李國偉 王偉龍 白雅偉 林廣東 胡繼波

(1.河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司，河南 鄭州 410000；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064； 3.中交一公局集團有限公司，陜西 西安 710000)

在巖溶區(qū)公路隧道施工中，需要進行針對性地質(zhì)預(yù)報，在揭露巖溶前，準確探測溶洞的發(fā)育范圍及形態(tài)對于溶洞處治及施工安全是非常重要的。孫柏林等以保宜高速公路尚家灣隧道為例，利用綜合地質(zhì)預(yù)報方案成功探測了較大范圍充填型溶洞，并根據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果出具了處治意見。徐貴輝系統(tǒng)研究了TSP及地質(zhì)雷達在巖溶地區(qū)的應(yīng)用。對于特定的巖溶狀況，進行針對性的地質(zhì)預(yù)報是巖溶區(qū)隧道施工的重要保障。

溶洞處治一直是隧道施工及設(shè)計技術(shù)人員的難題，溶洞填充物往往自穩(wěn)能力較差，因此需要較強的支護參數(shù)以保證隧道順利通過。宋戰(zhàn)平系統(tǒng)研究了不同方位空腔溶洞對圓形隧道圍巖的影響；譚代明、傅瓊閣利用數(shù)值模擬研究了側(cè)部空腔溶洞對隧道圍巖的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)部空腔溶洞的存在會使隧道圍巖處于明顯的偏壓受力狀態(tài)；雷明鋒等經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)偏壓荷載會使隧道結(jié)構(gòu)不同位置的破壞形態(tài)和破壞類型呈現(xiàn)明顯的差異，在實際施工過程中應(yīng)采取針對性處治措施。

通過對已有文獻分析發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達在豫西地區(qū)溶洞探測中的應(yīng)用案例較少，文獻中對于側(cè)部充填型溶洞引起的隧道圍巖偏壓效應(yīng)及其處治的研究較少。本文依托河南省鄭西高速公路下營隧道，對下營隧道大型充填型溶洞進行地質(zhì)預(yù)報，總結(jié)下營隧道充填型溶洞的地質(zhì)雷達圖像特點。并對側(cè)部侵入充填型溶洞處治方案進行數(shù)值模擬，研究側(cè)部侵入充填型溶洞對隧道圍巖受力和初支結(jié)構(gòu)變形的影響，對不同處治深度計算結(jié)果進行對比，優(yōu)化溶洞處治方案，指導(dǎo)隧道設(shè)計和施工，對后續(xù)工程提供一定的借鑒意義。

1 下營隧道工程概況及溶洞探測

1.1 工程概況

1.2 溶洞探測

地質(zhì)雷達利用接收電性差異介質(zhì)界面反射回的電磁波來探測地下介質(zhì)體的性質(zhì)[13]。電磁波反射系數(shù)R用來表示反射信號的強度，公式如下[14]：

(1)

其中，ζ1,ζ2分別為不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

下營隧道在正常施工中持續(xù)以地質(zhì)雷達作為超前地質(zhì)預(yù)報手段，每次探測30 m搭接5 m。采用勞雷SIR-4000地質(zhì)雷達，現(xiàn)場雷達參數(shù)設(shè)置為勞雷公司巖質(zhì)地質(zhì)預(yù)報推薦參數(shù)。RADAN7數(shù)據(jù)處理時設(shè)置FIR濾波器低通頻率300，高通頻率25，水平背景清除1 000～2 000，擺動參數(shù)設(shè)置填充正值，即正向較強振幅會填充為黑色，填充水平90，填充規(guī)模16。

如圖3a)為下營右線K121+545～K121+515段地質(zhì)預(yù)報圖像，圖3b)為下營隧道已開挖無任何地質(zhì)災(zāi)害段的雷達圖像，對比可知在K21+545掌子面前方約25 m處雷達信號出現(xiàn)強反射，存在地質(zhì)異常體，根據(jù)該雷達圖像特點及大理巖巖體性質(zhì)，結(jié)合就近項目已出現(xiàn)溶洞的經(jīng)驗，初步判斷該地質(zhì)異常體為溶洞。當(dāng)掌子面開挖到K121+522位置時，掌子面、左邊墻(面朝掌子面，下同)及隧道底板均發(fā)現(xiàn)充填型溶洞，見圖4。由圖4可知，圖3a)中的強反射是溶洞充填物的反射圖像。

由圖3b)可看出在巖性較好時雷達信號同軸像波形整體連續(xù)，信號呈正常遞減趨勢，波形變化平穩(wěn)。在開挖中也已證明該圖像段巖體為較硬巖，巖體整體穩(wěn)定性較好，節(jié)理較少，呈塊狀構(gòu)造。

