巖溶洞穴對富水軟弱圍巖隧道穩定性影響分析及處治技術

李軍庫

（中鐵十五局集團第五工程有限公司，天津300133）

0 引言

巖溶是山區隧道修建過程中經常遇見的地貌之一，在我國西南部地區分布十分廣泛。在修建交通隧道時常常需要穿越巖溶區段，其中的溶洞會給隧道開挖過程帶來極大安全隱患，其風險主要體現在涌水、突泥等方面，隧道與溶洞間巖體的穩定性給施工人員帶來潛在人身安全威脅和財產損失風險。因此研究溶洞對隧道圍巖穩定性影響并為實際工程提供理論支持顯得尤為迫切[1-2]。

靳航[3]研究了溶洞大小和所處位置對隧道圍巖穩定性的影響，并提出了相應的應對措施。吳雷雷[4]通過研究表明當隧道底部存在溶洞時，隧道與溶洞間的巖體形成應力釋放區，拱腰周圍巖體形成應力增高區。凌同華[5]研究了隧道底部存在溶洞對圍巖穩定性的影響。李長春[6]研究了隧道拱部存在不同直徑溶洞的圍巖穩定性。李元海[7]以武廣客運專線大瑤山隧道為工程背景，運用FLAC3D軟件模擬分析了不同隧道與溶洞間距對圍巖穩定性的影響。李衛紅[8]研究了溶洞所處方位、形態大小和與隧道間距對隧道圍巖穩定性的影響。楊為民[9]以尚家灣隧道為工程背景，研究了大型溶洞對隧道圍巖穩定性的影響。劉書斌[10]以重慶雙碑隧道為工程背景，研究了溶洞對隧道圍巖和支護結構的穩定性影響。桂鉻[11]等提出了主洞洞身開挖與初期支護施工技術，并運用FLAC3D對特殊斷面的開挖施工進行模擬，通過分析圍巖位移與結構應力計算結果，對巖溶整體結構開挖與支護效果進行了評價。方健[12]采用超前帷幕注漿的方法處治了溶洞。何佩軍[13]針對大型溶洞采用釋能降壓的方案對溶洞進行了治理。

盡管國內外學者已對溶洞對隧道開挖穩定性影響及處治措施有了較為廣泛的研究，但對于具有溶洞的富水軟弱圍巖高速公路隧道施工領域，相關研究較少。本文以云南臨滄臨翔至清水河高速公路上的馬家寨隧道為研究對象，建立了不同工況的隧道溶洞模型，對隧道圍巖穩定性進行分析，并提出不同溶洞情況下的處治措施，為今后類似的實際工程提供參考。

1 工程概況

云南省臨清高速公路馬家寨隧道，右洞全長2 603m，左洞全長2 543m，左右洞間距約為36米，左洞最大埋深約486米，右洞最大埋深約517米。隧道場區下伏基巖為二疊系上統南坡河組粉砂巖、粉砂質頁巖，石炭系上統魚塘寨組灰巖，泥盆系中上統變質石英中細粒砂巖夾千枚巖、板巖，根據巖體的風化節理、裂隙發育特征、巖體破碎程度、軟硬程度、新鮮程度，將基巖分為強風化層和中風化層。隧道場區地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，前者水量較小，埋藏較淺，狀如上層滯水。地下水埋藏較深，基巖裂隙水主要賦存于強～中風化層裂隙中，水量較小。

本項目隧道內V級圍巖采用小導管注漿超前支護，CD法開挖，采用控制爆破（預裂、微震爆破）施工。開挖循環進尺為0.6m，臺階長度控制在6～8m。CD法施工示意圖如圖1所示。

施工步驟為：開挖左上部-I，施作初期支護和臨時支護-1、2；開挖左下部-II，施作初期支護和臨時支護-3、4；開挖右上部-III，施作初期支護-5；開挖右下部-IV，施作初期支護-6；分段拆除臨時支護-2、4，澆筑仰拱混凝土-7；施作仰拱回填混凝土-8；鋪設防水層、澆筑襯砌-9；施作電纜溝和排水溝、路面工程-10。

