公路隧道淺埋充填巖溶段開挖變形與控制技術研究

黃詩洪，盧超波，姜洪亮，張 偉

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心，廣西 南寧 530007；4.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

對特殊地質、巖溶或特殊環節隧道開挖圍巖變形，大量學者進行了細致系統的研究[1-10]。由于巖溶區隧道受巖溶發育程度、巖溶位置、巖溶大小、施工開挖等影響，圍巖變形特征存在較大區別。本文結合數值方法，對貴州省德江至習水高速公路正安至習水段羊角垴隧道進口左幅淺埋充填巖溶隧道施工開挖監測數據的變形機制進行研究分析，提出控制技術措施，取得了良好的技術經濟效果，為其他類似隧道工程設計與施工提供參考。

1 工程背景

貴州省德江至習水高速公路正安至習水段是貴州省規劃的“6橫7縱8聯4環線”高速公路網6橫中第1橫(德江至習水)的重要組成部分，為東西向運輸重要通道。其中的羊角垴隧道進口位于遵義市習水縣仙源鎮騎龍村，出口位于遵義市習水縣溫水鎮群英村。隧道按左、右線分離式設計。左線隧道里程樁號為ZK116+770～ZK117+837，長1 067 m；右線隧道里程樁號為K116+712～K117+823.9，長1 111.9 m。設計左洞進洞淺埋段上覆少量第四系殘坡積粉質黏土，下伏基巖為Pm灰巖，隧道圍巖主要為強-中風化灰巖，節理裂隙發育，完整性差，埋深較淺，為2～30 m，圍巖穩定性較差。左線實際進洞里程為ZK116+775，設計采用超前支護為長管棚28 m+超前小導管；襯砌為馬蹄形斷面(見圖1)，S-Va級襯砌，開挖斷面凈寬為12.86 m，斷面面積為107.6 m2。隧道開挖至ZK116+804處，揭露黏土充填型溶洞，該溶洞充填物為潮濕的黃色黏土，拱頂出現持續性掉塊、垮塌并形成突發性冒頂，塌坑形成邊坡外延，發生地表錯臺開裂，冒頂區域地表開裂。冒頂塌腔上口直徑為8.3 m，下口直徑約5 m，深8 m。

圖1 隧道進洞淺埋段縱斷面圖(m)

2 開挖變形機制分析

根據現場開挖施工情況，在揭示溶洞前，圍巖巖性主要為弱風化-中風化灰巖，節理裂隙發育，完整性一般，超前支護為長管棚28 m+超前小導管，襯砌為S-Va級襯砌，隧道開挖后掌子面穩定性較好。在里程ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795斷面分別布置地表沉降、洞內初期支護變形監測點，如圖2所示。其中，ZK116+775的地表沉降、洞內初期支護變形監測曲線如圖3～5所示。

圖2 監測斷面測點布置示意圖

圖3 ZK116+775斷面累計地表沉降變化曲線圖

圖4 ZK116+775斷面洞內累計拱頂沉降變化曲線圖

圖5 ZK116+775斷面洞內收斂變化曲線圖

從圖3～5的監測結果看，各斷面穩定累計變形值均較小。如表1、表2所示，ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795最大地表沉降穩定值分別為8.7 mm、3.2 mm、6.2 mm。洞內ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795監控斷面拱頂沉降穩定最大值分別為16.8 mm、8.7 mm、9.5 mm，收斂穩定最大值分別為15.1 mm、6.7 mm、7.8 mm。

表1 各斷面地表變形穩定累計沉降數據表

表2 各斷面洞內拱頂沉降和收斂穩定累計變形數據表

揭示巖溶充填物后，前期雨水下滲軟化巖溶充填物，掌子面開挖揭露巖溶充填物導致邊界約束條件發生變化，軟化后充填物向隧道開挖引起的臨空面塌落，臨空面因作業安全無法及時進行有效封閉，塌腔不斷外延擴大，拱頂巖溶充填物不斷塌落繼而引發巖溶充填物塌落直至地表。從冒頂區域外露的地質條件情況踏勘，冒頂塌落物主要為覆蓋層與下伏巖溶充填物，巖溶充填物正常情況下存在較高的自穩定性。

3 數值試驗

3.1 數值試驗模型

圖6 數值分析模型云圖

為進一步探索該段巖溶充填物開挖變形機制，建立如圖6所示的巖溶充填物隧道圍巖數值模型，模型采用以走向中心對稱的半隧道圍巖模型，長、寬、高分別為80 m、30 m、40～51 m(對應地表埋深4～15 m)，模型網格單元與節點數分別為175 500、181 944，模型采用的物理參數如表3所示。在數值試驗中，隧道圍巖采用M-C本構模型，初次支護采用實體單元，本構模型為彈性，圍巖的初始地應力場為自重場，計算平衡后進行隧道開挖。

表3 模型圍巖參數表

由于前期在進行冒頂處治過程中將洞內超前支護，超前小導管長度由原設計的4 m調整為6 cm，環向間距由0.4 m調整為0.15 m，布設范圍與原設計相同，縱向間距由原設計的1.2 m調整為1.0 m，并在超前小導管內部穿φ18 mm螺紋鋼筋后注水泥漿。根據采取的超前加固措施，將上臺階臨近洞內初期支護掌子面前方6 m、圍巖300 mm厚設置為超前支護參數。見下頁圖7。

