鐵路隧道巨型溶洞穩(wěn)定性評估與施工防護棚架設計

孫亞飛 , 王 軍, 于明洋

(1. 中鐵十四局集團建筑工程有限公司, 山東 濟南 250101； 2. 山東建筑大學土木工程學院, 山東 濟南 250101)

0 引言

我國巖溶區(qū)面積達3.65×106km2，隨著交通建設大發(fā)展，公路、鐵路隧道工程越來越多地穿越巖溶區(qū)，遇到巨型溶洞的幾率也越來越大。由于巨型溶洞地質條件復雜，洞內危巖遍布且伴有落石、坍塌的風險，使得隧道施工安全受到威脅。因此在溶洞揭示后，為確保施工期作業(yè)人員及機械設備安全，需對溶洞進行必要的監(jiān)測及施工防護[1]。

目前國內溶洞臨時施工安全防護技術得到了一定程度的應用。曹校勇等[2]在羊橋壩隧道大型干溶洞施工期安全防護措施中，采用一種軌道頂推式雙層弧形拱架，并在外層鋼拱架上鋪設5 mm厚鋼板作為防護結構。李勇良[3]在營盤山隧道穿越巨型溶洞處治中，采用主被動防護、棚架防護的方案，保證了施工人員安全。郭明[4]在介紹花果山隧道ZK96+794溶洞處治技術中提到，為排除掉塊對后期施工帶來的安全隱患，在上部溶洞空腔范圍內設置鋼結構防護棚架。大寨1#隧道ZDK31 + 956 溶洞施工時，加工了一種整體式防護棚架，采用裝載機推至溶洞部位區(qū)形成安全防護[5]。拉之洞隧道溶洞施工過程中，則將鋼結構臺車推進溶洞進行防護，以保證施工安全[6]。

現(xiàn)有的溶洞臨時施工安全防護技術多數(shù)僅注重結構本身抵抗沖擊荷載的能力，對于結合溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測及溶洞風險源荷載計算方面涉及較少。本文以黔張常鐵路高山隧道DIK53+678處巨型溶洞為研究對象，以溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測分析為前提，溶洞風險源荷載計算分析為依據(jù)，提出巨型溶洞臨時施工安全防護棚架設計，以期為鐵路隧道巨型溶洞臨時施工安全防護設計提供參考。

1 工程概況

巨型溶洞于2016年8月13日被揭示，隨后迅速搭建垂直通道(見圖1)，并經專家論證，決定通過設置迂回平導、施工支洞及施工橫通道等繼續(xù)隧道掘進施工和溶洞補充勘察工作。溶洞周邊通道線路設計如圖2所示。經初步勘察，溶洞位于咸豐斜歪背斜的南東翼，處于奧陶系南津關組、分鄉(xiāng)組、紅花園組厚—巨厚層灰?guī)r中。大氣降水對溶洞補給有限，僅有少量通過節(jié)理裂隙下滲，溶洞整體表現(xiàn)為干溶洞。巨型溶洞主要由主溶蝕裂隙通道、廳堂狀廊道及支洞3部分構成，廳堂狀溶腔長×寬×高約為124 m×(32～63)m×(46～65)m，溶腔頂部呈完整的大平層狀，底部從西側向東側約呈13°向下傾斜，塊石堆積體覆蓋，溶腔南端為裂隙型溶洞; 隧道正洞設計線路自東向西呈42°夾角跨越廳堂狀廊道，跨越長度約71 m，隧道拱頂距溶洞最高處約2 m，軌面距溶洞底部36～57 m。

(a) 溶洞入口

(b) 垂直人行梯

圖1溶洞平導揭露口和溶洞內垂直人行梯

Fig. 1 Parallel adit opening of karst cave and vertical pedestrian ladder in karst cave

