山區公路隧道下隱伏富水溶洞處治方法

2023-12-29 00:00:00羅敏淅包其龍

西部交通科技 2023年6期

作者簡介：羅敏淅（1985—），工程師，主要從事道路土建工程的管理工作。

摘要：傲江隧道左洞入口處發現一個溶洞，溶洞位于明洞與暗挖法連接處，洞內有水且下部與地下暗河直接相連。為解決該難題，文章提出架設一座長為18.5 m的跨板跨越暗河，該方法不僅可直接跨越溶洞，提高施工效率，樁基施工還提高了整體結構穩定性，保證了隧道的安全。同時，利用有限差分法軟件和現場監測對該方法可行性進行探究，通過提取隧道拱頂沉降、隧道邊墻收斂以及實心板變形進行分析，發現各項變形均在安全范圍內，因此該處治方法可有效地解決溶洞跨越難題，保證隧道的穩定。

關鍵詞：溶洞；地下河；隧道處治方法

中圖分類號：U457⁺.2A451564

0 引言

在我國的中西部地區，廣泛分布著石灰巖以及溶洞，西南部以云南、貴州為主^［1^］。在復雜的地質環境中，隧道需要穿越含有溶洞的地層，可能出現坍塌、巖爆、突水突泥等各類地質災害，造成隧道施工事故^［^2-3^］。

巖溶災害中一個巨大風險是地下水，針對富水溶洞的研究已有很多^［4-7^］。宋戰平^［⁸^］對西南區域中600多處隧道巖溶災害進行調查研究，并把溶洞分為隱伏溶洞和出露溶洞兩個類型。顧偉^［⁹^］以營盤山隧道為例，闡述了隧道穿越溶洞時使用先回填再支護最后完成隧道正洞的施工方法。張玉石^［10^］利用有限元軟件比較不同施工方法對巖溶隧道的控制作用，并得出結論：雙側壁導坑法＞CRD法＞上下臺階法＞全斷面法。

根據先前研究經驗可以發現，傳統開挖方法會大大降低施工速度，同時溶洞常出現在隧道的中間位置，多為無水溶洞。但是傲江隧道的洞口處存在一個富水溶洞，該溶洞與地下河相連，相應的處置經驗較少。該洞口處圍巖松散具有較大的危險性，富水溶洞的存在導致施工復雜性進一步提高。因此，本文針對傲江隧道溶洞段提出采用17 m×28.5 m的跨板跨越暗河，該方法可使隧道直接跨越富水溶洞以減小其對施工安全的影響。此外，本文還利用數值模擬軟件FLAC 3D和現場測試結果對該方案的可行性進行了分析。

1 富水溶洞基本情況

傲江隧道位于天等縣龍茗鎮傲江屯附近，為雙洞小凈距短隧道，設計長度為142 m。左右線兩端洞門型式均為端墻式，洞口圍巖為Ⅴ級圍巖。

在隧道巴馬段左洞入口處發現一個溶洞，溶洞內有水且下部與地下暗河相連接。該段暗河溝渠極發育，巴馬端暗河口長約8 m，寬約16 m；憑祥端暗河口長約8 m，寬約7 m。暗河另一出口位于兼作村民穿山的人行通道溶洞中，毛洞高約3～5 m，寬3 m，長約150 m，毛洞內暗河口長約24 m，寬約3 m。豐水期暴雨后該暗河出水量很大，淹沒周邊低洼處的旱地和農田。溶洞內水位距離隧道仰拱底部4 m左右。

為得到準確的溶洞形態，對傲江隧道左洞ZK127+288～328段進行等間距鉆探，鉆孔間距為5 m，每個斷面設置7個鉆孔，鉆孔長度為16 m，并根據鉆孔測試結果繪制三維溶洞形態如圖1所示。地下溶洞主要影響范圍是ZK127+280～ZK127+295段，橫斷面呈梯形，隨后溶洞范圍迅速變小，并通過底部與隧道左側的狹長暗河相連。

2 隧道支護情況

根據現場溶洞調研情況，確定本工程將采用10.5 m+18 m的實心連續板橋跨越暗河，隧道口路基段采用樁基礎橋臺，在ZK127+285明暗交界位置設置一道擴大基礎蓋梁。

圖2～3分別為隧道溶洞處理段平面圖和立面圖。10.5 m的實心板為隧道洞口明挖段，該段實心板兩側分別固定在外側橋梁橋臺與明暗挖交接處的蓋梁上；18 m的實心板兩側分別固定在蓋梁和原巖上方。為方便施工，實心連續板橫向分為8段并進行拼接，共計17 m。兩端還設置背墻和臺帽防止板的滑動。

圖4表示A-A橫斷面（洞外橋臺位置）支護設計。橋臺總長度為18 m。橋臺結構從下至上分別為橋梁樁基、承臺、前墻、背墻和臺帽。由于洞外橋臺未在溶洞內，因此其樁基長度僅為15 m，直徑為1.6 m。

明暗挖交接處在溶洞范圍內，因此提出增加蓋梁長度和樁基長度、直徑的方法以提高支護強度。蓋梁高2.4 m，長約22 m，為鋼筋混凝土蓋澆施工。蓋梁上同樣設置擋塊，防止現澆實心板的滑動。樁基的直徑增加到2 m，長度增加到20 m，確保樁基打入溶洞水下的基巖內。

