溶洞位置對偏壓隧道洞口圍巖穩(wěn)定性的影響研究

摘要：文章以樂業(yè)—望謨高速公路樂業(yè)北互通主線隧道為依托，建立不同位置溶洞偏壓隧道洞口計算模型，分析溶洞影響下的隧道圍巖變形規(guī)律，提出合理、有效的溶洞處治措施。研究表明：在溶洞影響下，地表位移從坡腳向上，呈先上升后下降趨勢，且仰拱溶洞越遠離邊坡，地表位移越??；當(dāng)溶洞處于仰拱正下方時，拱頂位移達到最大值，拱底位移隨仰拱溶洞到坡面的距離增大先增大后減小，當(dāng)溶洞位于內(nèi)側(cè)時，拱頂位移最?。凰绞諗侩S仰拱溶洞到坡面的距離增大而增大；針對溶洞的位置及大小，應(yīng)采取相應(yīng)的處治措施，做好排水，并加密洞內(nèi)監(jiān)控量測頻率，保證進洞過程中圍巖的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：溶洞；圍巖穩(wěn)定性；偏壓洞口

中文分類號：U456.3+1A421374

0引言

隧道作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要組成部分，其施工和運營過程中的穩(wěn)定性是需要考慮的關(guān)鍵因素。隧道洞口段是施工中的難點，埋深淺、圍巖力學(xué)性質(zhì)差、隧道塌方等問題多出現(xiàn)在進出洞過程中，尤其在喀斯特地貌地區(qū)，隧道洞口段施工受到溶洞和偏壓的共同作用，圍巖力學(xué)分析難度大，穩(wěn)定性問題更加突出。

目前學(xué)者對富含溶洞隧道進行了大量的研究，蔣穎［1］通過有限差分軟件，建立了無溶洞、溶洞分布在側(cè)部、頂部、底部四種模型，分析其圍巖應(yīng)力和位移及支護結(jié)構(gòu)的受力特征，研究顯示最不利的情況是溶洞位于隧道側(cè)部。郭萍等［2］依托盾構(gòu)工程，研究下伏溶洞與隧道間距對處治措施效果的影響，結(jié)果表明當(dāng)距離＞15 m時，處治措施對隧道拱頂沉降的影響不大。張京亮等［3］研究溶洞的尺寸和位置對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隧道變形受溶洞尺寸和凈距影響的變化規(guī)律。趙少忠等［4］對齊岳山隧道的26處溶洞深入分析，對特大型溶洞進行研究，通過數(shù)值模擬分析圍巖變形受其影響的規(guī)律，針對不同位置溶洞提出了對應(yīng)的處治技術(shù)。劉曉蕾［5］以貴陽花果園隧道為例，建立不同大小、位置溶洞的隧道施工數(shù)值模型，研究表明溶洞可以降低隧道圍巖的支撐效果，且使隧道出現(xiàn)偏壓情況。張曉旋［6］建立巖溶區(qū)地質(zhì)實體模型，構(gòu)建了模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型，評價隧道存在下伏溶洞時的圍巖穩(wěn)定性，并采用經(jīng)驗公式法對其進行對比檢驗。趙朝陽等［7］建立數(shù)值模型，對隧底巖溶對圍巖穩(wěn)定性影響進行研究，結(jié)果表明在隧道開挖時，底部巖溶的存在會大幅增加圍巖的變位，說明了超前地質(zhì)預(yù)報工作和巖溶處治措施的必要性。魏亮［8］根據(jù)實際工程中遇到的拱底溶洞問題，將數(shù)值模擬與實際監(jiān)測相結(jié)合，提出了一種樁板結(jié)構(gòu)的施工工法，發(fā)揮了較大的作用。蘇鵬［9］基于相似理論，制作試驗?zāi)Ｐ停芯咳芏闯叽?、頂板厚度對盾?gòu)隧道開挖時地層沉降、圍巖應(yīng)力的規(guī)律。劉順濤等［10］依托實際工程，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報，優(yōu)化了溶洞處治方案，為后續(xù)隧道溶洞處治提供了參考流程。李雙越［11］針對南上莊隧道的溶洞處理案例，對處理溶洞導(dǎo)致塌方的全過程方案進行介紹，并闡明了在巖溶地區(qū)進行隧道建設(shè)的注意事項。