2 數值模擬分析

2.1 模型參數選取

2.1.1 圍巖參數

根據馬家寨隧道地質勘查報告，研究溶洞區段隧道圍巖主要為V級，軟弱圍巖各參數的取值如表1所示。

表1 圍巖參數

2.1.2 隧道主洞洞身支護參數

根據馬家寨隧道施工設計圖得知，噴射混凝土采用27cm厚的C25混凝土；鋼拱架采用I20a工字鋼，間距60cm；錨桿采用Φ25mm中空注漿錨桿；小導管采用Φ42mm注漿小導管，長4.5m，搭接長度2.7m。為簡化模型，初期支護看作是噴射混凝土和鋼拱架的組合體。初期支護的等效彈性模量按照公式（1）進行計算。

式中，E為組合體綜合彈性模量（MPa）；Ec為噴射混凝土的彈性模量（MPa）；Eg為鋼拱架的彈性模量（MPa）；Sg為鋼拱架的截面面積（m2）；Sc為噴射混凝土的截面面積（m2）。

超前小導管的等效彈性模量按照公式（2）進行計算。

式中，E0為超前小導管等效彈性模量（MPa）；E1為小導管管內漿液彈性模量（MPa）；E2為小導管彈性模量（MPa）；I1為小導管管內漿液慣性矩（m4）；I2為小導管慣性矩（m4）。

等效重度按照公式（3）進行計算。

式中，γ為小導管等效重度（kN·m-3）；γ1為小導管管內漿液重度（kN·m-3）；γ2為小導管重度（kN·m-3）；A1為小導管管內漿液截面面積（m2）；A2為小導管截面面積（m2）。

根據以上公式計算結果并參考《公路隧道設計規范》，隧道主洞洞身支護參數取值如表2所示。

表2 隧道主洞洞身支護參數

2.2 模型建立及邊界條件

采用Midas GTS NX軟件建立三維單元模型進行模擬分析。根據圣維南原理，計算邊界應取開挖洞徑的3～5倍，本文X軸水平方向兩邊各取約4倍的隧道洞徑，即距離中心點左右各取50m，Z軸豎直方向由隧道中心至上下邊界各取約40m，Y軸正方向開挖長度取54m。模型左右邊界施加水平方向位移約束；模型下邊界施加法向位移約束；上邊界施加豎向均布荷載，以模擬計算邊界上方覆蓋巖層的自重；為了突出富水的特點，考慮水位并施加水壓力。建模時取最不利因素，不對二襯進行模擬。隧道三維模型如圖2所示。

圖2 隧道三維模型

2.3 計算工況

根據施工現場開挖情況發現，馬家寨隧道遇到的溶洞尺寸主要集中在2.0～8.0m范圍內。本文計算中選取的溶洞位于隧道底部，與隧道凈距取3m，并將溶洞簡化為球形研究，一共設置4種工況，溶洞的直徑分別為2.0m、5.0m以及8.0m，并與無溶洞工況進行對比。

3 數值模擬結果分析

隧道模型開挖長度54m，溶洞位于隧道縱向中心位置，為了監測隧道開挖過程中的圍巖穩定性，選取隧道縱向27m處作為監測斷面（如圖3）。

圖3 隧道監測斷面示意圖

3.1 圍巖穩定性分析

隧道洞周位移能夠反映出隧道開挖后的圍巖穩定性，是隧道圍巖變形的一個重要指標。在計算中，洞周位移主要包括拱頂下沉、仰拱隆起以及周邊位移，不同工況下的洞周位移如表3、圖4所示。

表3 隧道洞周位移

由表3可知，富水軟弱圍巖隧道底部出現溶洞對仰拱豎向位移的影響較大，對拱頂豎向位移和周邊水平位移的影響較小。底部溶洞對拱頂的影響主要表現為豎向沉降，而且沉降量隨著溶洞尺寸的增大而減小，在無溶洞工況下，拱頂下沉為26.46mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個工況的拱頂下沉分別為26.33mm、26.10mm和25.70mm，相比無溶洞工況分別減小了0.5%、1.4%和2.9%；底部溶洞對仰拱的影響主要表現為豎向隆起，而且位移值隨著溶洞尺寸的增大而增大，在無溶洞工況下，仰拱隆起為32.29mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個工況的仰拱隆起分別為33.15mm、34.51mm和35.61mm，相比無溶洞工況分別增大了2.7%、6.7%和10.3%；底部溶洞對隧道周邊的影響主要表現為水平收斂，在無溶洞工況下，周邊位移為12.52mm，在底部存在不同尺寸溶洞工況下，三個工況的周邊位移分別為12.36mm、12.34mm和12.60mm。

