張建國

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

雞口山巖溶隧道處治方法適用性模擬對(duì)比分析

張建國

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

結(jié)合雞口山隧道工程，針對(duì)該溶洞隧道分別采用開挖回填法、超前注漿法和超前管棚支護(hù)法3種方法施工時(shí)，采用數(shù)值模擬分析對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行了研究分析。研究結(jié)果表明：采用超前注漿法開挖時(shí)隧道圍巖的變形最小，開挖回填法次之，超前管棚支護(hù)法最大，超前注漿法控制圍巖變形的效果優(yōu)于開挖回填法和管棚支護(hù)法。說明在開挖過程中，超前注漿法使開挖范圍內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，有效地減小了溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響，因此在雞口山隧道中采用超前注漿法施工比較適宜。

巖溶隧道；開挖回填；超前注漿；超前管棚支護(hù)；模擬分析

0 引言

我國巖溶地帶分布廣泛，巖溶等不良地質(zhì)條件的存在給隧道施工和運(yùn)營安全造成了嚴(yán)重威脅[1]。由于溶洞的存在，不但加大了施工風(fēng)險(xiǎn)，而且由于建筑物全部或部分懸空，極大地降低了隧道的使用可靠度[2]；巖溶水的流通將會(huì)侵蝕隧道結(jié)構(gòu)，影響其使用壽命[3]；溶洞中的堆積物因松軟易坍塌下沉，改變洞穴周邊的應(yīng)力分布形態(tài)，影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，從而嚴(yán)重影響隧道施工的安全。目前，國內(nèi)對(duì)于巖溶隧道施工技術(shù)的研究，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析探討。如：杜世回[4]基于穩(wěn)定性概念對(duì)巖溶隧道圍巖分級(jí)進(jìn)行了研究；蔣穎[5]定量分析了不同分布的溶洞對(duì)隧道圍巖位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)分布規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征的影響；徐長金等[6]重點(diǎn)研究了溶洞位于隧道底部時(shí)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響；陽躍朋[7]針對(duì)大斷面客專巖溶隧道，基于有限元分析軟件FLAC3D模擬了大斷面六郎巖溶隧道在臺(tái)階法、全斷面法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法4種工法施工過程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀，揭示了大斷面巖溶隧道在各種工況時(shí)圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分布規(guī)律，優(yōu)化了大斷面巖溶隧道施工工法。但很少有學(xué)者對(duì)巖溶隧道施工處治方法的適用性進(jìn)行對(duì)比分析，本文結(jié)合雞口山隧道工程，分析了開挖過程中不同處治方法對(duì)隧道圍巖變形的影響，確定了適宜該隧道溶洞段的處治方法，以期為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

雞口山隧道是杭瑞高速公路湖北陽新至通城段最長的隧道，是杭瑞高速公路HRTJ10合同段的控制性工程，也是整個(gè)杭瑞高速公路湖北陽新至通城段的控制性工程之一。該隧道位于湖北通山縣，進(jìn)口位于黃沙鋪鎮(zhèn)中通村，出口位于大畈鎮(zhèn)雞口山村，呈近東西向展布，為上、下行分離的4車道高速公路分離式隧道，其左洞起訖樁號(hào)為ZK81+920～ZK84+889，長2 969 m，其右洞起訖樁號(hào)為YK81+923.5～YK84+907.7，長2 984.2 m。隧道穿越的山體最高海拔高程約為486.5 m，隧道最大埋深約319 m。隧道進(jìn)出口均采用端墻式洞門。

雞口山隧道進(jìn)口左洞掌子面掘進(jìn)至ZK82+127處，距洞口207 m，樁號(hào)ZK82+122～+127段未支護(hù)，出現(xiàn)灰色中厚層灰?guī)r夾細(xì)方解石脈，弱風(fēng)化，中厚層狀，碎屑及塊狀構(gòu)造。巖石強(qiáng)度較高，抗軟化性與抗風(fēng)化性能較好，巖層產(chǎn)狀為345°～360°∠78°～83°，層厚0.07～2.0 m，可見長度11～220 cm，層面較平整，層間結(jié)合較好，巖層走向與隧道軸線交角接近45°，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響一般，受結(jié)構(gòu)面切割，巖體為塊狀。隧道拱頂及側(cè)壁未見掉塊，拱頂有滴水，且掌子面和側(cè)壁有滲水現(xiàn)象。

