隧道拱頂溶洞處治及溶洞對隧道圍巖穩定性影響分析

曹勇

(湖南路橋建設集團公司，湖南長沙410004)

1 巖溶概述

巖溶是指水對可溶性巖石進行以化學溶蝕作用與特征的綜合地質作用，以及由此產生的現象統稱。其表現形態主要有兩個方面:①地表有石林、溶溝、溶槽、洼地、漏斗;②地下有溶洞、落水洞、塌陷和暗河等，見圖1。某高速公路大部分隧道處于華夏地質構造體系，圍巖以白云質灰巖、白云巖、粘土為主，巖溶發育，其主要特征是溶洞、溶槽、溶溝、裂隙、巖溶管道、巖溶水等均比較發育。在隧道施工過程中，碰到許多巖溶地質災害的問題，給隧道的施工帶來很大的困難。

圖1 巖溶現象圖

2 拱頂溶洞的處治

2.1 拱頂小型溶洞的處治

2.1.1 無充填物小型溶洞

如果在隧道拱頂發現小溶洞時(高度小于4 m)，且洞內無充填物，應先對洞穴四壁噴一層混凝土(厚10 cm左右)，并在溶洞內施做錨桿，錨桿深入圍巖不小于1.0 m，間距1.2 m×1.2 m。在溶洞內預埋泵送混凝土管道，在初期支護完成之后，采用水泥砂漿或C10混凝土回填密實，見圖2。

圖2 無填充物小型溶洞的處治

2.1.2 有填充物小型溶洞

若在隧道拱頂發現小型充填型溶洞，應在溶洞段采取超前小導管注漿支護，超前小導管(長度為6 m)，注漿壓力為1.5 MPa，隧道初期支護要加強，鋼拱架間距為0.5 m/榀，見圖3。

2.1.3 隱伏型巖溶洞穴

在隧道開挖過程中隱伏溶洞并沒有暴露出來，但它對隧道結構及后期運行安全的穩定帶來很大的隱患，常常會造成隧道襯砌開裂、地表塌陷等地質災害。如果隱伏溶洞在隧道開挖輪廓線6 m范圍內，那么就應對其進行注漿回填的措施。

圖3 有填充物小型溶洞的處治

采用普通水泥砂漿，注漿終壓為1.0～1.5 MPa，水灰比為:W∶C=0．6∶1～0．8∶1。注漿管為Ф42 mm焊接鋼管，長度以隱伏巖溶深度為準。見圖4。

圖4 隧道隱伏溶洞處治

2.2 拱頂大型溶洞的處治

2.2.1 無填充大型溶洞的處治

1)混凝土護拱法。

當拱頂出現大型無充填物溶洞，且溶腔壁比較穩定時，可采用混凝土護拱法通過，護拱厚度1.5～2.0 m，且要求護拱兩側嵌入巖石內不小于0.5 m，并用錨桿鎖腳，錨桿深入圍巖不小于1.5 m，同時加強初期支護，施工時注意預埋Ф11 cm HDPE透水管并以Ω型排水管引出，如圖5所示。

2)長管棚法。

當拱頂出現溶洞，溶腔圍巖不穩定時，且溶洞高度大于20 m時，可考慮用長管棚通過。

具體處治方法為:①檢查地表，用彩布遮蓋溶洞所轄區域，并在溶洞周圍施做截水溝，以防雨水進入溶洞。②施做Ф108 cm長管棚，環向間距40 cm，管棚長15～20 m。為防止溶洞壁掉塊砸傷施工人員，建議在管棚上放沙袋。③初期支護的噴射混凝土加厚，如圖6。

圖5 護拱法

圖6 長管棚法

2.2.2 有填充物大型溶洞的處治技術

大型填充型溶洞的處治，有地表注漿法、長管棚法、小導管法等方法。地表注漿法是在地表埋設注漿管并對溶洞進行注漿;長管棚法一般是在溶洞充填物沒有自穩能力的情況下使用，在隧道開挖之前沿溶洞方向施做Φ108 mm鋼花管并進行注漿;而小導管法通常是在溶洞充填物有一定的自穩能力的情況下使用，對充填物進行注漿加固。