圖4 圍巖豎向位移分布

由于隧道底部存在溶洞，相當于增加了隧道的斷面高度，圍巖水平方向剛度減小，增強了隧道的拱效應，因此隧道拱頂沉降隨著溶洞尺寸的增大而減小。仰拱處和溶洞間圍巖變形剛度被底部溶洞削弱，仰拱與溶洞間圍巖高度又明顯小于隧道斷面高度，因此仰拱隆起變形隨著溶洞尺寸增大而增大。隧道開挖后，隧道兩側產生向溶洞方向的變形趨勢，因此向隧道內部收斂的位移略微減少，而溶洞較大時圍巖水平方向剛度進一步降低，周邊位移與無溶洞工況相比增大。

由圖4可知，富水軟弱圍巖隧道底部溶洞的存在改變了圍巖豎向位移分布，隨著溶洞尺寸的增大，圍巖豎向位移等值線向隧道與溶洞間富水軟弱巖層內集中的趨勢逐漸增加，增大了溶洞處周圍軟弱巖體的豎向位移，仰拱豎向位移增大。隧道上部富水軟弱圍巖向隧道內收斂的趨勢逐漸減弱，拱頂沉降量減小。

3.2 圍巖塑性區分析

圍巖塑性區是顯示圍巖塑性變形范圍的一個重要指標，確定圍巖塑性區的范圍對評價隧道圍巖穩定性非常重要。不同工況下的圍巖塑性區如圖5所示。

圖5 圍巖塑性區分布

由圖5可知，富水軟弱圍巖隧道底部出現溶洞顯著改變了圍巖塑性區的分布。在無溶洞工況下，塑性區主要出現在拱腰以及仰拱左右兩側處；當隧道底部存在2.0m溶洞時，溶洞洞周出現塑性區，溶洞上側由于靠近隧道，且富水巖層較為軟弱，塑性區范圍相對于下側更大，隧道洞周靠近溶洞側的塑性區范圍增大，遠離溶洞側的塑性區范圍基本沒有變化，仰拱處塑性區有向下延伸的趨勢；當隧道底部存在5.0m溶洞時，溶洞洞周塑性區范圍進一步增大，隧道底部與溶洞上側塑性區形成貫通，隧道左右兩側塑性區范圍基本沒有變化；當隧道底部存在8.0m溶洞時，溶洞上側塑性區范圍增大，下側塑性區范圍逐漸減小，隧道左右兩側塑性區范圍略微減小。

通過分析得知，在富水軟弱圍巖條件下，隨著溶洞尺寸的增大，局部增大了隧道和溶洞之間夾層的塑性區范圍，對遠離溶洞側塑性區范圍影響相對較小。當隧道底部存在溶洞時，由于富水軟弱圍巖條件較差，隧道與溶洞間塑性區均形成貫通，隧道底部易向溶洞內發生塌陷，因此要注意及時處治溶洞。

3.3 圍巖應力分析

圍巖應力是判斷圍巖穩定和隧道安全的一個重要指標，不同工況下各關鍵點最大主應力見圖6、圖7。

圖6 各關鍵點最大主應力

由圖6可知，在富水軟弱圍巖條件下，由于拱腳處應力集中現象最為明顯，因此該處壓應力最大，仰拱處的圍巖最大主應力相對較小，在施工開挖時應更加注意對拱腳處富水軟弱圍巖的加固。隨著溶洞尺寸的增大，拱頂處圍巖最大主應力由6.68MPa逐漸增加到6.72MPa；拱肩處圍巖最大主應力由7.84MPa減小到7.8MPa；拱腰處圍巖最大主應力由7.19MPa逐漸減小到6.87MPa；拱腳處圍巖最大主應力由9.92MPa逐漸減小到9.60MPa；仰拱處圍巖最大主應力由2.46MPa逐漸增加到3.01MPa。由此可見，當富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞時，拱頂和拱肩處圍巖最大主應力基本不變，可以忽略。對拱腰和拱腳處圍巖最大主應力影響較小，對仰拱處圍巖最大主應力影響相對較大。

