淺埋巖溶隧道大型巖溶漏斗穩定性分析及處理措施

韓兆軍 劉春雨 于洋 李忠陽 李賀群 宋戰平

[內容提要] 淺埋巖溶隧道巖溶發育以巖溶漏斗或充填型溶腔為主，受地表水和地下水作用，隧道開挖時，易發生充填物坍塌及突泥等地質災害，影響施工進度，危機施工安全，本文通過典型漏斗式充填溶腔，對其穩定性進行分析，確定合理的施工方案，總結施工經驗，為類似工程提供借鑒參考。

[關 鍵 詞]淺埋? ?填充容腔? 穩定分析? 處理措施

1 工程概況

商合杭鐵路太湖山隧道位于安徽馬鞍山市含山縣境內，隧道全長3618米，為雙線單洞高鐵隧道。其中進口段DK468+662～DK469+440段為長距離淺埋段，且發育三條斷層破碎帶，F2斷層至F3 斷層之間為淺埋灰巖段，埋深5～25米。DK468+920～DK468+960為Pq灰巖與Sf粉細砂巖巖性接觸帶，圍巖級別為Ⅴ級，巖體破碎，巖溶發育，穩定性差，地下水較發育。隧道開挖至DK468+930時，掌子面拱頂揭露一個充填型溶洞，揭露口直徑1.2米，充填物為粉質黏土，棕紅色，軟塑狀、在爆破振動及重力作用下，充填物塌落形成3m×2m×2.5m塌腔，如圖1 。溶洞內有地下水滲出，拱部繼續掉塊坍塌進一步擴大，為了防止突泥發生，掌子面進行反壓回填。

2 溶洞探測

探明溶洞發育情況是處理溶洞的關鍵。首先采用地質雷達初步探測溶洞范圍，在掌子面在開挖輪廓周邊布設一條測線，在上臺階中部和底部各布設一條測線，通過圖像分析初步判斷溶洞發育形態。在雷達物探異常區域布設3個水平鉆孔，通過鉆孔取芯判斷溶洞邊界和充填物組成。通過地表地貌，結合物探和鉆探成果，綜合判斷，該溶腔為垂直發育漏斗，且與地表聯通，在隧道開挖范圍縱向發育長度12.2米，橫向寬度貫穿掌子面并向左下角發育，巖溶發育如圖2a和圖1b。

3 溶洞穩定性分析

隧道填充物為可塑狀粘土，爆破開挖后受自重發生塌落，充填粘土中摻雜著少量大小不等的砂礫石，隧道開挖后主要承受隧道土壓力作用。

現場取溶洞內充填粘土，按照《土工試驗規程》SL237-1999進行土樣在不同含水率下的抗剪強度試驗，通過粘聚力大小的變化來分析溶洞內填充的粘土對隧道穩定性的影響。經過含水量實驗得到原狀土天然含水率為33.5～37.8%。試樣的風干含水率為3.3%，壓實后要求干密度為1.2g/cm3，含水率為15%，25%，35%，45%，55%，65%的土樣，每一種含水率的土樣制作四個環刀試樣，得到充填粘土的粘聚力與含水率之間的關系圖。

從圖3可見，隨著試樣含水率的增加，粘土的粘聚力急速上升，在35%達到峰值峰值18kpa，而后下降，所以當地表水滲入溶腔時，一方面導致粘土自重增加，一一方面導致充填粘土黏聚力下降，自穩能力下降。

采用MIDAS NX軟件對溶腔進行模擬分析，該處埋深30.5米，隧道跨度14.6米，將溶洞簡化為位于隧道拱部橢圓，其長軸16米，短軸6米，短軸以下部分位于隧道拱頂斷面內，為了保證隧道建模產生的誤差在允許范圍內，左右邊界分別取至距離隧道軸線50米的位置。

圍巖按照Ⅴ級圍巖進行取值，充填粘土參數參考直剪試驗結果進行取值，圍巖以及充填粘土參數如表2所示，初支支護按照設計Ⅰ22工字鋼拱架，間距0.6米，噴射混凝土厚度25厘米，錨桿采用直徑25*7mm中空錨桿。

施工圖設計三臺階開挖法，由于溶洞位于上臺階拱部，故模擬計算時，著重分析上臺階開挖后各部位的位移以及初期支護的受力情況。

圖4a為上臺階開挖之后圍巖的位移圖，可以看到拱頂位移值達到3.8米，如開挖充填溶腔將全部塌方，甚至塌方至地表。 圖4b 為初期支護承受的彎矩圖，整個支撐承受較大彎矩，做大彎矩值達到108.9KN.m。

4? 施工方案確定

4.1塌方處理

掌子面采用洞碴回填至拱頂，回填之前預埋混凝土泵管3根，掌子面100mm厚網噴混凝土封閉，兼做超前預注漿止漿墻，拱頂塌腔采用C25混凝土分層回填密實。

4.2 超前注漿

上臺階拱部采用3m超前周邊預注漿加固，共布置注漿孔37個，如圖5a。采取一次全孔注漿，注漿漿液擴散半徑按照1.5-2.0米計算，注漿材料采用普通水泥單液漿，漿液水灰比為0.6：1—0.8：1，注漿壓力不小于2.0MPa。采取鉆孔取芯驗證充填物注漿情況，經取芯檢查，粘土含水率23.1%，剪切強度提高35%，泥土中加水泥石脈，圍巖得到加強，如圖5b所示。

4.3 超前支護

隧道拱部120°范圍設置，采用φ89洞身管棚超前預支護，管棚間距40mm，管棚長度15m，外插角3°，在邊鉆孔邊安裝鋼管，邊注漿。

4.4 隧道開挖支護

采用三臺階核心土法施工，每次開挖進尺0.5m，開挖后立即初噴混凝土封閉，安裝Ⅰ 22工字鋼拱架，間距0.5m，拱腳設置2根5m鎖腳錨管。中、下臺階每次開挖進尺1.0m，安裝2榀鋼架，左右錯開施工，拱腳設置鎖腳錨管，并安裝臨時Ⅰ18工字鋼臨時仰拱。隧道仰拱封閉成環20米。

4.5 徑向注漿加固

DK468+920～DK468+947段調整為5米徑向注漿加固，孔間距縱向2.0m*環向1.2m，梅花型布置，孔深3.0米，注漿壓力0.5～1.5mpa。

4.6 隧道襯砌

淺埋巖溶段及時進行二次襯砌，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌厚度60厘米。二次襯砌距掌子面控制在60米內。

5 溶洞處理變形觀測及評價

為了評價溶洞段處置方案效果，分別從位移和拱架應力兩個方面進行評價，在溶洞段布置2的斷面觀測拱頂沉降和洞身收斂，如圖6，拱頂沉降隨時間的變化趨于穩定，拱頂下沉在10天累計變形做大。通過鋼架內力測設，鋼架內力在開挖支護距掌子面6米時，拱部內力最大450KPa， 其他部位壓力小于200KPa，故判斷受力較穩定，結構較安全。

6? 結束語

太湖山隧道F2斷層接觸帶發育溶腔，在溶腔范圍進行局部超前經濟合理，輔以超前管棚加強有效控制隧道變形，保證隧道施工安全和結構穩定，方案科學經濟合理，對類似工程具有一定借鑒意義。

參考文獻

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高速鐵路隧道工程施工技術規程? 中國鐵路總公司? Q/CR 9603-2015

中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司 哈爾濱 150000

西安建筑科技大學 土木工程學院 西安 710055