圖2 溶洞及周邊通道線路設計

隨后采用人工踏勘、無人機探測等措施詳細探測溶洞，發(fā)現(xiàn)危巖體和裂縫多出現(xiàn)于溶洞側壁位置，危巖體主要分為3類: 懸掛式危巖、疊坐式危巖和貼壁式危巖，危巖形式如圖3所示。主洞小里程端入口處有多塊對線路構成威脅的懸掛式危巖，危巖主要受上部巖體粘結懸吊，與兩側巖體存在裂縫但尚有連接，下部則懸空而沒有支撐。主洞大里程端入口附近，側壁中部存在疊坐式危巖體，危巖已分離于母巖，僅受下部巖體單獨支撐，穩(wěn)定性差。平導揭露口洞壁存在多處貼壁式危巖，危巖多呈片形直立狀態(tài)，整體與母巖粘連但存在豎向裂縫。洞壁其他區(qū)域也存在多處危巖體和節(jié)理裂隙，在廳堂與主裂隙交叉位置尤其突出。

(a) 主洞大里程端懸掛式危巖

(b) 主洞小里程端疊坐式危巖

(c) 平導揭露口洞壁貼壁式危巖

圖3溶洞內危巖照片

Fig. 3 Photos of dangerous rocks in karst caves

2 巨型溶洞穩(wěn)定性評估

考慮到該溶洞規(guī)模巨大，周壁危巖發(fā)育，將對隧道工程造成很大影響，因此，通過采用危巖體位移變形監(jiān)測、危巖體振動速度監(jiān)測、危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測等手段，對巨型溶洞進行穩(wěn)定性評估。

2.1 危巖體位移變形監(jiān)測

采用三維激光掃描儀對溶洞進行無接觸式監(jiān)測[7]，利用3D色譜對比功能，對溶洞前后2次掃描結果進行位移差值分析。經過時長3個月的不連續(xù)監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、成像處理形成色譜分析圖，如圖4所示，其中紅色部分表示溶洞巖壁向洞內位移，為不穩(wěn)定區(qū)域。

通過色譜分析圖標識位置可以看出，受主洞大里程端和施工支洞爆破開挖影響，這2處入口附近溶洞側壁危巖體向溶洞內位移量較大，危巖體數(shù)量多，在3D色譜對比分析圖中形成紅色面域，多處危巖體的位移量超過30 mm，位移量最大值超過80 mm。

(a) 主洞小里程側溶洞表面位移色譜分析

(b) 主洞大里程側溶洞表面位移色譜分析

2.2 危巖體振動速度監(jiān)測

溶洞揭示后洞壁多處見有塊石掉落，故采用爆破振動速度測試系統(tǒng)進行溶洞危巖體爆破擾動監(jiān)測。爆破振動速度測試系統(tǒng)由磁電式拾振器、爆破振動采集儀和動態(tài)分析軟件組成。在溶洞與隧道、平導交叉口附近設置爆破振動監(jiān)測點，如圖5所示，共在溶洞設置4個監(jiān)測點，每個測點分別設垂向和水平2個方向拾振器，每次爆破采集1次振動速度數(shù)據(jù)。研究監(jiān)測點巖體振動速度變化，并結合溶洞內落石情況，發(fā)現(xiàn)受主洞大里程端爆破擾動影響，1#測點的爆破振動速度較大，并與落石存在明顯關聯(lián)性。

圖5 危巖體振動速度監(jiān)測

繪制1#測點水平爆破振動速度與爆心距關系曲線如圖6所示。由圖6可知： 隨著爆心距減小，溶洞表層巖體振動速度越來越大。當溶洞初現(xiàn)落石時，測點水平爆破振動速度超過1.0 cm/s; 當水平爆破振動速度超過1.5 cm/s時，溶洞內出現(xiàn)大面積落石。因此，隨著主洞開挖靠近，要控制爆破裝藥量等參數(shù)，使測點水平爆破振動速度小于1.0 cm/s，減少落石風險。

圖6 爆破振動擾動與落石相關關系

Fig. 6 Correlation between blasting vibration disturbance and rockfall

2.3 危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測

采用電子全站儀對溶洞內典型危巖體裂縫進行非接觸式監(jiān)測[8]。在溶洞中選取貼壁式、懸掛式危巖各1處，周圍布設6個測點(見圖7)，進行危巖體豎向裂縫變化監(jiān)測，結合爆破擾動監(jiān)測分析裂縫寬度發(fā)展與爆破振動速度關系，如圖8所示。分析表明： 隨著爆破振動速度的增加，危巖裂縫有明顯擴展的趨勢，貼壁式危巖裂縫寬度增長速度較快，實際監(jiān)測中此類危巖落石較多; 對照無人機探測，說明平導入口與施工支洞入口間洞壁不穩(wěn)定，落石風險極大； 懸掛式危巖裂縫發(fā)展較慢，落石風險較弱。