ZK82+127處距拱頂右側(cè)1.21 m發(fā)育有一溶洞，寬約2.5 m，可見長度約3.5 m，初步估計(jì)該溶洞深度超過14 m。洞內(nèi)可看見的部分已基本掏空，時(shí)有黃色泥塊掉落，泥塊呈淤泥狀，緊貼洞壁有小股水流出。掌子面右側(cè)緊挨側(cè)壁處可見一底邊長1.32 m，腰邊長1.37 m呈三角形的小溶洞，洞底覆蓋一層厚約10 cm的黃色淤泥，淤泥中有水滲出，洞頂時(shí)常有黃色泥塊掉落。根據(jù)現(xiàn)場觀察，大小溶洞沿洞軸方向向前相連，開挖2日后，2個(gè)溶洞口之間一塊約1.5 m×2.0 m的立方體石塊滑落，大小溶洞連成了一個(gè)整體。

考慮到洞內(nèi)含水量不大，數(shù)值模擬時(shí)按空溶洞計(jì)算，即未考慮巖溶水的影響。通過現(xiàn)場勘察分析可知，掌子面處的大小溶洞是相通的，整個(gè)溶洞走向順洞軸走向略向右偏。整個(gè)溶洞介于ZK82+112～+137之間，可見洞口寬4 m，估計(jì)深度至少10 m。

2 隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

對(duì)于Ⅴ和Ⅳ級(jí)圍巖淺埋段及Ⅳ級(jí)圍巖深埋段，初期支護(hù)主要由型鋼鋼拱架或格柵鋼拱架、C20噴射混凝土和φ8 mm鋼筋網(wǎng)組成，徑向采用φ25 mm中空注漿錨桿或水泥砂漿錨桿加固。每榀鋼拱架之間采用φ22 mm鋼筋連接，并與徑向錨桿及鋼筋網(wǎng)焊為一體，與圍巖密貼形成承載結(jié)構(gòu)。Ⅲ和Ⅱ級(jí)圍巖地段初期支護(hù)由于圍巖的強(qiáng)度較高，其自身具有一定的承載能力，因此，初期支護(hù)主要以噴錨支護(hù)為主，局部地質(zhì)條件較差地段采用格柵鋼拱架支護(hù)。

對(duì)于隧道洞口的Ⅴ級(jí)淺埋圍巖段及洞身Ⅳ級(jí)圍巖富水段，由于巖體風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育、自穩(wěn)時(shí)間較短，洞室開挖跨度較大，二次襯砌按承擔(dān)上部土壓力覆土荷載計(jì)算需采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌要求緊跟開挖面施作。對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖深埋段，Ⅲ和Ⅱ級(jí)圍巖段，由于該段巖體比較穩(wěn)定，能夠在一定程度上形成穩(wěn)定的承載拱，因此，結(jié)構(gòu)按承載部分土壓力覆土荷載計(jì)算采用C25素混凝土結(jié)構(gòu)。其中，Ⅱ級(jí)圍巖采用 30 cm厚C25素混凝土，Ⅲ級(jí)圍巖采用35 cm厚C25素混凝土，Ⅳ級(jí)圍巖采用50 cm厚鋼筋混凝土。

3 隧道模型及參數(shù)選取

通過模擬隧道穿越溶洞段開挖施工過程，分析隧道圍巖位移變化。由于地質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性，模型大小選為30 m×30 m×45 m，其中隧道豎向模擬高度為45 m，縱向模擬長度為30 m。模擬溶洞位于ZK82+127～+137范圍內(nèi)，洞口寬4 m，深度10 m(如圖1所示)。

圖1 隧道溶洞模擬縱斷面圖

在建模過程中，應(yīng)用brick，radcylinder實(shí)體單元模擬整個(gè)隧道圍巖結(jié)構(gòu)，采用null模擬開挖效果，采用cshell單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行模擬時(shí)，隧道圍巖及開挖巖體采用Mohr-Coulomb模型，初襯及二次襯砌采用elastic模型[8-9]。利用圖1模型計(jì)算ZK82+131、ZK82+134和ZK82+137斷面圍巖拱頂縱向位移及邊墻水平位移?？紤]到此處為深埋隧道，邊界條件選擇選用約束邊界，平行于XOZ面的兩側(cè)為Y方向約束，平行于YOZ面的兩側(cè)為X方向約束，平行于XOY的底面為固定約束。模擬計(jì)算過程中，其模型上部巖體用荷載代替，荷載大小通過理論確定，假設(shè)地應(yīng)力從底面到地表呈線性分布。模擬計(jì)算時(shí)采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1模擬計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)
Table 1 Physical and mechanical parameters for simulation calculation