1)地表預注漿法(隧道埋深較淺)。

如果隧道埋深較淺，可以通過地表注漿對地層進行加固，用普通水泥單液漿，注漿配比為:W∶C=0.6∶1～0.8∶1。進行地表注漿時要注意漿液擴散范圍，防止對隧道周邊的井泉、農田造成污染。地表注漿的壓力一般控制在1.5～2.0 MPa。為了防止跑漿，在注漿范圍內打一層厚度為15 cm的C20混凝土。注漿管外露1 m，間距1.5 m×1.5 m布置，長度應具體情況而定(注漿管至少要伸入溶洞內)。另外，溶洞段隧道初期支護應加強，鋼拱架間距為0.5 m/每榀，如圖7所示。

圖7 地表注漿法處治溶洞

2)超前大管棚預注漿法。

如果大型溶洞內的充填物沒有自穩能力，應采取超前大管棚進行支護并注漿，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5～8 m。大管棚直徑為Φ108 mm，外插角1°～3°，長度應具體情況而定(至少要超過溶洞2 m)，環向間距0.3 m。對管棚進行注漿，漿液為水泥單液漿，水灰比為:W∶C=0.6∶1～0.8∶1，注漿終壓為3.0～4.0 MPa。為了減小對圍巖的擾動，隧道開挖方法為弧形導坑預留核心土上下臺階法。同時加強初期支護，且施工中注意預埋Φ 110 mm HPDE透水管并以Ω型排水管引出，如圖8所示。

圖8 長管棚法處治溶洞

3)超前小導管方案。

隧道拱部有大型充填型溶洞，且溶洞充填物有一定的自穩能力時，采用超前小導管進行支護并注漿。隧道開挖后，采用Φ42 cm小導管進行徑向補漿，徑向注漿加固范圍為開挖輪廓線外3～6 m，施工中要預埋Φ11 cm HDPE透水管，如圖9所示。

圖9 小導管法處治溶洞

3 拱頂溶洞對隧道圍巖穩定性影響研究

3.1 計算分析的內容

計算分析包含兩個方面的內容:

1)溶洞大小的影響:溶洞簡化為圓柱，溶洞直徑用D表示，當D分別為4、6、8、10 m時，分析不同直徑下拱頂溶洞對隧道圍巖應力和位移的影響。

2)溶洞分布遠近的影響:溶洞距拱頂距離用L表示，當L分別為1、2、3、4、5、6、7、8 m時，分析拱頂溶洞對隧道圍巖應力和位移的影響。

3.2 計算模型與計算參數

以張花高速公路科洞隧道為例，采用FLAC3D數值計算軟件進行計算。計算采用摩爾—庫侖本構關系，摩爾應力圓見圖10，摩爾—庫倫準則的形式為:

圖10 摩爾應力圓

式中:τ為極限抗剪強度;C為巖土的粘結力;σn為受剪面上的法向應力，以拉為正;φ為內摩擦角;R是摩爾應力圓半徑。

若以不變量σ、J2、θσ來表示摩爾—庫倫準則，得到:

邊界條件為左右邊界水平(X向)位移固定、前后邊界縱向(Y向)位移固定、下邊界垂直位移固定。隧道開挖方法為弧形導坑預留核心土上下臺階法。根據計算結果分析了拱頂溶洞尺寸對隧道圍巖位移、應力的影響;拱頂溶洞離隧道的距離對隧道圍巖位移、應力的影響，隧道圍巖參數見表1。

