海德隧道淺層巖溶發(fā)育特征及影響分析

黃 彬，楊新安，劉衛(wèi)星，李 淮

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804;3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032)

淺層巖溶是指基巖表面溶溝、溶槽或基巖面以下淺層溶隙、溶洞發(fā)育的地質(zhì)現(xiàn)象。羅小杰[1]發(fā)現(xiàn)武漢地區(qū)淺層溶洞以小規(guī)模溶洞為主，溶洞充填方式是自上而下充填。趙瑞等[2]統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)各巖溶類(lèi)型的基本發(fā)育特征，總結(jié)了巖溶發(fā)育的高程分帶以及巖溶管道流循環(huán)特征。郭佳奇等[3]、李鳴沖等[4]通過(guò)對(duì)宜萬(wàn)鐵路隧道所揭示的溶洞進(jìn)行數(shù)理分析，將巖溶發(fā)育特征概化為4種基本模式并根據(jù)巖溶發(fā)育特征和工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出巖溶規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)。韋舉高[5]闡述了武陵山隧道巖溶的位置、范圍、深度和形態(tài)特征，并從巖性、構(gòu)造、地貌等方面分析了巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律，對(duì)測(cè)區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，對(duì)巖溶空間分布與隧道的關(guān)系作出初步評(píng)價(jià)。莫陽(yáng)春等[6-7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了溶洞位于隧道側(cè)部及底部時(shí)隧道不同部位圍巖的受力及位移。趙明階等[8]研究了不同尺寸溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。宋戰(zhàn)平等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析，研究了不同位置及尺寸的溶洞下的隧道圍巖受力、變形規(guī)律。

目前對(duì)淺層巖溶的研究仍相對(duì)較少，本文依托宣曲高速公路海德隧道，統(tǒng)計(jì)分析淺層巖溶發(fā)育特征，揭示淺層巖溶的發(fā)育機(jī)理、特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探討有溶洞的隧道圍巖變形特征，分析其對(duì)隧道開(kāi)挖的影響。

1 海德隧道淺層巖溶發(fā)育特征

海德隧道位于云南省曲靖市境內(nèi)，是一座兩車(chē)道分離式隧道，左線最大埋深約為139 m，右線最大埋深約為143 m，累計(jì)總長(zhǎng) 4 286.1 m。隧道圍巖以二疊系下統(tǒng)茅口組中風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體相對(duì)較完整，多呈塊(碎)石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，側(cè)壁穩(wěn)定性相對(duì)較好。土體富水性較強(qiáng)，開(kāi)挖時(shí)可能存在滲水現(xiàn)象。施工中共揭示溶洞205個(gè)，巖溶發(fā)育率為每21 m 1個(gè)，淺層巖溶十分發(fā)育。

海德隧道的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：①隧道兩端洞口段為全斷面紅黏土地層，松散，穩(wěn)定性極差，進(jìn)洞難；②洞身大部分位于淺層巖溶中，溶洞極為發(fā)育，溶洞大小與發(fā)育部位多變，充填類(lèi)型多樣，導(dǎo)致圍巖及上覆地層易松動(dòng)、坍塌、冒頂，圍巖壓力大，變形控制難度大；③設(shè)計(jì)階段勘察工作欠缺，施工圖設(shè)計(jì)未對(duì)巖溶發(fā)育特征與部位等給予說(shuō)明，導(dǎo)致施工階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，單靠超前地質(zhì)預(yù)報(bào)難以完全探明隧道施工前方地質(zhì)條件，隧道施工難度極大。

1.1 淺層巖溶發(fā)育規(guī)模

目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有明確的巖溶大小劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文按巖溶發(fā)育體積大小將巖溶劃分為小型(小于50 m3)、中型(50～200 m3)、大型(200～1 000 m3)、特大型(大于 1 000 m3)4個(gè)等級(jí)，對(duì)海德隧道施工中揭示的巖溶情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，海德隧道淺層溶洞多為中、小型溶洞，大型及特大型溶洞較少。

考慮到大型溶洞與特大型溶洞所占比例較小，但其體積對(duì)統(tǒng)計(jì)造成的誤差影響較大，故僅統(tǒng)計(jì)體積小于200 m3的溶洞。左線與右線溶洞體積變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1，其中溶洞按里程由小到大依次編號(hào)。

