湖北鶴峰太坪隧道特大溶洞發(fā)育特征及穩(wěn)定性評價

王章瓊，柯茂東，張 兵，李元松，王亞軍

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

0 引言

我國西南山區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布，屬于典型的巖溶發(fā)育區(qū)。巖溶發(fā)育導(dǎo)致巖體完整性、連續(xù)性遭到破壞，且?guī)r溶具有較強的隱蔽性，常規(guī)勘察手段難以準(zhǔn)確查明巖溶的位置、規(guī)模和性質(zhì)[1]，導(dǎo)致隧道開挖過程中普遍存在突水、圍巖失穩(wěn)風(fēng)險，給工程建設(shè)造成諸多不良影響[2]。在巖溶地區(qū)開展的各類隧道工程建設(shè)易遭遇巖溶地質(zhì)災(zāi)害，處治不當(dāng)則可能造成延誤工期、人員傷亡等嚴(yán)重后果，如重慶S202通渝隧道[3]、渝懷線圓梁山隧道[4]、蘭渝線桐子林隧道[5]、廣渝高速華鎣山隧道[6]、宜萬鐵路野三關(guān)隧道[7]和齊岳山隧道[8]、滬蓉西高速烏池壩隧道[9]、吉蓮高速鐘家山隧道[10]、滬昆高鐵朱砂堡二號隧道[11]、貴廣高鐵坪山隧道[12]等。在以往的大量工程實踐中，針對隧道巖溶的分析、評價、處治等問題，開展了大量有益的探索和嘗試，積累了豐富的經(jīng)驗[13-18]。

太平隧道位于湖北省鶴峰縣太平鄉(xiāng)龍?zhí)洞逦鞑考s1 km處，長625 m，最大埋深145 m，為一中隧道。隧道建筑限界凈寬4.5 m，凈高5 m；二襯采用C30鋼砼，厚45 cm。左幅起訖里程樁號為ZK56+855～ZK57+466，右幅起訖里程樁號為YK56+820～YK57+445。溶洞沿隧道走向長約139 m，寬約79 m，高約60 m，溶腔體積約4.3×105m3，且橫穿左、右兩幅隧道。本文依托宜來高速太平隧道特大型溶洞，通過對巖溶地質(zhì)條件、發(fā)育特征的系統(tǒng)研究，評價溶洞圍巖穩(wěn)定性，分析和預(yù)測溶洞演化趨勢，為溶洞穩(wěn)定性綜合評價及處治方案設(shè)計提供依據(jù)。

1 隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

太平隧道所在區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕巖溶峰叢低山地貌，海拔高程一般約為935～1 065 m，相對高差約130 m。隧道橫穿一座渾圓狀山體及埡口，路線方向與山體長軸方向基本一致。隧道進口位于山體東側(cè)，進口坡度較陡，為直線型斜坡，坡向為108°，坡度34°；出口位于渾圓狀山體西側(cè)，出口為直線型坡，坡向為290°，平均坡度30°。

隧址區(qū)基巖主要為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組下段二段(T1j2)灰?guī)r，風(fēng)化程度為中風(fēng)化-微風(fēng)化，呈青灰色、深灰色，中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)地堅硬，性脆，抗風(fēng)化能力強，力學(xué)強度高。

溶洞位于鶴峰向斜北翼，臨近鶴峰向斜核部，巖層呈陡傾狀單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀140°∠62°。隧址區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有3組優(yōu)勢節(jié)理：80°～125°∠56°～81°、156°～180°∠40°～68°、282°～355°∠49°～55°。節(jié)理多呈微張-緊閉狀，裂隙間多有灰黃色薄層狀或薄膜狀黏土充填。溶洞圍巖溶蝕裂隙發(fā)育，在長期溶蝕作用下，巖體內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力基本釋放(圖1)。

圖1 太平隧道巖溶水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Karst hydrogeologic map of Taiping Tunnel

區(qū)內(nèi)地下水主要有松散層孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三大類。松散層孔隙水主要賦存于第四系松散堆積層，零散分布在山體斜坡溝谷及巖溶洼地，主要由大氣降雨補給，徑流途徑短。碎屑巖類裂隙水主要賦存于構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙中，埋藏較淺，接受巖溶地下水補給。碳酸鹽巖類巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖地層巖組，即嘉陵江組地層(T1j)，地層巖溶強烈發(fā)育，暴雨期間會產(chǎn)生較大徑流，但可通過地下暗河快速排出。