結(jié)合圖4，對比分析圖3可以看出，因溶洞充填物與大理石圍巖相對介電常數(shù)差異較大，且該地區(qū)溶洞充填物很不均勻，黏土與砂及碎石分布不一，雷達信號在頻繁穿過介電常數(shù)差異較大的巖層時就會產(chǎn)生強烈反射。從圖3a)可以看出下營隧道充填型溶洞雷達圖像會表現(xiàn)出以下特點：

1)頻率出現(xiàn)急劇但有規(guī)律的變化，在溶洞區(qū)以均勻的低頻信號為主；

2)信號振幅強，波形均一，同相軸較為連續(xù)、規(guī)則，且存在多次震蕩信號；

3)在圖像填充后有較明顯的強正向振幅填充區(qū)域，可較為直觀的看到隧道橫向發(fā)展界限。

作者簡介： 高卉群，女，吉林大安人，吉林省大安市安廣中學(xué)校，教導(dǎo)處主任，高級教師，研究生，研究方向：高效課堂。

利用地質(zhì)雷達重演性高的特點，在前述充填型溶洞圖像特點的基礎(chǔ)上對該溶洞側(cè)部發(fā)育形態(tài)進行探測，本次地質(zhì)雷達測線布設(shè)方案如圖5所示。使用RADAN7軟件對雷達數(shù)據(jù)進行處理，處理后的雷達圖像見圖6。此處插入三幅較典型雷達圖像。

根據(jù)圖6可得下營隧道側(cè)部充填型溶洞的發(fā)育范圍。1號異常：溶洞橫向界限與豎向發(fā)展趨勢較明顯，位于K121+528～K121+517范圍內(nèi)左拱腳位置，垂直初支表面向圍巖延伸22 m～25 m，侵入隧道最大范圍5 m，最大發(fā)育范圍處于K121+522～K121+517樁號，拱頂發(fā)育范圍小于3 m且發(fā)育不明顯。2號異常：溶洞橫向界限較明顯，位于K121+525～K121+517，寬度約3 m，其規(guī)模大于100 MHz 天線常規(guī)探測深度(30 m)，即垂直向下延伸約為34 m。

2 溶洞處治措施數(shù)值分析

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，綜合該溶洞已發(fā)育成熟且地下水不發(fā)育，充填物偏向砂性土的特點，專家會討論分析采用加強支護及徑向注漿的方法處治該溶洞。對于底部小寬度溶洞，采用換填及注漿加固換填物的方法處理。對于側(cè)部較大范圍的溶洞，考慮到隧道右側(cè)圍巖較好，為Ⅳ級圍巖，左側(cè)圍巖為溶洞充填物，會產(chǎn)生較明顯的偏壓，不利于隧道結(jié)構(gòu)受力。決定對溶洞范圍拱部及邊墻采用φ42 小導(dǎo)管進行徑向注漿(水泥砂漿)加固，小導(dǎo)管間距1 m，梅花形布置。將設(shè)計支護類型由Ⅲ級改為Ⅴ級，超前支護采用雙層小導(dǎo)管。處理方案根據(jù)與會專家工程經(jīng)驗所得，對于處理深度選取進行數(shù)值模擬，提供數(shù)值計算支持，以保證溶洞處理方案的可靠性。

2.1 模型建立

運用ABAQUS“國際通用”有限元軟件進行模擬，該軟件對于接觸及非線性工況模擬效果較好，可較真實的模擬支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間的協(xié)調(diào)受力[15]。選擇K121+522～K121+517范圍進行數(shù)值模擬，該段埋深約75 m，隧道開挖寬度12.72 m，開挖高度10.25 m。溶洞發(fā)育范圍簡化為矩形，上邊界高出隧道頂部3 m，下邊界與隧道拱腳齊平，垂直隧道左邊墻發(fā)育25 m，侵入隧道5 m。模型選擇實際尺寸大小，為降低邊界效應(yīng)的干擾，考慮到溶洞主要在隧道的左部，發(fā)育范圍25 m，隧道左側(cè)地層取3倍的溶洞發(fā)育范圍75 m，右側(cè)地層取4倍的隧道寬度50 m，隧道上部覆蓋層75 m，下部土體取4倍的隧道高度為41 m，模型總尺寸為125 m×116 m×5 m(X×Y×Z)。超前導(dǎo)管注漿加固圈厚度取0.5 m，隧道左部加固范圍取3 m，4 m，5 m，6 m四種工況計算，分析隧道圍巖受力及初支結(jié)構(gòu)變形。隧道初支采用實體單元，厚26 cm，初支與圍巖之間設(shè)置接觸面。開挖采用三臺階分步開挖，圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)取0.3[16]，應(yīng)力釋放通過降低開挖區(qū)巖土體的彈性模量實現(xiàn)。除上邊界自由外，其他各邊界均施加垂直于邊界面的位移約束。建立的三維數(shù)值模擬模型見圖7。