由以上分析可知，目前關(guān)于溶洞對隧道的影響研究取得了大量的成果，但大都局限于隧道洞身，溶洞影響下偏壓隧道洞口段穩(wěn)定性的研究還非常有限。本文以樂業(yè)—望謨高速公路樂業(yè)北互通主線隧道為依托，建立不同位置溶洞偏壓隧道洞口的計算模型，分析溶洞影響下隧道圍巖的變形規(guī)律，提出合理、有效的溶洞處治措施，為喀斯特地貌地區(qū)隧道洞口段施工提供理論指導(dǎo)。

1工程概況

本研究依托梧州—樂業(yè)高速公路樂業(yè)至望謨段№1標(biāo)，主要為路、橋、隧項目，起訖樁號K3+900～K19+020，全長15 km，位于樂業(yè)縣新化鎮(zhèn)、同樂鎮(zhèn)境內(nèi)。全線設(shè)計速度為100 km/h，采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為26 m。標(biāo)段起點位于K3+900樂業(yè)縣新化鎮(zhèn)諧里村附近，向西北布線，跨過規(guī)劃的黃桶至百色鐵路及樂百高速公路，至樂業(yè)縣城區(qū)北側(cè)上崗村，設(shè)置樂業(yè)互通與樂業(yè)縣城對接。

項目地處廣西百色市，具有典型的喀斯特地貌。項目區(qū)位巖溶豐富，在施工過程中經(jīng)常遇到溶洞。以樂業(yè)北互通主線隧道為例，隧道進口段洞頂及洞身圍巖主要為坡積粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化灰?guī)r，巖體極破碎-較破碎，節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育。隧道進口附近發(fā)現(xiàn)地下河入口，地下水主要為基巖風(fēng)化層裂隙水、巖溶水，呈點滴狀或淋雨狀出水，降雨時增大。圍巖自穩(wěn)能力差，易坍塌。樂業(yè)北互通隧道洞口偏壓嚴(yán)重，地表坡度為1∶1.5，拱肩距離地表只有0.5 m。

2溶洞位置對偏壓洞口圍巖穩(wěn)定性的影響

2.1圍巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對現(xiàn)場取得的試樣進行了比重與含水率等基本物理參數(shù)及單軸抗壓強度等強度參數(shù)的測試?；谑覂?nèi)試驗測試結(jié)果，同時結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告，獲得圍巖計算參數(shù)如表1所示。

2.2計算模型

為研究溶洞位置對偏壓隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的影響，基于表1所列參數(shù)，建立隧道洞口段開挖施工計算模型。由于隧道開挖只對洞室周邊一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生影響，因此模型邊界到隧道的距離取為隧道斷面寬度的3～5倍，建立模型的總尺寸為70 m×30 m×58 m。模型上表面（地表）為自由邊界，其他邊界施加法向位移約束，假定隧道全斷面開挖以簡化計算過程。

巖土體地層中初始地應(yīng)力場主要包含自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩部分，隧道洞口屬于淺埋段，埋置深度很小，因此忽略構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力的影響。假定圍巖為彈塑性材料，其塑性變形不能忽略，支護結(jié)構(gòu)為彈性材料。圍巖采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，其他結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。采用提高加固區(qū)圍巖參數(shù)的方式模擬管棚注漿加固，加固區(qū)采用實體單元模擬，管棚鋼管彈性模量按等效原則折算給加固區(qū)圍巖。管棚加固區(qū)彈性模量取為：

E=E0+EgAgAc（1）

其中：E——折算后加固區(qū)彈性模量；

Eg——管棚彈性模量；

Ag——管棚支護等效截面積；

E0——原地層彈性模量；

Ac——支護斷面截面積。

D為加固區(qū)厚度：

D=2R2-[JB（（]S2[JB））]2（2）

其中：R——漿液擴散半徑；

S——相鄰兩注漿孔的間距。

考慮三種計算工況：溶洞分別位于近坡面?zhèn)龋ür1）、隧道正下方（工況2）以及遠坡面?zhèn)龋ür3）。巖溶隧道計算模型如圖1所示。

2.3計算結(jié)果

為了研究偏壓隧道洞口仰拱下不同位置溶洞對開挖時圍巖變形的影響，計算過程中監(jiān)測圍巖關(guān)鍵點的變形，主要包括地表沉降、拱頂位移和水平收斂等。監(jiān)測點布置如圖2所示。