材料名稱泊松比容重(kN/m3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPaⅡ級(jí)圍巖0．2526．82．15028．0Ⅲ級(jí)圍巖0．325．31．54010．0Ⅳ級(jí)圍巖0．3524．10．5303．5噴射混凝土0．2021．0注漿加固區(qū)0．400．45352．8管棚59．0松散堆積體0．02313．8

4 溶洞隧道圍巖位移特征分析

對(duì)該隧道左洞進(jìn)行了5次開挖模擬，每次開挖2 m，模擬縱向范圍是ZK82+127～+137，縱向區(qū)域均處于溶洞范圍內(nèi)。在溶洞范圍內(nèi)直接進(jìn)行開挖，每斷面全斷面開挖，整個(gè)斷面開挖完成并噴射混凝土初期支護(hù)后，進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，隨后進(jìn)行計(jì)算模擬，最終得出整個(gè)開挖過程中隧道圍巖縱向及水平位移。在初始地應(yīng)力下，不同斷面圍巖縱向變形圖如圖2—4所示。

由圖2—4可知，在初始地應(yīng)力下，隧道在開挖過程中，縱向位移呈層狀分布，在其橫向呈拋物線狀分布，拋物線頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)在拱頂處，其縱向分布呈勺狀，并且已開挖部分線狀趨于平緩，在掌子面附近出現(xiàn)變化。隨著開挖的進(jìn)行，隧道圍巖縱向變形影響范圍逐漸向上下擴(kuò)展，并且在掌子面附近圍巖的變形最大，同時(shí)已開挖部分的圍巖變形隨著時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。開挖過程中隧道拱頂與邊墻位移變化值及最終累計(jì)變形值如表2和表3所示。

圖2 ZK82+131 斷面圍巖縱向變形圖(單位：m)Fig.2 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+131 cross-section (m)

圖3 ZK82+134斷面圍巖縱向變形圖Fig.3 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+134 cross-section

圖4 ZK82+137 斷面圍巖縱向變形圖Fig.4 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+137 cross-section

表2 拱頂位移變化值及最終變形值Table 2 Changing value and final value of crown deformation mm

表3 邊墻位移變化值及最終變形值Table 3 Changing value and final value of sidewall deformation mm

由表2和表3可知：

1)ZK82+131斷面處于溶洞前端，因此在開挖時(shí)受到溶洞的影響較小，在開挖過程中，隧道的拱頂以及邊墻變形量要比在溶洞范圍內(nèi)的斷面拱頂及邊墻變形小。拱頂最大沉降為0.348 mm，邊墻最大水平位移為1.333 mm。由于圍巖拱頂下沉位移為0.077 mm，水平位移為0.002 mm，說明在開挖過程中拱頂下沉變化較大，而水平位移變化較小，故需要對(duì)拱頂及時(shí)加固以控制其變形。

2)ZK82+134斷面的拱頂最大沉降為2.528 mm，而水平最大位移為1.719 mm。由于斷面處于溶洞范圍，圍巖變形受溶洞的影響，且拱頂受到的影響要明顯大于邊墻。ZK82+137斷面的拱頂最大沉降為3.168 mm，而水平最大位移為1.762 mm。斷面受到溶洞的影響加大，拱頂處的累積沉降量要大于邊墻最終變形量。

3)在隧道溶洞段ZK82+130～+137開挖過程中，隨著開挖不斷深入，隧道圍巖變形受溶洞的影響越來越大，拱頂下沉位移逐漸變大，且變化幅度也在增大，而水平位移變化幅度則較小。由于溶洞處于拱頂附近，所以在開挖時(shí)，拱頂?shù)淖冃瘟恳笥谶厜Φ淖冃瘟俊Ｔ谌芏炊伍_挖時(shí)，須采取相應(yīng)的措施對(duì)溶洞地質(zhì)進(jìn)行處治，以減小溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響。

5 不同處治方法模擬對(duì)比分析

在巖溶地層中，隧道施工常采用的處治方法主要有3種：開挖回填法、超前注漿法和超前管棚支護(hù)法。

開挖回填法：在隧道施工時(shí)，先進(jìn)行隧道開挖，待開挖完成后，對(duì)開挖范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行回填，以控制隧道圍巖的變形。

超前注漿法：在進(jìn)行隧道開挖前，先對(duì)開挖范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行注漿填充，以此加強(qiáng)隧道圍巖的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，待填充完成后，開始進(jìn)行隧道的開挖。

超前管棚支護(hù)法：在隧道開挖之前，先在隧道拱頂范圍內(nèi)打入超前管棚，以達(dá)到加固開挖圍巖的目的，并且作為超前支護(hù)以保證隧道在溶洞范圍內(nèi)開挖的穩(wěn)定性。