表1 溶洞規(guī)模統(tǒng)計(jì)

圖1 溶洞體積變化趨勢(shì)

由圖1可知：①左線溶洞體積平均值為77.45 m3。小里程一側(cè)的前26個(gè)溶洞的體積平均值為68.31 m3，中間的51個(gè)溶洞體積平均值為99.40 m3，大里程側(cè)的26個(gè)溶洞體積平均值為43.55 m3，即左線出口端溶洞體積<進(jìn)口端溶洞體積<中間溶洞體積。②右線溶洞體積平均值為82.64 m3。右線小里程一側(cè)的前17個(gè)溶洞的體積平均值為86.85 m3，中間的17個(gè)溶洞體積平均值為128.88 m3，大里程側(cè)28個(gè)溶洞的溶洞體積平均值為54.66 m3，即右線出口端溶洞體積<進(jìn)口端溶洞體積<中間溶洞體積。

左線與右線的溶洞體積具有相似的變化規(guī)律，可知溶洞體積與隧道埋深及地質(zhì)條件有關(guān)。由于右線靠近山腳處，地質(zhì)條件更差，隧道埋深較淺，右線溶洞體積大于左線。

1.2 淺層巖溶充填介質(zhì)

根據(jù)填充程度及填充成分物質(zhì)的不同，將海德隧道巖溶的主要類(lèi)型分為無(wú)充填型、泥土充填型、碎石和塊石填充型3種。

無(wú)充填型溶洞對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響有限，對(duì)施工人員、設(shè)備危害較小。泥土充填型溶洞是指填充物質(zhì)以泥、土為主(80%以上)的溶洞，其中可能夾部分碎石和塊石。泥土充填型溶洞的穩(wěn)定性與其含水狀態(tài)有密切關(guān)系，在含水率較大時(shí)溶洞內(nèi)的物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)。碎石和塊石充填型溶洞是指填充物質(zhì)以碎石、塊石為主的溶洞，碎石、塊石表面附著有少量泥土。這類(lèi)溶洞多在節(jié)理密集發(fā)育的巖體中出現(xiàn)，形成過(guò)程中伴隨著圍巖自身的重力失穩(wěn)，其失穩(wěn)后的形態(tài)與隧道揭露突泥口的大小關(guān)系較為密切。

海德隧道左線、右線分別共統(tǒng)計(jì)116，89處的充填介質(zhì)情況，見(jiàn)表2。可知，左線和右線充填型溶洞分別占87%，88%，無(wú)充填介質(zhì)的溶洞分別僅占13%，12%。

表2 海德隧道充填介質(zhì)情況

綜上所述，海德隧道溶洞充填介質(zhì)有如下特征：①左、右線的充填物“紅黏土、大塊孤石，含少量水”占較大比例，均約為87%；剩余約13%為無(wú)充填介質(zhì)的空腔。②左、右線充填介質(zhì)在空間分布上具有一定連續(xù)性特征，小里程側(cè)集中分布紅黏土、大塊孤石，含少量水。例如左線ZK118+652—ZK119+630的前76個(gè)溶洞均有填充介質(zhì)；大里程側(cè)則較集中地出現(xiàn)無(wú)介質(zhì)的空腔。

1.3 淺層巖溶發(fā)育部位

針對(duì)海德隧道的溶洞發(fā)育部位集中于拱腰以上的特征，傳統(tǒng)的拱腰、拱頂部位的定義方式無(wú)法精確地表示溶洞的部位及其在隧道斷面內(nèi)的寬度，故使用如圖2 所示的方式劃分溶洞部位，將溶洞上部從“左拱腰-拱頂-右拱腰”依次劃分為7個(gè)區(qū)域。

圖2 溶洞部位劃分示意

海德隧道左線、右線溶洞部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，其中比例表示統(tǒng)計(jì)的溶洞包含此部位的概率。可知，左線與右線90%以上的溶洞皆出現(xiàn)在拱腰及以上部位，其中溶洞拱頂左、右(3—4拱頂—5)的區(qū)域出現(xiàn)的溶洞概率遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，左線達(dá)到30%以上，而右線達(dá)到40%以上；而且左線與右線拱頂偏右的區(qū)域(5區(qū))出現(xiàn)溶洞的概率接近1/2。