太平隧道周圍地表水體不發(fā)育，離太平隧道最近的地表河流為吊沙河，在四坪村二組南東側(cè)(太平隧道出口西側(cè)約1 km處)進入地下，向溇水河排泄，溶洞整體處于地下水位以上，為干溶洞。地下水的補給主要為大氣降雨，該區(qū)域山高谷深，基巖裸露，有利于雨水地表徑流排泄，雨水入滲量有限，基本不影響溶洞穩(wěn)定性。

2 溶洞發(fā)育特征及成因

2.1 溶洞形態(tài)特征

溶洞起于ZK57+29 m處，止于ZK57+168 m處，沿隧道方向(長軸方向)長139 m，寬(短軸方向，ZK57+125 m處)79 m，平面上近似呈火炬狀(圖2)。

圖2 溶洞平面形態(tài)Fig.2 Plane form of karst carven

溶洞整體呈橢圓形、漏斗狀，斜向下發(fā)育；洞頂呈穹窿狀，高出隧道底板20～30 m，局部有鐘乳石。巖溶發(fā)育深度約從830～960 m高程處，深度約130 m(圖3、圖4)。溶洞頂板與山體表面垂直距離較小，最薄處約50 m。

圖3 溶洞立面形態(tài)Fig.3 Facade form of karst carven

圖4 溶洞內(nèi)部狀況Fig.4 Internal status of karst cavern

為確定溶洞規(guī)模，在詳勘階段鉆探基礎(chǔ)上，增加了4個鉆孔，同時布置了4條高密度電法物探剖面測線，基本圈定了溶洞規(guī)模。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合洞內(nèi)現(xiàn)場測量得到溶洞空間形態(tài)參數(shù)，其與隧道關(guān)系如圖5所示。

圖5 隧道與溶洞空間形態(tài)Fig.5 Space form of the tunnel and karst carven

2.2 溶洞堆積物特征

洞底為溶洞堆積物，厚度約30～40 m。堆積物主要為灰?guī)r巖塊，塊徑為15～80 cm不等(圖6(a))。局部堆積物表面可見滲滴水形成的石窩，石窩深達0.01～0.05 m，部分堆積物已被鈣華固結(jié)(圖6(b))，表明洞內(nèi)崩塌堆積物系早期形成。

圖6 溶洞堆積物特征Fig.6 Characteristic of accumulation body in karst cavern

2.3 溶洞成因分析

隧址區(qū)溶洞的發(fā)育大體上經(jīng)歷了2個階段：第一階段為震旦紀(jì)至侏羅紀(jì)，鶴峰境內(nèi)基本處于沉降過程，該區(qū)域形成了一套以碳酸鹽巖為主的海相沉積巖層，厚度巨大，富含碳酸鈣，以寒武系、三疊系分布最廣，為后期巖溶形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。第二階段為中生代后期至今，侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)發(fā)生燕山運動，研究區(qū)由海相轉(zhuǎn)為陸相，并一直處于間歇性抬升之中，形成高低不平的高山峽谷地貌。同時發(fā)生強烈的擠壓，形成一系列NE-NNE向褶皺山地。

太平隧道位于鶴峰向斜近核部北翼，受構(gòu)造影響該區(qū)域碳酸鹽層節(jié)理裂隙十分發(fā)育，鶴峰又屬亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤氣候，具有降雨充沛、霧多、蒸發(fā)小、濕度大等特點，有利于巖溶發(fā)育。隧址區(qū)山體石灰?guī)r裸露，順山坡發(fā)育溪谷、河流，地表水沿灰?guī)r節(jié)理裂隙入滲，長期作用下在透水性較好的嘉陵江組灰?guī)r中形成溶洞。

第三紀(jì)中期，發(fā)生喜馬拉雅運動，鶴峰境內(nèi)主要表現(xiàn)為差異性的升降作用，太平隧道所在山體緩慢抬升，成為鶴峰西部區(qū)域地勢相對較高處，該溶洞位于當(dāng)?shù)氐叵滤灰陨希纬赡壳鞍氤涮顮顟B(tài)的干溶洞。

3 溶洞穩(wěn)定性評價及演化分析

3.1 溶洞穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算

(1)數(shù)值分析模型及邊界條件

采用FLAC3D進行穩(wěn)定性計算，數(shù)值分析模型平行于隧道軸線方向長400 m，垂直于隧道軸線方向長300 m，模型底部距溶洞底部140 m，共242 951個節(jié)點，1 448 143個單元體(圖7)。