(a) 貼壁式危巖裂縫監(jiān)測

(b) 懸掛式危巖裂縫監(jiān)測

圖8爆破振動速度對巖體裂縫發(fā)展影響曲線

Fig. 8 Influence curves of blasting vibration velocity on rock crack development

將溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測分析結果匯總如表1所示。分析可知，溶洞側壁多處危巖體向溶洞內位移，其中大里程端主洞入口處、支洞入口處側壁位移量最大值超過80 mm，存在危巖或形成新危巖的可能性很大; 隧道爆破掘進逐漸靠近溶洞，水平爆破振動速度若不能得到有效控制，洞內將面臨更大的落石風險; 周壁危巖體裂縫寬度增長速度較快，隨著施工的進一步開展，很有可能發(fā)生掉落。

結合勘察和調研分析，溶洞埋深約200 m，廳堂和主裂隙廊道體型巨大，廳堂長124 m，空腔體積超過50萬m3，巖層近水平產狀、輕度風化，雖形成自然塌落拱但頂板和側壁裂隙顯著發(fā)育，特別是貼壁式危巖分布較廣，在開挖擾動下剝離掉落的可能性較高。因此，有必要在洞內設立臨時施工安全防護結構，為接下來的鉆探施工等工作提供安全保障。

3 施工防護棚架設計

3.1 落石沖擊力計算

落石沖擊力是進行落石危險區(qū)被動防護結構設計的主要荷載之一[9]，對落石沖擊力的計算能有效指導防護結構設計。

表1 溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測分析結果

3.1.1 現(xiàn)有的落石沖擊力計算方法

目前國內落石沖擊力計算的依據(jù)主要有《公路路基設計規(guī)范》[10]、《鐵路工程設計技術手冊·隧道》[11]以及楊其新等基于室內試驗建立的經驗公式[12]，國外代表性的計算方法主要有日本方法及瑞士方法[13]。匯總以上計算方法如表2所示。

表2 現(xiàn)有落石沖擊力計算方法

注: P為落石沖擊力，kN； P(Z)為落石陷入緩沖層的單位阻力，kPa； F為落石等效球體的截面積，m2； γ為緩沖填土的容重，kN/m3； Z為落石沖擊陷入緩沖土層的深度，m； φ為緩沖填土的內摩擦角，(°)； v為落石碰撞前的末段速度，m/s； Q為石塊重力，kN； g為重力加速度，m/s2； m為落石質量，t； v0為落石沖擊速度，m/s； t為沖擊持續(xù)時間，s； h為緩沖土層計算厚度，m； c為壓縮波在緩沖土層中的往復速度，m/s； ν為泊松比； E為回填土彈性模量，kPa； ρ為回填土密度，kg/m3； ζ 為和緩沖土層密度有關的系數(shù)； amax為沖擊過程最大加速度，m/s2； H為落石下落高度，m； λ為梅拉常數(shù)；ME為通過荷載板試驗得到的緩沖土層變形模量kPa。

3.1.2 巨型溶洞落石沖擊力計算

在現(xiàn)有的落石沖擊力計算方法中，每種計算方法均有其局限性，落石沖擊力的計算結果也有較大偏差。由表2可知，《鐵路工程設計技術手冊·隧道》方法是對落石沖擊過程做一定的簡化，具有理論概念清晰、計算簡單準確等特點，是建立在大量的工程實踐基礎上得出的[14]，與試驗條件下得出的結果相比更接近實際工程。因此，選用該計算方法進行巨型溶洞落石沖擊力計算。

3.2 防護棚架設計及校核

根據(jù)巨型溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測結果，特別是落石風險監(jiān)測，必須要在溶洞內進行臨時施工安全防護，保障鉆探等工作順利進行。