圖7 參數轉化示意圖

3.2 數值試驗結果

圖8 無超前支護進洞上臺階開挖進尺29 m變形云圖

圖9 超前支護上臺階開挖進尺29 m變形云圖

如圖8所示為隧道采用上下臺階方法進行開挖，上臺階開挖進尺29 m即對應實際隧道掌子面開挖揭露溶洞充填物變形云圖。如圖9所示為采取超期支護措施后，以上臺階開挖進尺29 m即對應上臺階支護至ZK116+804，超前支護至ZK116+810，初期支護(ZK116+775～ZK116+804)僅開挖上臺階，初期支護未閉合成環前變形云圖。對比分析可以得出：采取前期冒頂處治超前支護措施后，巖溶充填物開挖得到了較大的約束控制，變形主要由冒頂垮塌向掌子面垮塌滑移轉變。

圖10 超前支護、初期支護閉合成環進洞上臺階開挖進尺 29 m變形云圖

如圖10所示為采取超期支護措施后，初期支護(ZK116+775～ZK116+895)閉合成環，開挖上臺階進尺29 m，即對上臺階支護至ZK116+804變形云圖。由圖10可知，初期支護閉合成環，對控制開挖卸荷回彈底鼓起到一定程度抑制，開挖的底鼓累計變形從15～20 mm下降至10～15 mm。

圖11 超前支護、初期支護閉合成環進洞上臺階開挖進尺 29.5 m變形云圖

如圖11所示為采取超期支護措施后，初期支護(ZK116+775～ZK116+895)閉合成環，開挖上臺階進尺29.5 m即對上臺階支護至ZK116+804.5變形云圖。由圖11可以分析得出，采取循環小步距開挖50 cm，掌子面開挖卸荷變形在40～60 mm，可確?，F場開挖安全。

4 變形控制方案及效果

4.1 變形控制方案

為安全穿越隧道淺埋段充填巖溶段，控制開挖支護變形，主要采取循環施作超前支護、開挖方法與及時初期封閉成環進行控制。

開挖方法采用環形開挖預留核心土法，每循環進尺為1榀鋼拱架間距，即≤50 cm，支護緊跟開挖面。

每循環初期支護完成后立即進行后續仰拱開挖及填充施工，減縮全斷面初步支護封閉成環時間，對洞身范圍內巖質部分圍巖采用局部松動爆破開挖。

開挖初期支護完成后布置監控斷面，進行初期支護變形監測。變形監測以拱頂沉降監測為主，收斂變形為輔。

4.2 控制效果

隧道掌子面在推進支護后分別于ZK116+805、ZK116+810、ZK116+820處監測斷面，其掌子面在ZK116+810穿過巖溶充填物區域，進入中風化灰巖。ZK116+805處斷面布設三個拱頂沉降點及1條收斂測線，ZK116+810、ZK116+820處斷面布設三個拱頂沉降點。

ZK116+805處監測數據累計拱頂沉降值、收斂值變化如圖12、圖13所示，變化速率如圖14、圖15所示。監測數據顯示：結構在未封閉成環前(監測第10 d前)，初期支護結構變形速率較大，拱頂沉降速率在5～25 mm/d，收斂速率在3～7 mm/d；初期支護封閉成環后，初期支護結構變形速率顯著下降，拱頂沉降速率在2～14 mm/d，收斂速率在1.5 mm/d以下，并逐步收斂穩定。初期支護總體穩定，結構變形主要以垂直變形為主，收斂變形次之。

ZK116+810、ZK116+820處累計拱頂沉降值如圖16、圖17所示。監測數據顯示，穿越隧道巖溶充填物后，累計沉降值從101～176 mm下降至77～96 mm，進入弱風化-中風化灰巖段后，累計沉降值下降至31～38 mm。

圖12 ZK116+805處斷面洞內累計拱頂沉降變化曲線圖

圖13 ZK116+805處斷面洞內收斂變化曲線圖

圖14 ZK116+805處斷面洞內拱頂沉降變化速率曲線圖

圖15 ZK116+805處斷面洞內收斂變化速率曲線圖

圖16 ZK116+810處斷面洞內累計拱頂沉降變化曲線圖

圖17 ZK116+820處斷面洞內累計拱頂沉降變化曲線圖

5 結語

本文針對高速公路隧道穿過巖溶充填物開挖變形機制進行研究，提出了科學經濟的處治方案，取得了良好效果，結論如下：

(1)該隧道淺埋段巖溶充填物開挖地質風險為隧道拱頂坍塌與掌子面坍塌，進行超前支護后，開挖地質風險為掌子面坍塌。

(2)巖溶充填物段隧道初期支護結構變形以沉降變形為主，收斂變形次之。穿越隧道巖溶充填物后，初期支護結構累計沉降值從101～176 mm下降至77～96 mm，進入弱風化-中風化灰巖段后，累計沉降值下降至31～38 mm。

(3)巖溶充填物段隧道開挖初期支護未封閉成環前拱頂沉降速率為5～25 mm/d，收斂速率為3～7 mm/d；初期支護封閉成環后，初期支護結構變形速率顯著下降，拱頂沉降速率為2～14 mm/d，收斂速率在1.5 mm/d以下，并逐步收斂穩定。

(4)在隧道內對具有自穩定性巖溶充填物，采用超前小導管內插鋼筋注漿作為超前支護，循環小步距開挖，及時支護，后續跟進仰拱閉合成環，取得了良好的技術經濟效果。