本文結(jié)合雞口山隧道工程，先對(duì)無處治措施下的開挖進(jìn)行模擬，得到相應(yīng)的圍巖變形數(shù)據(jù)，然后對(duì)3種處治方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到3種處治方法的圍巖變形模擬結(jié)果，以此對(duì)比3種方法的施工效果并對(duì)其適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過對(duì)隧道在4種情況(無處治開挖、開挖回填法、超前注漿法和管棚支護(hù)法)下進(jìn)行開挖模擬，得到相應(yīng)工況下圍巖縱向及水平位移，并將該4種工況下圍巖位移進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5—10所示。

5.1 ZK82+131 斷面模擬對(duì)比分析

圖5 ZK82+131斷面拱頂縱向變形曲線圖Fig.5 Longitudinal deformation of crown at ZK82+131 cross-section

圖6 ZK82+131斷面邊墻水平變形曲線圖Fig.6 Horizontal deformation of side wall at ZK82+131 cross-section

由圖5和圖6可知：

1)在ZK82+131斷面處，無處治開挖工況下隧道圍巖縱向及水平位移最大，且每次開挖引起的拱頂縱向位移變化幅度較大，而邊墻水平位移變化幅度較小，且變形曲線較為平緩。說明在開挖過程中，隧道圍巖的拱頂受到開挖的影響要比邊墻大，圍巖變形主要體現(xiàn)為拱頂下沉。

2)采用了相應(yīng)的處治措施后，隧道圍巖變形位移得到了很好的控制，拱頂?shù)奈灰谱冃慰刂戚^為明顯，其曲線增幅要比無處治開挖情況下的增幅平緩。另外水平位移的最終變形量也比無處治開挖情況下要小，說明采取了相應(yīng)的措施后，減小了溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

3)3種方法中，超前注漿法引起的圍巖位移最小，并且超前注漿法和開挖回填法控制水平位移的效果要優(yōu)于管棚支護(hù)法，因?yàn)楣芘镏ёo(hù)法中管棚的支護(hù)作用主要在拱頂范圍，而對(duì)邊墻的位移控制影響較小。由于該斷面上最終水平位移要大于縱向位移，因此在開挖過程中要注意采取措施對(duì)隧道的水平位移加以控制。

5.2 ZK82+134 斷面模擬對(duì)比分析

圖7 ZK82+134斷面拱頂縱向變形曲線圖Fig.7 Longitudinal deformation of crown at ZK82+134 cross-section

圖8 ZK82+134斷面邊墻水平變形曲線圖Fig.8 Horizontal deformation of side wall at ZK82+134 cross-section

由圖7和圖8可知：

1)在ZK82+134斷面處，無處治開挖情況下隧道圍巖縱向及水平位移最大，且每次開挖引起的縱向及水平位移都要比ZK82+131斷面處的大。說明隨著開挖的深入，在進(jìn)入溶洞后，隧道圍巖明顯受到了溶洞的影響，其圍巖變形量增大。

2)在采用相應(yīng)的處治措施后，圍巖變形位移得到了很好的控制。其中，超前注漿法位移最小，超前注漿法和開挖回填法控制水平位移的效果要優(yōu)于管棚支護(hù)法。該斷面上最終的水平位移小于縱向位移，說明在溶洞地質(zhì)中，拱頂最終的累積沉降量要大于邊墻的變形量，這與斷面ZK82+131的情況有所不同，因此在開挖過程中要注意采取措施對(duì)隧道的縱向位移加以控制。

5.3 ZK82+137 斷面模擬對(duì)比分析

由圖9和圖10可知：

1)在ZK82+137斷面處，無處治開挖情況下隧道圍巖縱向及水平位移最大，且在此斷面上的位移比ZK82+131和ZK82+134斷面的位移都要大，每次開挖引起的縱向位移和水平位移變化幅度也比ZK82+131和ZK82+134斷面的變化幅度大。

2)通過比較可知，在無處治開挖情況下，由于未對(duì)溶洞進(jìn)行處治，圍巖穩(wěn)定性較差，使得在開挖過程中圍巖易發(fā)生變形，而在采取有效的處治措施后可以明顯減小圍巖變形。

3)隧道在3種處治方法開挖過程中，隨著掌子面不斷深入溶洞，圍巖變形受到溶洞的影響越來越大，變形逐漸增大，且變形曲線的增幅也在不斷加大。因此，要求盡快通過溶洞段施工，以減小溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響，同時(shí)在開挖后及時(shí)對(duì)拱頂及邊墻進(jìn)行襯砌支護(hù)，以控制圍巖變形，保證隧道安全施工。