綜上所述，溶洞較集中出現(xiàn)在拱頂左、右區(qū)域，且分布趨勢(shì)偏向右邊；右線溶洞較左線溶洞位于拱腰以上的概率較大，位于拱頂部位附近概率更大，這與海德隧道的地質(zhì)條件吻合。靠近右方的圍巖埋深較小，圍巖條件變差，裂隙及地下水較發(fā)育，巖溶作用較強(qiáng)。溶洞在隧道中、邊墻與底板處均有出露，但出現(xiàn)概率較小。其中溶洞出現(xiàn)在隧道以下(即仰拱以下)的概率僅有1%，其余包含隧道中的溶洞均出現(xiàn)在邊墻以上。巖溶發(fā)育有明顯隨深度變化的特征，隨著圍巖深度的增大，溶洞出現(xiàn)的概率減小。并且，溶洞的分布部位在空間上具有較大的連續(xù)性，相近區(qū)域的溶洞均位于斷面內(nèi)相似部位；溶洞截面范圍基本一致，在空間上具有相似性。例如ZK118+983—ZK119+125里程內(nèi)的9個(gè)溶洞均位于拱頂與右拱腰間區(qū)域(連續(xù)性)，且溶洞截面范圍大小基本一致(相似性)。

表2 海德隧道溶洞部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 淺層巖溶對(duì)圍巖變形的影響

2.1 巖溶充填介質(zhì)的影響

海德隧道左線監(jiān)測(cè)斷面ZK120+537無(wú)溶洞發(fā)育現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)斷面ZK120+586為紅黏土填充溶洞，監(jiān)測(cè)斷面ZK120+619處溶洞無(wú)填充介質(zhì)，不同溶洞介質(zhì)斷面圍巖的拱頂下沉與洞周收斂見(jiàn)圖3。

圖3 不同溶洞介質(zhì)斷面的圍巖位移

由圖3(a)可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降曲線變化規(guī)律一致。隨著隧道的開(kāi)挖前期拱頂沉降明顯增大；開(kāi)挖至20 d左右時(shí)沉降基本穩(wěn)定，其中紅黏土溶洞沉降最晚達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。紅黏土溶洞沉降最大，穩(wěn)定后拱頂沉降為7.9 mm；其次為無(wú)填充溶洞，穩(wěn)定后拱頂沉降為5.9 mm；無(wú)溶洞時(shí)沉降最小，僅為3.2 mm。

由圖3(b)可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的洞周收斂曲線變化規(guī)律一致。隨著隧道的開(kāi)挖前期洞周收斂迅速增加；開(kāi)挖至20 d左右時(shí)，位移變化不大。3處斷面的水平位移較小，差別也較小，差值皆在2～3 mm左右。

2.2 巖溶發(fā)育形態(tài)的影響

2.2.1 溶洞規(guī)模的影響

以海德隧道右線K120+400—ZK120+750為研究對(duì)象，針對(duì)小型、中型、大型與特大型溶洞的斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中監(jiān)測(cè)斷面K120+442無(wú)溶洞發(fā)育現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)斷面K120+529處有小型溶洞，監(jiān)測(cè)斷面K120+643處有中型溶洞，監(jiān)測(cè)斷面K120+633處有大型溶洞，監(jiān)測(cè)斷面K120+590處有特大型溶洞。不同規(guī)模溶洞的圍巖拱頂下沉與洞周收斂見(jiàn)圖4。

圖4 不同規(guī)模溶洞的圍巖位移

由圖4(a)可知，不同規(guī)模溶洞所在斷面的圍巖拱頂沉降曲線變化規(guī)律一致。隨著隧道的開(kāi)挖，前期拱頂沉降明顯增大；開(kāi)挖至20d左右時(shí)，沉降變化不大。隨著溶洞體積的增大，拱頂沉降增大。無(wú)溶洞發(fā)育時(shí)與中小型溶洞的拱頂沉降無(wú)太大差別，沉降約9 mm，大型溶洞的沉降可達(dá)到13.9 mm，特大型溶洞沉降達(dá)到17.0 mm并仍有緩慢增加的趨勢(shì)。

