巖溶地區(qū)隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性及變形研究

彭　濤

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng)　550001)

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巖溶地區(qū)隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性及變形研究

彭濤

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng)550001)

摘要：近些年，我國(guó)道路工程建設(shè)的數(shù)量逐漸增加，促進(jìn)了我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。隨著道路工程建設(shè)規(guī)模的增大，在實(shí)際施工中出現(xiàn)的問(wèn)題也隨之增多，尤其是巖溶地區(qū)隱伏溶洞的存在，增加了工程建設(shè)的實(shí)際施工難度。以貴州省思南至劍河高速公路第13合同段承建的龍?zhí)疗核淼赖膶?shí)際施工為例，運(yùn)用了有限元計(jì)算方法對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性及變形等方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究，希望對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域提供幫助。

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；溶洞頂板；變形；多點(diǎn)監(jiān)測(cè)

1隧道工程概況

1.1隧道工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)內(nèi)容

貴州省思南至劍河高速公路第13合同段承建的龍?zhí)疗核淼?，主要是分離式隧道，左幅起訖樁號(hào)ZK97+845～ZK98+316，長(zhǎng)度為471 m，右幅起訖樁號(hào)YK97+843～YK98+332，長(zhǎng)度為489 m，最大埋深65 m。隧道進(jìn)出口段圍巖為可塑性粘土，強(qiáng)、中風(fēng)化薄至中厚層狀灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎—較破碎，巖質(zhì)軟—較軟，巖體呈碎裂狀松散結(jié)構(gòu)；隧道洞身圍巖為中分化灰?guī)r，巖體破碎—較破碎，巖質(zhì)較硬，呈鑲嵌破碎結(jié)構(gòu)，圍巖級(jí)別為Ⅳ-Ⅴ級(jí)。

YK97+932～YK97+943段、ZK97+940～ZK97+945段采用S-Vc支護(hù)，C25混凝土襯砌厚45 cm，初期支護(hù)采用：I18鋼拱架間距80 cm，24 cm厚C20噴射混凝土，Φ6.5鋼筋網(wǎng)20×20 cm，系統(tǒng)與鎖腳錨桿均采用Φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度3.5 m，洞頂覆蓋層厚約43 m。YK97+943～YK97+963段、ZK97+945～ZK97+965段采用S-IVa支護(hù)，C25混凝土襯砌厚40 cm，初期支護(hù)采用：I14鋼拱架間距100 cm，20 cm厚C20噴射混凝土，Φ6.5鋼筋網(wǎng)25×25 cm，系統(tǒng)與鎖腳錨桿均采用Φ22藥卷錨桿，長(zhǎng)度3 m，洞頂覆蓋層厚約43 m。YK97+963～YK98+005、ZK97+965～ZK98+008段采用S-IVb支護(hù)。C25混凝土襯砌厚40 cm，初期支護(hù)采用：格柵拱架間距100 cm，16 cm厚C20噴射混凝土，Φ6.5鋼筋網(wǎng)25×25 cm，系統(tǒng)與鎖腳錨桿均采用Φ22藥卷錨桿，長(zhǎng)度3 m，洞頂覆蓋層厚約43～63 m。

1.2現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)

在龍?zhí)疗核淼朗┕ぶ谐霈F(xiàn)了大型溶洞后，就導(dǎo)致建設(shè)停工。由于溶洞情況復(fù)雜，調(diào)查和勘探和出臺(tái)方案時(shí)間較長(zhǎng)，不僅延長(zhǎng)了工期，同時(shí)也增加了施工成本。2010年11月5日隧道右線施工到Y(jié)K97+950處時(shí)，發(fā)現(xiàn)拱頂下3 m往前有超大溶洞，大小及深度未知。11月11日，經(jīng)過(guò)對(duì)拱頂危石清理后進(jìn)入溶腔，發(fā)現(xiàn)此溶洞為天然超大型，無(wú)填充物，洞內(nèi)有水聲，經(jīng)初步估測(cè)溶洞縱向長(zhǎng)90 m，寬度約100 m且發(fā)育通過(guò)隧道左線，溶洞垂直高度約30 m，其中隧道拱頂至溶洞底約12 m，且溶洞已發(fā)育超過(guò)整個(gè)右線隧道開(kāi)挖斷面，溶洞四周有2個(gè)小型溶洞發(fā)育，但發(fā)展深度未知。隨后在勘探過(guò)程中又發(fā)現(xiàn)了大小、深度不一的溶洞。為了保證該隧道工程能夠順利進(jìn)行，特意召開(kāi)了專(zhuān)家小組會(huì)議，針對(duì)隧道工程出現(xiàn)的溶洞情況，調(diào)整了施工方案。