圖9 ZK82+137斷面拱頂縱向變形曲線圖Fig.9 Longitudinal deformation of crown at ZK82+137 cross-section

圖10 ZK82+137斷面邊墻水平變形曲線圖Fig.10 Horizontal deformation of side wall at ZK82+137 cross-section

6 結(jié)論與討論

針對(duì)雞口山隧道工程，采用數(shù)值模擬分析方法，對(duì)該溶洞隧道采用開挖回填法、超前注漿法和超前管棚支護(hù)法3種處治方法隧道圍巖變形進(jìn)行了研究和分析。結(jié)果表明：

1)在隧道溶洞段ZK82+130～+137開挖過程中，隨著開挖不斷深入，隧道圍巖變形受到溶洞的影響越來越大，拱頂下沉位移逐漸變大，且變化幅度也在增大，而水平位移則變化幅度較小。由于溶洞處于拱頂附近，所以在開挖時(shí)，拱頂?shù)淖冃瘟恳笥谶厜ψ冃瘟?，在溶洞段開挖時(shí)，須采取相應(yīng)的措施對(duì)溶洞地質(zhì)進(jìn)行處治，以減小溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響。

2)在開挖回填法、超前注漿法、超前管棚支護(hù)法3種處治方法下，采用超前注漿法開挖，隧道圍巖的變形最小，開挖回填法次之，超前管棚法最大。說明在該溶洞隧道中，超前注漿并對(duì)溶洞進(jìn)行部分填充后，開挖范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，有效地減小了開挖過程中溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響，所以在雞口山隧道中采用超前注漿法施工比較適宜。

通過數(shù)值模擬分析對(duì)溶洞地質(zhì)采用3種處治方法的隧道圍巖變形情況進(jìn)行了分析研究，并得到工程實(shí)例驗(yàn)證，但由于建模時(shí)將溶洞放在模型的端部，具有邊界效應(yīng)，該模型還需進(jìn)一步改進(jìn)，且對(duì)于在3種處治方法下隧道圍巖的應(yīng)力分布過程及拱頂、邊墻、墻腳等特征位置的位移還有待深入研究。

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安徽籌建首條過江隧道將采取BOOT模式

在安徽省發(fā)展改革委員會(huì)首批28個(gè)鼓勵(lì)社會(huì)資本參與建設(shè)營運(yùn)的示范項(xiàng)目中，總投資45億元的蕪湖城南過江隧道工程將是安徽省第一條過江隧道。隧道有望于今年年底開工建設(shè)，建設(shè)工期約4年半。

蕪湖城南過江隧道工程位于蕪湖市長江皖江段“大拐彎”處，距離下游的長江大橋約9 km。隧道全長約5 km，全線采用雙向六車道方案，按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。

蕪湖城南過江隧道是一條純城市功能的過江通道，不接高速。隧道建成后，將會(huì)極大增強(qiáng)蕪湖市的過江能力，緩解蕪湖長江大橋的通行壓力；同時(shí)，對(duì)蕪湖向江北發(fā)展，促進(jìn)長江兩岸共同繁榮具有重要意義。

此次，蕪湖城南過江隧道工程向社會(huì)資本，特別是向民間資本伸出橄欖枝，采用BOOT模式，將有效加快工程的推進(jìn)速度。

(摘自 中國市政工程網(wǎng) http://www.zgsz.org.cn/2014/0808/11896.html )

ComparativeSimulationAnalysisonApplicabilityofDifferentKarstCaveTreatmentMethodsinTunneling

ZHANG Jianguo

(ChinaRailway7thBureauGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Karst caves are encountered in the construction of Jikoushan tunnel.The deformation of the surrounding rock of Jikoushan tunnel under 3 karst cave treatment methods,i.e.,excavation and backfilling method,advance grouting method and advance pipe roof support method,is studied and analyzed by means of numerical simulation.The study results show that the deformation of the surrounding rock under advance grouting method is less than that under the excavation and backfilling method,and the deformation of the surrounding rock under the advance pipe roof support method is the largest.The advance grouting method is superior to the excavation and backfilling method and the advance pipe roof support method in terms of control of deformation of surrounding rocks.It proves that it is appropriate to adopt advance grouting method in construction of Jikoushan tunnel.

karst tunnel;excavation and backfilling;advance grouting;advance pipe roof support;simulation analysis

2014-05-03;

2014-06-29

張建國(1964—)，男，河南焦作人，2008年畢業(yè)于華東交通大學(xué)，交通運(yùn)輸工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事土木工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.004

U 455.49

A

1672-741X(2014)08-0731-06