隧道大型溶洞安全穩(wěn)定性分析及綜合處理技術(shù)研究

王建軍

摘 要：本文結(jié)合呂臨鐵路車趕隧道，使用有限元ANSYS分析軟件及DP標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了隧道的二維數(shù)值模擬分析，進(jìn)而分析了隧道頂部溶洞的位置、規(guī)模對隧道應(yīng)力及安全性的影響，并且對此類型溶洞中的綜合處理措施及技術(shù)進(jìn)行了研究。通過實踐結(jié)果可以看出來，隧道頂部溶洞的距離和大小與隧道頂?shù)装宓膽?yīng)力具有一定的聯(lián)系，如果隧道頂部溶洞的距離和大小改變，那么頂?shù)装宓膽?yīng)力也會改變，并影響到溶洞頂板穩(wěn)定性和施工安全，本文經(jīng)過溶洞安全穩(wěn)定性分析評價和施工技術(shù)合理選擇，制定的綜合處理技術(shù)是可行的。

關(guān)鍵詞：隧道大型溶洞；安全穩(wěn)定性；綜合處理

巖溶地質(zhì)在我國的分布較為廣泛，不少隧道都會穿越巖溶不良地質(zhì)區(qū)域，在形成巖溶地質(zhì)條件的過程中，還會出現(xiàn)沖蝕、侵蝕、坍塌及崩塌等一系列危險的地質(zhì)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致隧道在施工過程中出現(xiàn)涌水、巖溶突泥和地表坍塌等一系列的災(zāi)害。那么，分析溶洞位置和大小對隧道安全性及穩(wěn)定性的影響，通過合適的綜合處理技術(shù)解決問題，能夠提高隧道施工過程中的安全性，并且指導(dǎo)隧道巖溶地段的設(shè)計和施工具有重要的現(xiàn)實意義。

1工程概況

車趕隧道位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)與臨縣湍水頭鎮(zhèn)之間，隧道最大埋深293m，除出口段落因設(shè)置湍水頭車站設(shè)計1244m雙線隧道外，其余段落設(shè)計為單線。隧道進(jìn)口里程為DK14+626，出口里程為DK26+444，全長11818m。隧道區(qū)位于山西臺地呂梁復(fù)背斜的次級構(gòu)造王家會～王老婆山背斜東翼，近南北向構(gòu)造較發(fā)育，隧址區(qū)巖溶發(fā)育。具體表現(xiàn)為波及全調(diào)查區(qū)的由褶皺和斷裂組成的NNE向構(gòu)造帶。

2計算模型和模擬方案

2.1幾何模型和位移邊界條件

在施工過程中進(jìn)行DK16+642段上臺階爆破開挖之后，上臺階拱腰左側(cè)揭示出大型溶洞，溶洞口長3.5m，寬1.5m，經(jīng)此洞進(jìn)去，實測前方溶洞縱向發(fā)育長度為90m，橫向發(fā)育寬度為40m，溶洞頂和底板之間的距離為3～13m，溶洞頂板為石灰?guī)r，巖體完整，頂板可見多處沿節(jié)理裂隙方向發(fā)育的落水洞，其中分布危石，洞內(nèi)總體無水，局部有少量滲水。因為在隧道開挖沒有進(jìn)行永久襯砌時候的穩(wěn)定性就會較低，那么，結(jié)合模型的使用并沒有充分考慮隧道的永久襯砌。隧道的支護(hù)參數(shù)詳見表1：

幾何模型的計算主要包括：x=-170-170m，y=800m，z=0-14m。X方向中的平面支點就是滑動鉸支座，0/15m平面中的節(jié)點也是滑動鉸支座。Y坐標(biāo)軸中的左右節(jié)點表示固定鉸支座，地表是一個自由面，根據(jù)以上信息創(chuàng)建隧道有限元的計算模型【2】，詳見圖1：

2.2材料的模型和參數(shù)

通過混凝土的實體單位對底板和巖石進(jìn)行模擬，通過混凝土噴層對鋼纖維進(jìn)行模擬，通過等效材料對錨桿進(jìn)行模擬。在對開挖隧道溶洞進(jìn)行模擬之前，要全面對溶洞進(jìn)行研究，主要包括溶洞揭示的大小、形態(tài)等，之后根據(jù)相關(guān)力學(xué)參數(shù)，現(xiàn)場工程的地質(zhì)和圍巖力學(xué)參數(shù)，通過相關(guān)軟件實現(xiàn)力學(xué)參數(shù)朝著圍巖力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)變，【3】詳見表2：