2數(shù)值模擬變形

2.1確定頂板厚度

經(jīng)過(guò)對(duì)拱頂危石清理進(jìn)入溶腔，發(fā)現(xiàn)為天然超大型溶洞。當(dāng)該隧道工程項(xiàng)目辦組織總監(jiān)辦、駐監(jiān)辦、設(shè)計(jì)院等單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，并經(jīng)過(guò)施工單位測(cè)量溶洞，確定洞縱向長(zhǎng)67 m，寬度約65 m，頂板最小厚度10.4 m，最大凈空29.7 m，溶洞內(nèi)巖層破碎，頂板以層狀巖石為主，形態(tài)整體呈拱形，局部分布有受節(jié)理裂隙切割且未膠結(jié)的懸掛巖體分布。

結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際施工情況，通過(guò)采用定性分析的方法，并利用了近似機(jī)構(gòu)力學(xué)半定量、三維彈塑性有限元等方法，對(duì)隧道工程溶洞頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。為了保證能夠在巖土自重與基樁外力作用下溶洞頂板的安全性，通常頂板的厚度不應(yīng)小于8 m，并要采用分級(jí)施加載荷的方法，保證溶洞的頂板保持穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)查組的進(jìn)步一研究，最終保留溶洞頂板，洞內(nèi)采用明洞。最終采用了“分段清危，立柱支頂，噴錨防護(hù)”的溶洞處理方案。地基處理采用注漿鋼花管及樁基等形式加固。確定了溶洞頂板的最小安全厚度，減輕了巖石的自重載荷，降低了溶洞處理費(fèi)用，同時(shí)也縮短了工期。

2.2模擬變形監(jiān)測(cè)

在隧道施工前，需要對(duì)洞體變形和溶洞頂板的厚度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，從而確保施工順利進(jìn)行。在本研究中，主要利用 BAHSKA 系統(tǒng)的參數(shù)折減分析法對(duì)隧道工程實(shí)體的位移等數(shù)值進(jìn)行測(cè)量與分析。在具體的測(cè)量過(guò)程中，制作200×200的單元模型，網(wǎng)格的單元可以自動(dòng)進(jìn)行劃分，而模擬的尺寸是60 m×60 m。

3隱伏溶洞及頂板的變形監(jiān)測(cè)

在現(xiàn)代化的施工過(guò)程中，為了提高施工指導(dǎo)的信息化、保證工程施工中隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，可以應(yīng)用鉆孔多點(diǎn)位計(jì)算的方法，在采用這種方法時(shí)，需要用到鉆孔多點(diǎn)位計(jì)，由于該工具具有特殊的功能，因而可以對(duì)洞體變形及溶洞頂板的厚度等情況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，需要將多點(diǎn)位移計(jì)的底端放在兩個(gè)溶洞之間的隔板上，并將其作為固定端。

通過(guò)實(shí)踐研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著公路荷載量的增加，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形程度也在逐漸增大，在每級(jí)荷載量增大的初始階段，溶洞自身及其頂板的變形速率變化最快，之后迅速減小，一直到施加了下一級(jí)工程的荷載量為止。如果載荷條件相同，溶洞體自身的應(yīng)變要大于隧道基表層巖層的應(yīng)變能力，但是由于受到風(fēng)化和巖體完整性等因素的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，表層巖層的應(yīng)變能力又需要高于隱伏溶洞頂板的實(shí)際應(yīng)變能力。由此可以看出，需要將溶洞頂板的安全厚度作為前提基礎(chǔ)，同時(shí)將表層土進(jìn)行挖除處理，這樣就能夠減少隧道工程建設(shè)施工中地基出現(xiàn)變形的幾率，從而使隧道工程建設(shè)的安全性得到有效保障。

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收稿日期：2015-05-28

作者簡(jiǎn)介：彭濤(1974-)，男，貴州德江人，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁隧道工程施工技術(shù)研究、應(yīng)用，以及公路工程項(xiàng)目管理。

中圖分類(lèi)號(hào)：U457

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)04-0130-02