圖7 隧道溶洞數(shù)值分析模型Fig.7 Numerical analysis model of karst carven

對模型4個側(cè)面約束水平方向位移，底面約束垂直方向位移。因山體巖溶較發(fā)育，水平構(gòu)造應(yīng)力大部分已釋放，計算時不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力。

(2)材料參數(shù)及本構(gòu)模型

根據(jù)室內(nèi)巖石試驗、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等結(jié)果，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則估算出隧道山體巖體力學(xué)參數(shù)，同時考慮到長期風(fēng)化作用下巖體力學(xué)參數(shù)的劣化(變形模量及強度參數(shù)折減約10%)，得到現(xiàn)狀、長期運營條件下圍巖物理、力學(xué)參數(shù)建議值(表1)。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

(3)計算結(jié)果及分析

基于強度折減法，得到隧道開挖前、開挖后及長期運營條件下的洞室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)(表2)。結(jié)果表明，隧道在自然條件及開挖爆破影響下，圍巖穩(wěn)定性系數(shù)均>1.5，基本穩(wěn)定；但受節(jié)理裂隙影響，隧道與溶洞結(jié)合部等局部可能出現(xiàn)掉塊、垮塌。長期運營工況下，因圍巖溶蝕劣化，導(dǎo)致穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.24，安全儲備較低，頂板存在整體失穩(wěn)的可能。

表2 洞室圍巖穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

3.2 溶洞演化分析

太平隧道ZK57+168 m處揭露溶洞為“古溶洞”，系地層抬升后原巖溶管道頂部圍巖崩塌形成。溶洞周圍地表水體不豐富，整體處于地下水位以上，為干溶洞。地下水的補給主要為大氣降雨，該區(qū)域山高谷深，基巖裸露，有利于雨水地表徑流排泄，雨水入滲量有限，基本不影響該溶洞的穩(wěn)定性。

溶洞處于地下河補給、徑流區(qū)，但匯水范圍小，僅洪水期有較大水量通過硐體下方。洞底為溶洞堆積物所充填，厚約30～40 m，堆積物塊徑較大，過水能力強；洞頂呈穹隆狀，有利于頂板自穩(wěn)；洞身圍巖垂直方向巖溶發(fā)育，洪水期溶洞頂板會出現(xiàn)滲水、滴水或小股狀水流。整體而言，自然狀態(tài)下溶洞相對較穩(wěn)定。

在隧道施工過程中，由于開挖卸荷、爆破震動等因素的影響，可能導(dǎo)致局部出現(xiàn)掉塊。此外，在隧道長期運營過程中，由于山頂?shù)乇硭貛r溶裂隙向洞內(nèi)滲透，必然促進溶洞圍巖，特別是溶洞頂板的進一步溶蝕，導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，從而增大了頂板整體失穩(wěn)破壞的風(fēng)險。

4 結(jié)論及建議

(1)太平隧道ZK57處溶洞洞底為灰?guī)r巖塊堆積物，其表面可見滲滴水形成的石窩，部分堆積物已被鈣華固結(jié)，表明洞內(nèi)崩塌堆積物形成時間較早，該溶洞系早期巖溶發(fā)育過程中圍巖溶蝕、崩落而成。

(2)溶洞周圍地表水體不豐富，整體處于地下水位以上，為干溶洞。洪水期可能有較大水量通過溶洞下方，但洞底為大塊徑堆積物所充填，洞身圍巖垂直方向巖溶發(fā)育，過水能力強，地表水、地下水對溶洞及隧道影響較小。

(3)自然條件及開挖爆破工況下，頂板基本穩(wěn)定，但隧道與溶洞結(jié)合部等可能存在局部掉塊、垮塌現(xiàn)象，建議對上述薄弱部位進行錨噴支護。長期運營工況下，圍巖安全儲備較低，頂板可能發(fā)生整體失穩(wěn)，建議采用預(yù)應(yīng)力錨索對頂板進行支護。

(4)根據(jù)溶洞圍巖穩(wěn)定性現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢預(yù)測結(jié)果，建議隧道采用明洞(崩塌堆積體上修筑二襯)+半填充(頂部緩沖層)的方式通過，并做好防排水措施，加強施工及運營期的監(jiān)控量測。