某山嶺隧道巖溶災(zāi)害處置效果探討

摘要：文章針對某巖溶隧道開挖情況，提出了巖溶災(zāi)害處置措施，運(yùn)用Midas GTS NX軟件，對采用災(zāi)害處置措施的典型工況在不同施工階段下襯砌結(jié)構(gòu)的豎向變形位移開展分析，對處置措施的效果進(jìn)行了評價(jià)。為隧道施工中的巖溶災(zāi)害處置提供參考。

[基金項(xiàng)目]中國鐵建股份有限公司科技重大專項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號：2019-A04）

[作者簡介]劉藝瑋（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樗淼涝O(shè)計(jì)。

由于巖溶災(zāi)害的難預(yù)料性與巖溶發(fā)育的隱蔽性、不規(guī)律性，巖溶災(zāi)害的出現(xiàn)會增加隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。隨著隧道工程的迅猛發(fā)展，隧道開挖遇到巖溶災(zāi)害的案例逐漸增多，已經(jīng)成為隧道建設(shè)過程中的重要安全隱患。因此針對隧道巖溶災(zāi)害，采用合適的災(zāi)害處置方式對于保障隧道施工、運(yùn)營期間的安全具有重要意義。本文利用Midas GTS NX對典型工況下的隧道巖溶災(zāi)害的處置措施效果進(jìn)行分析，并進(jìn)行評價(jià)。

1 工程概況與模型建立

1.1 工程概況

某山嶺隧道圍巖主要為強(qiáng)—中風(fēng)化灰?guī)r、頁巖，巖體破碎，自穩(wěn)能力較差。沿線大氣降水豐富，地表徑流較多，孔隙水、裂隙水、巖溶水等地下水極為發(fā)育。沿線巖溶不良地質(zhì)極為突出。隧道在開挖過程中，于拱頂部位揭露高約10 m、長約15 m的溶腔，內(nèi)部填充物涌入隧道中，并不斷有泥和塊石掉落。為保障后續(xù)施工、運(yùn)營中隧道結(jié)構(gòu)安全，采用處置措施：

（1）利用洞渣對掌子面拱頂進(jìn)行反壓堆積，保證掌子面穩(wěn)定，并利用洞渣將溶洞口下方填滿。

（2）用C30混凝土充填溶洞，厚度約2.5 m，并于其上泵送機(jī)制砂，厚約1.5 m。

（3）于拱頂120°范圍施作大管棚與雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)并于其內(nèi)充填砂漿;導(dǎo)管長4.5 m，環(huán)向間距30 cm、管棚環(huán)向間距40 cm。

（4）采用三臺階開挖，單次進(jìn)尺0.5 m。初期支護(hù)采用30 cm厚C30混凝土，二次襯砌采用60 cm厚鋼筋混凝土。

1.2 模型建立

為了驗(yàn)證隧道采用的處置措施的效果，利用Midas GTS NX對處治后隧道開挖情況進(jìn)行分析。

模型長寬高分別為95 m×20 m×80 m。其中溶洞區(qū)長度為15 m，非溶洞發(fā)育區(qū)長為5 m。超前支護(hù)的方式為108 mm管棚與雙層小導(dǎo)管。小導(dǎo)管縱向間距1 m，上層小導(dǎo)管傾角為30°，下層小導(dǎo)管傾角為10°。錨桿長度為3 m，環(huán)向間距1 m（其中溶洞區(qū)域不施作錨桿）。開挖施工完成后，于拱頂溶洞區(qū)域回填C30混凝土與機(jī)制砂層。

為了便于建模計(jì)算，對數(shù)值模擬模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。隧道圍巖視作彈塑性材料，采用Mohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。錨桿和超前小導(dǎo)管于模型中直接建出，分別設(shè)定為植入式桁架單元和梁單元。管棚在模型中等效為板狀實(shí)體單元結(jié)構(gòu)。最后于空洞中回填的混凝土與機(jī)制砂同樣設(shè)定為實(shí)體單元。計(jì)算模型總體與細(xì)部，如圖1、圖2所示。此外，考慮到管棚和小導(dǎo)管的物理力學(xué)參數(shù)在填充砂漿后有所改變，經(jīng)換算后模型內(nèi)單元的物理力學(xué)參數(shù)[1-3]，如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

在完成隧道開挖并施作初期支護(hù)后，模型豎向位移，如圖3所示。回填后，模型豎向位移，如圖4所示。施作二次襯砌后，模型豎向位移，如圖5所示。為了更好地對襯砌的豎向位移變化進(jìn)行分析，于距開挖起始斷面起每10 m的位置設(shè)置一個監(jiān)測斷面，用于監(jiān)測在開挖過程中拱頂和仰拱的豎向位移變化。通過提取完成斷面開挖后對應(yīng)施工階段監(jiān)測斷面的拱頂和仰拱豎向位移值，得到豎向位移，如圖6所示（橫坐標(biāo)表示施工階段排序）。

由圖3～圖6看出：

（1）在隧道完成開挖后，模型內(nèi)最大沉降位移為6.22 mm，最大隆起位移為2.57 cm;在對溶腔進(jìn)行回填后，模型內(nèi)最大沉降位移為6.69 mm，最大隆起位移為2.45 cm;在施作二襯后，模型內(nèi)最大沉降位移為6.94 mm，最大隆起位移為2.42 cm。

（2）模型內(nèi)最大向上位移發(fā)生在巖溶發(fā)育區(qū)開挖起始斷面的拱頂區(qū)域，為2.57 cm;模型內(nèi)最大沉降發(fā)生在非巖溶發(fā)育區(qū)的拱頂區(qū)域，為6.94 mm。

3 總結(jié)與結(jié)論

本文利用Midas GTS NX對某隧道開挖中遇到的巖溶災(zāi)害處置措施效果進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：

（1）隧道上方出現(xiàn)大型溶腔，但是由于溶洞自身結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力，使得溶洞發(fā)育區(qū)內(nèi)的主要豎向位移都集中在巖溶發(fā)育部位，而下方的隧道結(jié)構(gòu)受力較小，變形較小。

（2）由于溶腔內(nèi)沒有填充物，拱頂附近的初期支護(hù)缺乏上方的約束，在開挖過程中，由于監(jiān)測斷面的拱頂監(jiān)測點(diǎn)位置有巖溶空腔發(fā)育且規(guī)模較大，因此在開挖過程中，監(jiān)測斷面拱頂附近的初期支護(hù)發(fā)生了向上的位移。在對溶腔進(jìn)行回填后，在上方回填物的重力作用下，巖溶發(fā)育區(qū)拱頂附近的隆起位移有所減小，但是變化不大。

（3）在采用了處置措施后，隧道結(jié)構(gòu)在后續(xù)開挖過程中，豎向位移變化并不明顯，隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。

（4）隧道開挖于拱頂揭露巖溶的情況下，采用對溶洞進(jìn)行回填、縮小單次進(jìn)尺長度、利用大管棚加雙層小導(dǎo)管的超前支護(hù)并適當(dāng)增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)的處置方式，對于保障隧道后續(xù)開挖與運(yùn)營期間的安全具有較為良好的效果。

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