隧道大角度下穿既有隱伏溶洞最小頂板厚度的確定及工程問題分析

李曉林 張行道 雷路路 何鑫和

1.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司 廣東深圳 518083；2.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300000；3.西安建筑科技大學隧道與地下結構工程研究所 陜西西安 710055

我國巖溶具有分布廣、面積大的特點，尤其在云、貴、川等西南地區修建隧道時巖溶是最常見的不良地質[1]。在巖溶段隧道的施工中，由于溶洞相對于隧道的位置、類型、填充程度各不相同，使得巖溶段隧道施工安全的風險增大。若溶洞位于隧道下方，容易導致隧道底板的失穩塌落；若巖溶位于隧道頂部，易導致隧道的坍塌；若隧道穿越高富水巖溶，易給隧道造成涌水突泥的危險[2]。

國內許多學者對巖溶隧道進行了研究，馬明月等[3-4]研究了超前地質預報在巖溶隧道的應用；張磊等[5-6]研究了充填溶洞的處理技術；趙勇等[7-8]進行溶洞與隧道安全距離的研究。但對隧道下穿既有隱伏溶洞的頂板厚度問題研究較少，以下主要進行就隧道與溶洞最小頂板厚度和受較大結構面控制的巖柱塌陷進行研究。

1 溶洞與隧道相互影響系統的簡化模型

在巖溶段隧道工程中，隧道圍巖的穩定性受到溶洞位置、大小等因素的影響[9]，因此對圍巖穩定性進行研究時，通常將隧道受溶洞的影響因素進行合理的簡化，形成簡單易算的力學模型。宋戰平等[10]假設溶洞在隧道上方是一個球形溶洞，且溶洞直徑尺寸小于2 倍隧道尺寸時，其簡化模型如圖1 所示。

圖1 隧道簡化模型

2 大跨度溶洞時隧道施工中的幾個問題分析

2.1 溶洞與隧道間巖柱垮塌機理分析

當隧道施工沒有進入影響溶洞穩定的范圍時，巖柱受到周邊巖體的約束，處于穩定狀態。當周圍巖體因隧道施工受到擾動時，對巖柱位移的約束消失，巖柱可能發生破壞，造成隧道拱頂坍塌事故。從分析隧道施工時巖柱中受力變化情況入手進行隧道頂板巖柱破壞原因的研究。

（1）因隧道施工的影響，巖柱周圍巖體被破壞，巖柱的位移約束消失，此時隧道頂板力學簡化示意圖如圖2 所示。巖柱在重力的作用下，巖柱臨隧道一側將會出現拉應力，而臨溶洞一側將會出現較大的壓應力；若拱頂側拉應力超過巖柱的抗拉強度，巖柱將發生破快，引發拱頂的坍塌。

圖2 隧道頂板力學示意圖

（2）對于含水溶洞而言，隧道施工引起巖溶水的流失，溶洞周圍巖體含水率下降，改變了巖柱的受力狀態，巖體的浮托力降低，巖柱的荷載增加，當荷載超過巖層承載極限后，巖柱發生失穩破壞，導致隧道拱頂的坍塌。

（3）隧道鉆爆法施工時，會對周邊巖體產生強烈的爆破沖擊波，對巖柱造成結構破壞，增大了地下水徑流通道，導致隧道拱頂發生剪切破壞。

在上述共同作用影響下，隧道施工過程中拱頂巖柱初始狀態被打破，引起隧道拱頂的坍塌，對隧道施工的安全、質量和工期造成嚴重的影響。

2.2 巖溶隧道最小頂板厚度問題

2.2.1 隧道與溶洞間巖柱的簡化模型

對于頂部溶洞的隧道工程而言，隧道施工時保證拱頂的安全是一個關鍵問題，拱頂與溶洞間巖柱的最小厚度關系到隧道施工的安全、質量和效率。

對于頂部溶洞而言，其在隧道橫向尺寸大于隧道軸向尺寸，因此，在其自重和人為荷載的影響下，其兩端可簡化為簡支模式。對于對隧道危害最大的較薄巖柱的情況，可將頂板視為薄板。根據隧道頂板的狀態可將巖柱簡化為兩種力學模型進行分析。

（1）四端簡支的薄板，其力學模型如圖3 所示。對于頂部存在大跨度溶洞或溶洞軸線與隧道軸線小角度相交的情況，因上部臨空，四邊巖層無挾制作用或巖體中存在較大裂隙，但是仍可由巖體支撐，其力學模型可簡化為四端簡支的薄板；

圖3 四端簡支薄板力學模型

（2）兩端簡支，對邊自由的薄板，其力學模型如圖4所示。在隧道跨度方向上，因上部臨空，兩端巖層無挾制作用，可視為簡支；而在溶洞跨度方向上，巖體中存在貫穿性的較大裂隙，可視為自由邊界。