3.2.1 防護棚架初步設計及校核

考慮到溶洞體量巨大，鉆探等施工點不固定，擬采用整體式鋼結構防護棚架作為臨時防護結構，防護棚架設計遵循“確保安全、經濟合理”的原則。初步設計方案為: 棚架結構主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檁條(I16a)、檁條上方鋼板(厚5mm)和鋼板外側廢舊輪胎(雙層)組成，具體如圖9所示。屋架整體由3部分組成: 左右屋面和底面。左右屋面架頂部的型鋼端部焊接帶孔鋼板，鋼板間夾橡膠墊，然后采用螺栓連接，可將螺栓受到的剪切力有效轉化為鋼板摩擦力; 左右屋面架和地面也采用螺栓連接。屋面和地面結構由型鋼和鋼板焊接而成，焊縫強度不低于母材承載力。

采用PKPM校核棚架抗沖擊性能，根據(jù)落石可能砸擊的位置不同，校核方式如下: 1)取1榀三角形框架，校核框架頂部節(jié)點，腰邊1/3節(jié)點、中點和2/3節(jié)點處抗沖擊力; 2)按4跨連續(xù)梁校核連接2榀框架的檁條防沖擊力，主要校核兩跨檁條中點。

(a) 防護棚架正面圖

(b) 防護棚架側面圖

Fig. 9 Preliminary design sketches of protective shed frame (unit: mm)

經校核，檁條中點極限抗沖擊荷載為200 kN，三角形框架腰邊中點極限抗沖擊荷載為180 kN。根據(jù)《鐵路工程設計技術手冊·隧道》落石荷載計算公式，按照180 kN荷載反算，防護棚架僅能抵御0.1 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，不能滿足防護要求，需優(yōu)化防護棚架。

3.2.2 防護棚架改進及校核

防護棚架中2榀三角形屋架的間距由1 000 mm改為500 mm; 頂部增加聯(lián)系橫梁，加大框架整體性; 腰邊中部增加可拆卸的垂向支撐鋼管，加強腰邊防沖擊力; 連接框架的檁條改用20a工字鋼加工，防護棚架外側掛廢舊輪胎。改進后防護棚架設計如圖10所示。

經再次校核，檁條中點極限抗沖擊荷載為840 kN，三角形框架腰邊中點極限抗沖擊荷載為580 kN，根據(jù)《鐵路工程設計技術手冊·隧道》落石荷載計算公式，按照580 kN抗沖擊荷載反算，相當于可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，滿足巨型溶洞安全防護要求。

(a) 防護棚架正面圖

(b) 防護棚架側面圖

Fig. 10 Improved design sketches of protective shed frame (unit: mm)

4 結論與討論

1)通過危巖體分布探測、危巖體位移變形監(jiān)測、危巖體振動速度監(jiān)測和危巖體裂縫發(fā)展監(jiān)測4項內容對溶洞的穩(wěn)定性進行研究分析。結果表明洞內危巖分布較多，溶洞周壁存在變形，特別是受開挖爆破影響，溶洞內落石風險較大，有必要進行臨時施工安全防護。

2)分析了國內外各種落石沖擊力計算方法，根據(jù)巨型溶洞可能落石尺寸，采用《鐵路工程設計技術手冊·隧道》推薦的方法進行了落石荷載計算，落石沖擊力達到442.1 kN，以此作為臨時施工安全防護的設計依據(jù)。

3)設計了可移動式三角形鋼結構防護棚架，棚架結構主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檁條(I20a)、頂部聯(lián)系橫梁、腰邊支撐鋼管(可拆卸)、檁條上方鋼板(厚5 mm)和鋼板外側廢舊輪胎組成。經過優(yōu)化，防護棚架可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載，滿足巨型溶洞安全防護要求。

4)隧道開挖采用循環(huán)爆破，溶洞圍巖存在累計損傷，隨著累計損傷的積累，巖體可能在較小振動下發(fā)生掉落，但本文沒有考慮溶洞頂板和側壁巖體的累積損傷問題。落石過程發(fā)生突然，沒有得到有效觀測，故落石沖擊持續(xù)時間參考了其他文獻，不夠精確。接下來應該進一步對以上2個問題開展研究。