表1 圍巖參數表

3.3 隧道頂部巖溶對圍巖應力、位移影響的數值分析

在數值計算中，采用FLAC3D數值計算軟件進行建模，模型圖和劃分網格后的模型圖分別見圖11、圖12。

圖11 模型圖

3.3.1 隧道圍巖應力分析

當L不斷增加時，隧道圍巖豎向應力會發生變化，取隧道周邊0.5 m厚的圍巖作為分析的對象，為了節約篇幅，只列出L=3、5 m時隧道圍巖豎向應力等值線圖，見圖13和圖14。應力為負時表明圍巖受壓，應力為正時表明圍巖受拉。

圖12 網格模型圖

從圖13、圖14中可以看出隧道周邊圍巖豎向應力的特點表現如下:

1)最大拉應力產生在隧道底部，最大壓應力發生在隧道拱腳部位，最小壓應力發生在隧道頂部，其值基本不發生變化，在0.2～0.25 MPa之間;當L不斷增大時，最大拉應力、最大壓應力都有所減小;當D增大時，情況類似。

2)隨著D的增大、L的減小，溶洞周圍應力有明顯增大的趨勢，隧道和溶洞之間的巖層可能會產生失穩，從而引起隧道塌方，所以當D增大到一定的程度和L減小到一定的程度時，需要對溶洞進行自身處理。

3.3.2 隧道周邊位移變化的分析

當隧道頂部存在溶洞時，開挖后，隧道豎直方向位移云圖和位移矢量分別見圖15、圖16。

圖15 位移云圖(單位:mm)

圖16 位移矢量圖(單位:mm)

從圖15、圖16中可以看出隧道底部隆起，而隧道拱部下沉且位移最大。

在隧道中心斷面上布設4個特征點，如圖17所示，分析隧道拱頂溶洞D、L發生變化時對隧道圍巖周邊位移的影響。

圖17 隧道布設的特征點

對有溶洞時隧道開挖位移與無溶洞時隧道開挖的位移進行對比，在隧道拱部沒有溶洞的情況下，隧道開挖后各特征點位移見表2。

表2 各特征點豎向位移表mm

當隧道拱頂有溶洞存在時，隧道頂部溶洞D分別為2、4、6、8、10 m，L從1 m增加到8 m，隧道開挖后位移變化曲線如圖18所示。

圖18 開挖后各特征點的位移

從圖18可以看出，拱頂溶洞對隧道周邊圍巖位移的影響主要有以下幾個方面:

1)當溶洞離隧道拱頂的距離超過5 m時，溶洞對隧道圍巖的影響就很小。

2)當拱頂有溶洞分布時，拱腳點、隧道地面中心點在有溶洞分布時豎向位移小于無溶洞時隧道開挖時的位移;而隧道拱頂點、拱腰點豎向位移均大于無溶洞分布時隧道開挖的位移。

3)當L不斷增大時，隧道拱腳、底部圍巖開挖豎向位移也增大;而隧道頂部、拱腰部位位移隨著L的增大而減小。當D不斷增大時，隧道頂部位移、拱腰部位位移在減小;而拱腳位移、隧道底部位移卻隨D的增大而減小。

4 結束語

在巖溶地區進行隧道的施工，必須堅持"短進尺、弱爆破、強支護、早閉合"的原則，且要加強監控量測，從而避免安全事故的發生。對隧道拱頂溶洞的處治，要特別注意溶腔壁掉塊，以免砸傷施工人員，并結合具體情況，采用恰當的處理方法，倘若處理不當，則會給施工安全及隧道運營帶來影響。拱頂溶洞離隧道的距離、溶洞的大小都會給隧道圍巖的穩定帶來影響，拱腰以上圍巖豎向位移與L成反比，與D也成反比;隧道拱腳、隧道底部圍巖豎向位移與L成正比，與D成反比。隧道開挖最大壓應力發生在拱腳部位，其值與D成反比，與L關系不大;而最大拉應力發生在隧道底部，其值與D也成反比，與L成反比;最小壓應力發生在隧道頂部，其值基本不變化。

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