隧道開挖后釋放了底部溶洞自身存在的集中應力，導致拱腳處壓應力降低。隧道底部溶洞削弱了仰拱與溶洞間圍巖的強度，隧道高度遠大于仰拱與溶洞間圍巖厚度，因此仰拱處的圍巖變形隨壓應力值變化幅度最大。

圖7 圍巖最大主應力分布

由圖7可知，富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞顯著影響圍巖最大主應力的分布，溶洞洞周圍巖最大主應力相比無溶洞工況明顯增大，由于溶洞上側出現較大的應力集中現象，隧道底部富水軟弱圍巖容易發生失穩破壞。整體圍巖的最大主應力均呈現壓應力狀態，由此可以看出富水軟弱圍巖受力狀態良好，圍巖的成拱效應得到了充分發揮。

圍巖變形規律及圍巖應力變化規律與文獻[14]基本相同，拱頂沉降隨溶洞尺寸增大而減小；仰拱豎向位移隨溶洞尺寸增大而增大；拱腳處出現最大壓應力，其值隨溶洞尺寸增大而減小；仰拱處應力隨溶洞尺寸增大而增大。驗證了本文數值模擬方法的合理與準確性。

4 溶洞處治方案與技術

隧道底部存在溶洞容易影響富水軟弱圍巖的整體穩定性，因此在施工開挖前應該采取必要的處治方案對溶洞進行治理。本項目根據施工現場開挖實際情況選擇相應的溶洞處治方案，按照動態設計、動態施工的原則進行處治，溶洞處治動態施工流程為：開挖后對圍巖地質進行觀察；發現溶洞后確定溶洞的形態、尺寸及空間位置；共同研究并確定處治方案；施工單位對溶洞進行處治。

針對富水軟弱圍巖隧道底部溶洞尺寸小于2.0m的情況下，處治方案如圖8所示，采用C10片石混凝土回填，如果溶洞內有充填物，則必須挖除后再進行回填，每間隔2米安設一處DN110HDPE透水管相通。

針對富水軟弱圍巖隧道底部溶洞尺寸大于2.0m的情況下，處治方案如圖9所示,主要分兩種。當溶洞發育相對較窄時采用方案一，其內容是利用鋼筋混凝土梁跨越，梁高50～100cm，需要提前安設DN110HDPE透水管。當溶洞發育相對較寬且隧道底部充填物無法換填處理時采用方案二，其內容是利用樁基礎托梁跨越，在二襯邊墻腳下設置樁基礎，將樁端嵌入巖體內承受荷載，防止隧道出現不均勻沉降，并設鋼筋混凝土梁跨越，需要提前安設DN110HDPE透水管。

圖8 小于2.0m溶洞處治方案

圖9 大于2.0m溶洞處治方案

5 結論

①富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞對仰拱的豎向位移影響最大，從32.29mm增加到35.61mm，增幅為10.3%，溶洞對拱頂的豎向位移和周邊水平收斂影響相對較小，說明在富水軟弱圍巖條件下，隧道底部與溶洞間的圍巖變形剛度較差，隧道施工時應密切關注隧道底部的圍巖狀態，并采取相關的加固措施。

②富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞明顯影響了圍巖塑性區的分布，隨著溶洞尺寸增大，局部增大了隧道和溶洞間的塑性區范圍，對遠離溶洞側的圍巖塑性區范圍無顯著影響。由于富水軟弱圍巖條件較差，各個工況的隧道與溶洞間塑性區均形成貫通，易導致隧道底部失穩、塌陷，因此在隧道施工時需注意及時對溶洞采取處治措施。

③富水軟弱圍巖隧道底部存在溶洞顯著改變了圍巖最大主應力的分布，圍巖最大壓應力發生在拱腳處，其值從9.92MPa減小到9.60MPa，圍巖最小壓應力發生在仰拱處，其值從2.46MPa增加到3.01MPa。由于溶洞與富水軟弱圍巖隧道底部間的圍巖厚度較薄，溶洞上側存在較大的應力集中現象，導致該區域的圍巖整體穩定性較差，若不及時采取相關加固措施容易發生不良地質災害。

④根據溶洞的發育程度提出不同處治方案，按照動態設計、動態施工的原則進行處治，防止施工過程中出現巨大的人員及財產損失。