2.3.1溶洞位置對地表沉降的影響

不同溶洞位置條件下，計算得到的隧道洞口圍巖變形如圖3所示。由圖3可知，由于存在偏壓，圍巖變形不再呈對稱分布，溶洞位置對圍巖變形具有較大影響，隨著溶洞向山體內(nèi)側(cè)移動，仰拱隆起量變化較小，但豎向位移顯著增大。

不同工況下地表沉降變化如圖4所示。圖4中以隧道中心線為原點，靠近坡面?zhèn)葹樽鴺?biāo)負(fù)方向，山體內(nèi)側(cè)為坐標(biāo)正方向。三種工況下的地表沉降變化規(guī)律基本一致，坡腳處地表隆起位移較大，在距離隧道軸線6 m時達到峰值，然后隨之降低并最終趨于一個定值。究其原因為，在坡體自身重力的影響下，上部分坡體有向下的重力，作用在下方土體后，導(dǎo)致隧道兩側(cè)的土體所受到的土壓力不一致，類似于弓箭兩梢受到向下的力，使得弓箭中央產(chǎn)生向上的力，但是隧道位置由于土體被挖空，無法與之平衡，進而產(chǎn)生了向上的位移，使得隧道上方的坡面產(chǎn)生了地表隆起。值得注意的是，當(dāng)溶洞位于外側(cè)和中間時，地表位移均為正值，當(dāng)溶洞位置越靠近山體時，地表隆起位移越小，且當(dāng)溶洞處于最內(nèi)側(cè)時，在隧道右側(cè)也就是邊坡上緣產(chǎn)生了下沉。

2.3.2溶洞位置對拱頂位移的影響

對不同溶洞位置條件下隧道拱頂位移進行整理，以拱頂位移為縱坐標(biāo)，以溶洞與隧道中心線之間的距離為橫坐標(biāo)，靠近山體內(nèi)部為正方向，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)溶洞最靠近隧道正下方時，拱頂位移達到最大值，為18.5 mm；溶洞位于仰拱外側(cè)距隧道中線5.85 m時，拱頂位移為10.5 mm；溶洞處于仰拱外側(cè)及正下方時，隧道拱頂均是產(chǎn)生向上的位移；而當(dāng)溶洞位于仰拱內(nèi)側(cè)距隧道中線6.57 m時，拱頂產(chǎn)生了向下1.7 mm的位移。

2.3.3溶洞位置對水平收斂的影響

不同溶洞位置條件下隧道圍巖水平位移如圖6所示。由圖6可知，溶洞位置對圍巖變形模式具有較大影響，當(dāng)溶洞位于山體外側(cè)時，隧道底部水平位移呈對稱分布，其他兩種工況水平位移均主要分布在山體外側(cè)。這主要是由于溶洞的存在隔斷了山體推力的傳遞，隧道圍巖變形受偏壓荷載作用減小。與豎向位移相似，圍巖水平位移隨溶洞向山體內(nèi)側(cè)的移動逐漸增加。水平和豎向位移結(jié)果均表明，仰拱底部溶洞最不利位置為山體內(nèi)側(cè)。

根據(jù)設(shè)置的水平收斂測線，對不同工況下水平收斂數(shù)值進行提取，以周邊收斂為縱坐標(biāo)，以溶洞距隧道中線的距離為橫坐標(biāo)，如圖7所示。當(dāng)溶洞位于仰拱外側(cè)距隧道中線5.85 m時，水平收斂僅有3.5 mm；當(dāng)位于仰拱約正下方時，水平收斂為5.3 mm；而當(dāng)溶洞位于仰拱內(nèi)側(cè)距隧道中線6.57 m時，水平收斂增長至13.2 mm。

3溶洞處治措施

樂業(yè)北互通主線隧道進口段的洞頂及洞身圍巖主要為坡積粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化灰?guī)r，巖體極破碎-較破碎，節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育。針對現(xiàn)場出現(xiàn)的溶洞，基于上述分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場工程實際，提出了針對不同位置溶洞的處治措施。具體如下：