由圖4(b)可知，不同規(guī)模溶洞所在斷面的圍巖洞周收斂曲線變化規(guī)律均一致。隨著隧道的開(kāi)挖，前期洞周收斂逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。不同規(guī)模溶洞所在斷面的圍巖水平位移均較小，差別也較小，差值皆在2～3 mm左右。

2.2.2 溶洞發(fā)育部位的影響

海德隧道左線監(jiān)測(cè)斷面ZK118+845處溶洞位于右邊墻，監(jiān)測(cè)斷面K119+895處溶洞位于右拱腰，監(jiān)測(cè)斷面ZK118+845處溶洞位于拱頂，監(jiān)測(cè)斷面ZK118+940處無(wú)溶洞發(fā)育，不同斷面圍巖的拱頂下沉與洞周收斂見(jiàn)圖5。

圖5 不同溶洞發(fā)育部位的圍巖位移

由圖5(a)可知，不同發(fā)育部位的溶洞所在斷面的拱頂沉降曲線變化規(guī)律一致。隨著隧道的開(kāi)挖，前期拱頂沉降明顯增大；開(kāi)挖至20d左右時(shí)，沉降變化不大。其中，無(wú)溶洞時(shí)拱頂沉降最小，僅為8.3 mm；其次為拱頂部位的溶洞與拱腰部位的溶洞，沉降約12 mm；在溶洞位于邊墻部位時(shí)沉降最大，達(dá)到19.6 mm。

由圖5(b)可知，不同發(fā)育部位的溶洞所在斷面的洞周收斂曲線變化規(guī)律與拱頂沉降規(guī)律相似，前期數(shù)值逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。但洞周收斂數(shù)值均較小，差別也較小，其中無(wú)溶洞、拱腰溶洞與拱頂溶洞約為1.5 mm，邊墻溶洞的收斂數(shù)值可達(dá)到3.3 mm。

3 淺層巖溶對(duì)圍巖受力的影響分析

左線隧道里程ZK119+475的斷面左側(cè)處出現(xiàn)溶洞，溶洞規(guī)模和位置如圖6所示，隧道圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，斷面圍巖以第四系坡殘積黏土及二迭系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r為主，巖體極破碎，呈碎石、塊狀結(jié)構(gòu)，掌子面潮濕，側(cè)壁穩(wěn)定性差。該洞整體穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊、掉渣、甚至坍塌現(xiàn)象。

圖6 ZK119+475處溶洞位置示意

不同位置處圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力見(jiàn)圖7?？芍孩僮髠?cè)拱腰處接觸應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)至約5 kPa后趨于穩(wěn)定，右側(cè)拱腰處接觸應(yīng)力迅速增大至20 kPa后應(yīng)力有所減小并趨于穩(wěn)定，在10 kPa左右。左側(cè)拱腰處圍巖壓力逐漸增大，說(shuō)明開(kāi)挖對(duì)溶洞內(nèi)的填充黏土有擾動(dòng)作用，且擾動(dòng)作用隨著開(kāi)挖面與該斷面的距離逐漸增大而消失，最終圍巖壓力不會(huì)對(duì)初期支護(hù)產(chǎn)生過(guò)大影響。對(duì)比左側(cè)拱腰(溶洞)和右側(cè)拱腰處圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，右側(cè)拱腰處初期支護(hù)接觸應(yīng)力總體上大于左側(cè)拱腰(溶洞)處，但差值逐漸減小，說(shuō)明開(kāi)挖擾動(dòng)、應(yīng)力釋放及初期支護(hù)變形的綜合變化的過(guò)程使得圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力重新分配，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看這種重新分配是趨于安全的。②拱腳處左側(cè)(溶洞)與右側(cè)圍巖與初期支護(hù)的接觸應(yīng)力皆呈現(xiàn)波動(dòng)、略微增大的特征，開(kāi)挖后30 d應(yīng)力穩(wěn)定在2 kPa 左右。由于下臺(tái)階未開(kāi)挖，因此拱腳處圍巖壓力變化較小，且兩側(cè)圍巖壓力數(shù)值相近。