2.3模擬的措施

簡單來說，模擬就是分析隧道頂板溶洞對圍巖的穩(wěn)定性影響，主要包括溶洞的大小和位置，溶洞的位置處于創(chuàng)建模型的中間【4】。

溶洞的位置變化：選取溶洞大小為5*1*4m2，距離拱頂?shù)木嚯x分別為1m、1m、5m，創(chuàng)建的模型分別為M1、M2、M3；

溶洞的大小變化：固定溶洞的位置在隧道拱頂，溶洞和底板之間的距離為3～13m，溶洞的大小分別為3*1*4、3*1.2*3.5、1.5*1*6m2，創(chuàng)建模型分別為M4、M5、M6【5】。圖2為巖溶隧道的敏感性有限元分析剖面位置圖。

3數(shù)值的計算和分析

3.1主應(yīng)力和模擬開挖的關(guān)系

模型在溶洞位置發(fā)生變化的時候，隧道主應(yīng)力值也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。簡而言之，在隧道開挖到剖面的位置時，頂板的最小及最大應(yīng)力都非常大，在開挖的時候，如果開挖的范圍超過剖面，那么頂板就會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，最小應(yīng)力和最大應(yīng)力都會降低，這個時候隧道的穩(wěn)定性是最高的。在開挖不斷進(jìn)行的過程中，剖面的主應(yīng)力并沒有太大的變化，這就是為什么要通過混凝土在開挖之后對其支護(hù)。那么，在隧道開挖的過程中就要及時支護(hù)，從而能夠有效提高隧道圍巖自身的承載力，避免由于開挖造成頂板穩(wěn)定失衡。在溶洞的大小出現(xiàn)變化的時候，頂板主應(yīng)力和溶洞的位置也會發(fā)生變化，并且變化的情況大致相同【6】。

3.2主應(yīng)力和巖溶位置及大小的關(guān)系

3.2.1溶洞大小相同時候溶洞距離頂板的距離影響頂板主應(yīng)力值的情況。首先，在隧道開挖并沒有達(dá)到溶洞兩側(cè)位置的時候，那么就不會影響到頂板的穩(wěn)定性。如果溶洞和頂板之間的距離逐漸縮短，這個時候頂板就具有較大的拉應(yīng)力值，那么隧道頂板的穩(wěn)定性也是最差的，在頂板最小主應(yīng)力值不斷降低的過程中，壓應(yīng)力值在不斷的提高。在隧道開挖的時候，頂板最大主應(yīng)力會由之前不同的初期値越來越相同，最小主應(yīng)力仍然和開挖時候的值具有較大的差距【7】。

3.2.2溶洞正下部中間計算步數(shù)相同的時候，溶洞和頂板之間的距離越短，那么隧道頂板壓應(yīng)力值就越小，隧道頂板穩(wěn)定性也會越大。相反，壓應(yīng)力值就會越大，隧道頂板穩(wěn)定性就會越小【8】。

4溶洞穩(wěn)定性分析評價及施工建議

4.1基于溶洞開挖揭示現(xiàn)狀及上述數(shù)值計算和結(jié)論分析，目前溶洞頂板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2從施工安全角度出發(fā)，首先需對隧道施工影響范圍內(nèi)的巖溶洞壁、頂板及時進(jìn)行主動支護(hù)是必要的，特別是頂板節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，以避免開挖造成頂板穩(wěn)定失衡。

4.3對于巖溶大廳采用混凝土支頂墻減跨，相對縮小溶洞空間并優(yōu)化頂板與隧道空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，利于保證溶洞頂板穩(wěn)定和施工安全。

5溶洞綜合處理技術(shù)

通過前述隧道開挖與溶洞穩(wěn)定性關(guān)系研究，根據(jù)揭示溶洞的形態(tài)、規(guī)模及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，綜合考慮隧道施工安全及進(jìn)度，該大型溶洞采用明挖法施工+溶洞壁主動支護(hù)+溶洞大廳混凝土支頂墻減跨+明洞襯砌結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)頂部回填處理+強(qiáng)化溶洞前方暗洞支護(hù)結(jié)構(gòu)及措施的綜合處理技術(shù)。