圖4 兩端簡支薄板力學模型

2.2.2 隧道頂板安全厚度的經驗估算法

隧道頂板的安全厚度是指施工過程中保證隧道與溶洞之間巖層穩定性的最小巖層厚度[11]。此厚度保證在隧道的施工過程中不會引起拱頂的坍塌，確保隧道施工順利的進行。

在隧道施工時，在爆破振動等因素的影響下，巖體結構遭到破壞，導致圍巖應力的重分布，圍巖強度降低，對我國西南地區多處巖溶隧道塌方資料的分析，隧道頂部松動帶的高度按式(1)進行估算。

式中：B——隧道的跨度，m；

I——B＝5m 的圍巖垂直荷載高度為準，B每增減1m 時的圍巖垂直荷載高度增減率；當B＜5 時，取i＝0.2；B＝5～15m 時，取i＝0.1；B＞15m 時，取i＝0.1；

S——圍巖的級別。

考慮到鉆爆法開挖過程中，強烈的沖擊波會對圍巖造成破壞，降低圍巖強度，為保證隧道頂板的安全，將安全系數取為2，以確保隧道開挖時的隧道頂板安全。因此，隧道的最小安全頂板厚度可按式(2)估算。

按式(2)計算出隧道頂板的最小安全厚度，如果小于溶洞與隧道間巖柱厚度，則可以推斷隧道頂板是比較安全的；反之隧道頂板是不安全的，必須對其進行預處理，保證隧道頂板的安全。

2.3 受較大結構面控制時的巖柱塌陷分析

隧道在斷層帶的附近施工時，常常會發生一些較大規模、有突發性的陷落現象。此類隧道災害一般規模較大，調查表明，此類危害受到巖脈、斷層或較大結構面的影響較大。當結構面的抗剪強度弱化或不足時，將會導致柱狀體的塌落，造成隧道事故。此類事故的發生主要有兩種類型：第一種塌陷一般在隧道開挖爆破時發生，對施工人員和設備的危害性相對較小；第二種塌陷一般發生在有較大規模且具有充填性質溶洞段，且發生時間一般滯后于掌子面開挖時間，所以第二種塌陷因其一定的隱蔽性對隧道施工人員和設備的危害性較大，因此論文主要針對此類坍塌進行分析。

根據對巖溶區隧道頂板巖柱塌陷資料的綜合分析，認為易形成隧道頂部巖柱塌陷條件如下：

（1）在以自重應力場為主的巖溶地區，易出現隧道頂板巖柱的塌陷問題。與構造應力大的巖溶地區相比，以自重應力場為主的巖溶地區，其最大主應力為豎直方向，而水平向應力相對較小，這種應力狀態有利于垂直裂隙的張開和巖體的塌落；在隧道開挖時，豎向荷載的卸除將導致豎向裂隙面強度的降低，引發巖柱的塌陷；

（2）在巖層平緩的巖溶地段，易產生較大的溶洞；且在該地段，巖體多存在平面X 剪節理，其延伸遠，切割深，穿層高度大，不受局部地層巖性、小構造的限制。它們易將層板狀巖體切割成菱形塊體，在張應力作用下，當這類結構巖體在底部開挖后，易于發生坍塌、陷落；

（3）受地質構造的控制，在向斜軸部易形成較大的溶洞，且在向斜軸部巖體上層存在較大壓應力，下層存在較大的拉應力，當下方隧道施工開挖后，在自重作用下，拉應力增加，巖體結構容易被破壞形成塊體向下脫落，繼而引拱頂頂板坍塌事故。

以上部位巖體在隧道開挖之前，隧道與溶洞間巖柱在鉛直方向上受拉，水平方向上受壓。在隧道開挖之后，鉛直方向上拉應力將進一步增強，同時靠隧道一側巖體在水平方向上也將受拉。當拉應力超過下部巖體的抗拉強度時，巖層將發生冒落。在各種因素的綜合作用下，隧道與溶洞間巖柱極易發生塌陷事故。

3 結論

（1）通過對隧道與隧道頂部溶洞間的巖柱力學模型進行簡化。將巖柱簡化為薄板問題，根據其邊界條件得出兩個力學模型，通過對模型的理論分析，得出巖柱的最小安全厚度計算公式。

（2）對影響隧道與巖溶溶洞間巖柱穩定性的各因素進行了討論，提出了施工期隧道頂板坍陷的主要影響因素，分析了頂板垮塌的機理。

（3）對存在較大結構面影響的巖柱的塌陷問題進行研究，提出頂部巖柱塌陷的影響因素，并通過力學極限平衡的分析，得出了評價巖柱塌陷的計算公式。