圖7 不同位置處圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力

不同位置處鋼架內(nèi)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖8。可知：①右拱腰外側(cè)鋼架內(nèi)力迅速增大到20 kPa以上，但隨后減小至13 kPa左右并保持基本穩(wěn)定，右拱腰內(nèi)側(cè)同樣迅速增大至17 kPa左右，隨后減小至7 kPa并保持穩(wěn)定；左拱腰外側(cè)迅速增大到14 kPa左右并保持基本穩(wěn)定，左拱腰內(nèi)側(cè)同樣迅速增大至3 kPa左右并保持穩(wěn)定。左側(cè)拱腰與右側(cè)拱腰內(nèi)、外側(cè)鋼架內(nèi)力變化趨勢(shì)均相似，外側(cè)內(nèi)力稍大于內(nèi)側(cè)內(nèi)力。②由于下臺(tái)階并未開(kāi)挖，拱腳處鋼架內(nèi)力較小，在開(kāi)挖初期鋼架內(nèi)力波動(dòng)較為明顯，隨著時(shí)間和掌子面推移，鋼架內(nèi)力逐漸減小，均在1 kPa左右或以內(nèi)，鋼架整體上基本不受力。無(wú)論左側(cè)還是右側(cè)拱腳，都表現(xiàn)為鋼架外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)受拉，這可能是由于鎖腳錨桿和洞周收斂綜合影響，使得該處鋼架呈現(xiàn)向隧道內(nèi)擠壓。

圖8 鋼架內(nèi)力隨時(shí)間變化曲線

無(wú)論鋼架是在左側(cè)(溶洞)還是右側(cè)拱腰處，鋼架內(nèi)、外側(cè)均承受壓力，在兩側(cè)拱腰鋼架均表現(xiàn)為整體受壓狀態(tài)，鋼架結(jié)構(gòu)處于有利的受力狀態(tài)。左側(cè)拱腰處(溶洞位置)鋼架內(nèi)力整體上小于右側(cè)，結(jié)合拱腰處圍巖壓力變化曲線可以說(shuō)明，溶洞處圍巖處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)海德隧道巖溶發(fā)育率較高，溶洞規(guī)模多為中小型溶洞。左線與右線的溶洞體積與隧道埋深及地質(zhì)條件有關(guān)，由于右線地質(zhì)條件更差，隧道埋深較淺，右線溶洞體積大于左線。

2)隧道左、右線充填介質(zhì)“紅黏土、大塊孤石，含少量水”占較大比例，約為87%；剩余約13%為無(wú)充填介質(zhì)的空腔。

3)左線與右線90%以上的溶洞皆出現(xiàn)在拱腰及以上部位，溶洞較集中出現(xiàn)在拱頂附近區(qū)域，分布趨勢(shì)偏向右邊。巖溶發(fā)育有明顯隨深度變化的特征，隨著圍巖深度的增大，溶洞出現(xiàn)的概率減小。并且靠近右方的圍巖埋深較小，圍巖條件變差，裂隙及地下水較發(fā)育，巖溶作用較強(qiáng)。

4)溶洞會(huì)增加拱頂沉降，且紅黏土溶洞沉降大于無(wú)填充溶洞，但有無(wú)溶洞及有無(wú)填充介質(zhì)對(duì)洞周收斂影響較小；隨著溶洞體積的增大，拱頂沉降數(shù)值增大，其中無(wú)溶洞發(fā)育與中小型溶洞的拱頂沉降量無(wú)太大差別，溶洞體積對(duì)洞周收斂影響較?。蝗芏次挥谶厜Σ课粫r(shí)的拱頂沉降大于溶洞位于拱頂、拱腰部位時(shí)的拱頂沉降，無(wú)溶洞、拱腰溶洞與拱頂溶洞的洞周收斂約為1.5 mm，邊墻溶洞的洞周收斂可達(dá)到3.3 mm。

5)隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞內(nèi)的填充黏土的擾動(dòng)作用隨著開(kāi)挖面的距離增大而減小直至消失，開(kāi)挖擾動(dòng)、應(yīng)力釋放及初期支護(hù)變形的綜合變化的過(guò)程使得圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力重新分配。無(wú)論鋼架是在左側(cè)(溶洞)還是右側(cè)拱腰處，鋼架內(nèi)、外側(cè)內(nèi)力變化趨勢(shì)相似且均承受壓力，兩側(cè)拱腰鋼架表現(xiàn)為整體受壓狀態(tài)，受力較為有利。左側(cè)拱腰處(溶洞)鋼架內(nèi)力整體上小于右側(cè)，溶洞處圍巖處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。