對完整，拱頂沉降量最小，隧道整體穩定性較好。溶洞位于隧道中間時，上下圍巖承載能力對稱分布，沉降量和穩定性介于兩者之間。

3.3 溶洞尺寸的影響

不同溶洞尺寸對拱頂沉降的影響如圖6所示。由圖6可知，溶洞尺寸為4m（工況 7^? ）時拱頂沉降量最小，總沉降量約為14.12mm。在施工過程中，由于溶洞尺寸較小，對圍巖整體穩定性的削弱作用有限，拱頂沉降相對較小。溶洞尺寸為6m（工況 9^? ）時拱頂沉降量最大，總沉降量約為19.18mm。溶洞尺寸進一步增大，對圍巖支撐系統的破壞效應顯著增強，引起沉降量大幅增加。

4巖溶隧道超前管棚支護方案研究

超前管棚支護作為一種有效的超前支護手段，通過設置鋼管形成保護傘狀結構，提前對圍巖施加支撐力，可以有效控制施工擾動引起的圍巖變形和塌方風險。本次研究結合蝦公山巖溶隧道的地質條件，優化設計了超前管棚支護方案。管棚長度為 45m ，直徑為 74mm ，縱向間距為35m，環向根數為32根，布設范圍為 120^° 。管棚計算參數如表3所示。

采用管棚加固后，拱頂沉降變化曲線如圖7所示。由圖7可知，超前管棚支護對巖溶隧道拱頂沉降的控制效果顯著。未支護條件下，拱頂最大沉降量為23. 33mm ，沉降增長速率較快，尤其在開挖步數 40～60 時，沉降量從2.07mm迅速增長至22.01mm，圍巖自穩能力差且存在明顯的失穩風險；而采用超前管棚支護后，最大沉降量降至 3.48mm ，相比未支護條件減少了85. 08% 。此外，在支護作用下，沉降增長速率顯著降低，在快速增長階段，沉降量僅從0.28mm增長至2.96mm，增長速率減少了約 86% 。在趨于穩定階段，超前支護進一步顯現其對圍巖變形的控制作用，沉降波動幅度 lt;0.01mm 圍巖基本保持穩定。綜合來看，超前管棚支護通過分散應力和限制圍巖變形，有效降低了施工過程中拱頂沉降量和增長速率，顯著提升了隧道施工的安全性與穩定性。

分析表明，溶洞尺寸對拱頂沉降的影響具有明顯的分界點。當溶洞尺寸 lt;5m 時，沉降量和增長速率相對較小，圍巖穩定性較好；當溶洞尺寸 gt;5 m后，沉降量顯著增大，增長速率加快，圍巖穩定性明顯下降。因此，對于大尺寸溶洞區域的隧道施工，應加強支護措施并實時監測，以確保施工安全和圍巖穩定。

5結語

本文根據宜州西過境線高速公路實際工程背景，通過對蝦公山巖溶隧道施工圍巖穩定性及超前管棚支護效果的研究，得出以下主要結論：

（1）圍巖級別越低（V級圍巖），拱頂沉降量和增長速率越大，圍巖穩定性顯著下降，支護需求較高；高級圍巖（Ⅲ級圍巖）具有較好的穩定性和承載能力，沉降量較小，變形易于控制。

（2）溶洞偏上位置對拱頂巖體的削弱作用最強，拱頂沉降量最大，圍巖穩定性最差；溶洞位于隧道中間時，上下圍巖的承載能力相對均衡，變形適中；溶洞偏下位置時，由于上部圍巖完整性較強，拱頂沉降最小，隧道整體穩定性較好。

（3）當溶洞尺寸 lt;5 m時，對圍巖的削弱作用有限，拱頂沉降量和增長速率較小；當溶洞尺寸 gt;5 m時，圍巖穩定性顯著下降，拱頂沉降量和增長速率大幅增加。因此，大尺寸溶洞區域需采取加強支護和實時監測措施。

（4）超前管棚支護通過形成傘狀加固結構，有效分散圍巖應力并限制變形，顯著降低了施工過程中的拱頂沉降量和增長速率。研究表明，超前管棚支護使拱頂最大沉降量減少了約85. 08% ，增長速率降低了約 86% ，并使圍巖變形在趨于穩定階段波動幅度 lt;0.01mm ，大幅提升了隧道施工的安全性與穩定性。

參考文獻

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收稿日期：2024-12-12