山區公路隧道下隱伏富水溶洞處治方法/羅敏淅，包其龍

隧道溶洞處理段的施工工序如圖5所示。在隧道入口管棚施作完成后，要對溶洞處理段施作臨時套拱，防止隧道上部結構失穩，同時對具備施工條件的樁基進行施作。隨后待明洞達到一定強度后，拆除其套拱，緊接著施作橋臺、蓋梁，最后整體澆筑實心板和仰拱二襯，形成完整的支護結構。

3 數值模擬驗證

3.1 數值模擬基本情況

為了驗證本文所提方法的可行性，通過有限差分法軟件FLAC 3D建立全尺寸模型，分析富水溶洞作用下圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實心板的變形情況。

整個模型長138 m、高120 m、寬28.5 m（即整個橋梁長度），隧道至邊界的寬度均大于隧道跨度5倍。模型細部單元尺寸為1 m，整個模型共生成12萬個網格，其內部結構如下頁圖6所示。因溶洞邊界過于復雜，本文將其簡化為梯形體進行分析。外部圍巖采用摩爾-庫侖模型，其參數參照《公路隧道設計規范》，選取Ⅴ級圍巖參數，如下頁表1所示。其余各結構均采用彈性模型，參數根據其設計混凝土標號進行確定，具體參數如下頁表2所示。數值模擬的施工順序將與實際施工順序相同。

3.2 結果分析

圖7為隧道橫斷面的豎向位移云圖。由圖7可知，隧道上部位移最大值為1.34 cm，位于拱頂初期支護外側的原巖區；隧道下方最大變形為3.38 cm，其位置在橫板下方位置，這表明支護可有效地減小溶洞的影響。

圖8和圖9分別展示隧道拱頂圍巖、拱肩和拱腳收斂、實心板變形沿縱向變形分布情況。由圖8可知，隨著隧道的掘進，拱肩收斂變形幾乎沒有變化；拱頂和拱腳圍巖變形逐漸增大，同時拱頂變形速率基本保持不變，而拱腳變形速率先小后大。因此，可以說明隧道下方溶洞的影響范圍有限，僅能影響到隧道下部圍巖變形以及其支護的力學特征。

通過對圖9實心板沿縱向分布變形分析可以發現，隨著掌子面的推進，變形逐漸增大，但在橋臺和蓋梁的位置實心板變形明顯減小，其中橋臺位置的變形最小，僅為2.2 cm。這是由于橋臺處于溶洞范圍外，且橋臺厚度也較大。此外，橋梁10.5 m段相較于18 m段變形峰值也更小，究其主要原因是兩段支撐剛度不同，橋臺和蓋梁的下部均有樁基打入基巖中，其剛度遠大于未處理的原巖，因此在后續施工中需要注意18 m段實心板的變形情況。

通過對圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實心板的變形進行分析，各變形均在合理范圍內，表明本文提出的施工方法可以有效地解決溶洞跨越問題，保證隧道的穩定。

4 現場監測驗證

為確保本方法的安全性，本節通過對18 m實心板中的ZK127+288、ZK127+293、ZK127+303三個斷面的拱底沉降和收斂變形進行監測。監測結果如圖10～12所示。由圖10～12可知，3個斷面拱頂沉降和收斂變形依次為13 mm、16 mm；14 mm、17 mm；16 mm、15 mm。其中ZK127+293斷面的拱頂沉降和ZK127+288斷面的收斂變形最大。

此外，根據各監測斷面的位置與變形大小的關系可以得到以下結論：（1）ZK127+288與ZK127+293斷面均位于溶洞內，但ZK127+288更靠近蓋梁，因此變形更小；（2）ZK127+303斷面為18 m實心板端部，ZK127+303斷面拱頂沉降大于ZK127+288斷面，說明原巖的支護強度遠小于蓋梁結構；（3）3個斷面的收斂變形基本相同，說明該支護方式下對隧道水平收斂影響較小，與前面數值分析結果相同。

根據現場監測結果可以確定，各斷面拱頂變形和收斂變形均lt;2 cm，完全處于安全范圍內，表明本施工方法可確保施工的安全性。

5 結語

本文針對傲江隧道左洞明暗挖交界處溶洞問題提出了實心板跨越方案，并利用有限差分法軟件FLAC 3D建模和現場監測數據進行研究，可以得到以下結論：

（1）溶洞影響范圍有限，對于隧道拱頂和拱肩影響較小，拱腳和實心板受到影響較大。

（2）樁基礎、橋臺和蓋梁的施作可有效提高支護剛度，減小隧道的變形。原巖無法對實心板提供樁基礎、橋臺和蓋梁的支護力，導致該斷面變形較大。

（3）數值模擬和現場監測結果表明，圍巖拱頂沉降、拱肩和拱腳水平收斂以及實心板的變形均在合理范圍內，因此本文提出的方法可以有效地解決溶洞跨越問題，保證隧道的穩定。

參考文獻

［1］蒙彥，雷明堂.巖溶區隧道涌水研究現狀及建議［J］.中國巖溶，2003，22（4）：287-292.

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