5.1綜合處理技術(shù)

5.1.1溶洞大廳處理

①危石清除及洞壁主動支護(hù)

溶洞頂板巖層呈水平層，并可見多處落水洞，洞壁發(fā)育石鐘乳、石筍、石柱和大面積方解石結(jié)晶體，在施工擾動下容易造成危石和節(jié)理裂隙發(fā)育部位失穩(wěn)甚至局部塌方，為確保主體工程施工及運營安全，同時盡量減小處理過程對頂板的擾動，從已施工隧道側(cè)采用機(jī)械逐段清除溶洞頂部及邊墻危石后，在加強(qiáng)監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上，對在隧道開挖影響范圍內(nèi)溶洞頂板及側(cè)壁局部地段采用噴錨網(wǎng)防護(hù)，具體措施采用：Φ22砂漿錨桿，長6m，梅花形布置，間距1.2m×1.2m，15cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，單層Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25cm×25cm。

②混凝土支頂墻減跨

為減小溶洞相對跨度及保證施工安全，隧道開挖之前綜合考慮頂板節(jié)理裂隙發(fā)育情況、落水洞發(fā)育情況及周邊危石體情況，在襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置混凝土支頂墻。經(jīng)過現(xiàn)場詳細(xì)勘查及結(jié)構(gòu)分析，溶洞大廳中在隧道襯砌結(jié)構(gòu)（右側(cè)DK16+652～+692.5段（40.5m）、左側(cè)DK16+640～+659段（19m）及左側(cè)DK16+670～+685段（15m））外側(cè)2.0m～6.35m清理溶洞表面孤石、浮土及危石后，設(shè)置C25混凝土支頂墻（頂寬為2.0m，底寬為3.0m），具體高度及位置按照實測斷面施工，頂部應(yīng)嵌入石灰?guī)r結(jié)構(gòu)【9】。

5.1.2明洞襯砌結(jié)構(gòu)和頂部處理

溶洞段隧道結(jié)構(gòu)采用明洞結(jié)構(gòu)，明洞結(jié)構(gòu)類型和尺寸根據(jù)圍巖的級別、地形、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)，按照《隧規(guī)》的要求通過破損階段法進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫計算及強(qiáng)度的校核，結(jié)合實際工程進(jìn)行確定。明洞的主體使用C35鋼筋混凝土，拱墻和仰拱厚度為60cm，洞頂?shù)幕靥詈穸?2m，設(shè)置隔水層，其與溶洞頂板之間的空隙使用C20混凝土填充。為了防止明洞背后積水、漏水，在襯砌的背后鋪設(shè)防水卷材，在明洞襯砌背后設(shè)置排水盲溝，在邊墻襯砌背后設(shè)置排水盲溝，墻低設(shè)置泄水管，通過泄水管引入洞內(nèi)側(cè)溝。明洞襯砌使用外貼式防水層，明洞頂回填土表面設(shè)置隔水層，使用粘土隔水層【10】。

5.1.3溶洞影響段暗洞支護(hù)結(jié)構(gòu)及措施

受大型溶洞發(fā)育影響，隧道前方圍巖呈現(xiàn)為斷裂破碎帶結(jié)構(gòu)，為了確保后續(xù)施工安全，加強(qiáng)溶洞影響段前方20m范圍暗洞襯砌結(jié)構(gòu)和支護(hù)措施。具體采用ф108大管棚超前支護(hù)（大管棚長度25m、環(huán)向間距40cm）+ф42小導(dǎo)管局部加強(qiáng)+I20b工字鋼架、錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)+襯砌結(jié)構(gòu)降級加強(qiáng)。

6 結(jié)束語

大型溶洞是隧道工程施工的攔路虎，且?guī)r溶形態(tài)各異、情況多變，巖溶發(fā)育的不規(guī)律性及復(fù)雜性對隧道工程的影響又難以一概而論，如何系統(tǒng)分析溶洞規(guī)模、形態(tài)及與隧道空間結(jié)構(gòu)關(guān)系并進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價對制定巖溶整治方案和施工及運營安全具有重大的現(xiàn)實意義，因此，需把對巖溶特征的深入研究分析和針對性施工處理技術(shù)緊密結(jié)合，才能安全有效地處理好具體的巖溶形態(tài)，確保隧道工程安全順利實施。

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