（1）對于隧道開挖面外（拱腰以上、基礎(chǔ)及路面下）的溶洞發(fā)育深度＜2.0 m的地段，及在邊墻處發(fā)育的溶洞，原則上采用回填的方式進行處理。

（2）當(dāng)溶洞在拱腰以上發(fā)育：采用泵送C15混凝土進行回填。為避免回填混凝土對復(fù)合襯砌局部產(chǎn)生過大壓力，根據(jù)溶洞大小，在其四周施作約1.2 m×1.2 m間距的錨桿，錨桿深入圍巖≥1.0 m?；靥钍┕ね旰笤偈┳鲊娚浠炷梁弯摻罹W(wǎng)初期支護等。如圖8所示。

（3）當(dāng)溶洞在邊墻處發(fā)育：采用C15混凝土回填，厚度≥1.5 m。每隔2 m設(shè)置一處100HDPE透水管與側(cè)水溝相連，該處噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)初期支護可以取消。如圖9所示。

（4）當(dāng)溶洞在基礎(chǔ)及路面下發(fā)育：底部采用大塊石進行回填，上部采用直徑為10～20 cm的拳石進行回填，回填過程中盡可能壓實，回填頂部采用鋼筋混凝土搭板承托二襯及路面。如圖10所示。

對于半空腔溶洞應(yīng)結(jié)合填充物情況采用適當(dāng)?shù)某凹庸?。一般情形下，若隧道范圍?nèi)為巖石時，可以僅在漏空段采用超前大管棚，反壓混凝土的施工可以結(jié)合溶洞的穩(wěn)定性選擇模筑混凝土、泵送混凝土施工。當(dāng)溶洞穩(wěn)定性無法保障時，宜采用泵送回填的方式。在施工過程中應(yīng)留出運輸通道，在溶洞內(nèi)回填塊石，并做好防排水措施。對于位于底板的大型溶洞，可以結(jié)合溶洞的自身形態(tài)以及與隧道的相對位置關(guān)系，選擇板跨、橋跨等方案。

需要注意的是，除以上針對巖溶的處治措施外，還需要對隧道的排水系統(tǒng)采取措施。例如在溶洞環(huán)向盲管和橫向?qū)芗用苤? m一道。同時，在隧道施工過程中還需要做好“動態(tài)設(shè)計與施工”，需加強監(jiān)控量測及巡視，洞內(nèi)監(jiān)控量測頻率加密1倍。加強隧道底板監(jiān)測，出現(xiàn)險情及時反饋和處理。

4結(jié)語

本文以樂業(yè)—望謨高速公路樂業(yè)北互通隧道為依托工程，結(jié)合室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場施工分析，研究了溶洞位置對偏壓隧道洞口圍巖穩(wěn)定性的影響，得到了圍巖變形隨溶洞位置的變化規(guī)律，并針對樂業(yè)北互通隧道的實際溶洞位置，給出了合理的處治措施。得到的主要結(jié)論如下：

（1）在地表坡度為1∶1.5，拱肩距離坡面0.5 m的情況下，地表位移從坡腳向上，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，且仰拱溶洞越遠離邊坡，地表位移越小。

（2）當(dāng)溶洞處于仰拱正下方時，拱頂位移達到最大值，拱底位移隨仰拱溶洞到坡面的距離增大先增大后減??；當(dāng)溶洞位于內(nèi)側(cè)時，拱頂位移最小。水平收斂隨仰拱溶洞到坡面的距離增大而增大。

（3）提出了針對不同位置溶洞的處治措施，同時加強洞內(nèi)排水，并加密洞內(nèi)監(jiān)控量測頻率，動態(tài)設(shè)計施工，保證隧道施工過程圍巖的穩(wěn)定性。

參考文獻：

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基金項目：中國博士后基金資助項目“交通荷載下加筋土結(jié)構(gòu)塑性-摩擦安定分析模型及數(shù)值方法研究”（編號：2022M722436）

作者簡介：高智臣（1983—），工程師，主要從事隧道施工技術(shù)的研究工作。