錨桿對圍巖的加固作用主要是增大了加固區(qū)圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角，但實際狀況下圍巖內(nèi)摩擦角的提高幅度較小，因此主要是通過增大圍巖粘聚力來提高圍巖的自穩(wěn)能力，見式(2)[17]。

(2)

其中，c,c0分別為錨桿加固后和加固前的圍巖粘聚力,MPa；τ為錨桿的抗剪應(yīng)力,MPa；sm為錨桿的橫截面面積,m2；a,b分別為錨桿縱、橫向間距，m；n為經(jīng)驗系數(shù)，取2～5，此處取2。

鋼支撐對隧道圍巖的加固作用則主要是通過提高混凝土彈性模量的方法來實現(xiàn)的，見式(3)[17]。

(3)

其中，E,E0分別為換算后和換算前混凝土的彈性模量,MPa；Eg為鋼支撐彈性模量,MPa；Sg，Sc分別為鋼支撐和噴射混凝土的橫截面面積，m2。圍巖為Ⅳ級圍巖，經(jīng)過現(xiàn)場試驗及計算后所得物理參數(shù)見表1。

2.2 計算分析

計算采用三臺階開挖法對隧道開挖進行模擬，即在初始自重應(yīng)力位移平衡后，通過控制場變量降低開挖區(qū)巖土體彈性模量，實現(xiàn)應(yīng)力釋放，然后依次開挖上、中、下臺階，每個臺階開挖后提高對應(yīng)徑向加固區(qū)的物理參數(shù)，同時激活該臺階初支，計算后開挖下一臺階。

表1 計算模型物理參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析

圖8為不進行注漿加固，隧道圍巖水平及豎向應(yīng)力云圖。從圖8可以看出，若不進行注漿加固，隧道圍巖水平及豎向應(yīng)力均存在明顯偏壓。若不進行處理，在隧道開挖后隨著圍巖應(yīng)力的釋放會使隧道支護結(jié)構(gòu)處于非對稱受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的由圍巖側(cè)向溶洞側(cè)的擠推變形。

圖9為注漿加固3 m開挖后的圍巖受力云圖。對比圖8，圖9可以看出，注漿加固和未加固相比，加固圈可以和圍巖一起形成應(yīng)力圈，改善隧道圍巖受力性狀，有利于隧道結(jié)構(gòu)受力。

圖10為不加固和加固3 m,4 m,5 m,6 m圍巖的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)雷達圖。從圖8可以看出，在左側(cè)充填型溶洞存在的情況下，隧道圍巖水平應(yīng)力在拱腰和拱腳處偏壓明顯，豎向應(yīng)力在拱腰、邊墻及拱腳處偏壓明顯。左右拱腰圍巖水平應(yīng)力差為1.42 MPa，豎向應(yīng)力差為2.16 MPa；左右拱腳水平應(yīng)力差為2.56 MPa，豎向應(yīng)力差5.71 MPa；左右邊墻豎向應(yīng)力差為4.77 MPa。隨著加固深度的增大，右拱腰和右拱腳圍巖水平應(yīng)力逐漸降低，左拱腰和左拱腳圍壓水平應(yīng)力逐漸增大，隧道圍巖水平應(yīng)力偏壓逐漸趨于不明顯，在加固深度達到6 m時，左右拱腰水平應(yīng)力差為0.25 MPa，豎向應(yīng)力差為0.035 MPa；左右拱腳水平應(yīng)力差為0.56 MPa，豎向應(yīng)力差為0.90 MPa；左右邊墻豎向應(yīng)力差為0.73 MPa。說明注漿加固可以有效改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低隧道圍巖偏壓效應(yīng)。

3.2 位移分析

圖11為未加固時開挖支護后的位移矢量圖。由圖11可知，若不進行注漿加固，初支結(jié)構(gòu)有很明顯的側(cè)向擠出趨勢，拱頂下沉和左拱腰水平位移較大，最大合位移達30.7 mm。

圖12為不同加固范圍開挖后的初支結(jié)構(gòu)水平和豎向位移數(shù)據(jù)雷達圖。由圖12可知，隨著加固深度的增大，初支結(jié)構(gòu)左拱腰水平位移和拱頂豎向位移逐漸減小。在加固深度達到6 m時，初支左拱腰水平位移11.59 mm，拱頂豎向沉降12.03 mm，與未加固相比，分別降低16.64 mm與15.06 mm，可知進行徑向注漿加固可明顯控制隧道初支結(jié)構(gòu)變形。結(jié)合圖11可知，在徑向加固的作用下，初支結(jié)構(gòu)的側(cè)向擠出趨勢得到控制，圍巖和初支結(jié)構(gòu)達到了共同受力協(xié)調(diào)變形。

3.3 最佳加固深度選取

由前述可知，徑向注漿加固能夠?qū)?cè)向充填型溶洞達到比較明顯的處理效果，且處理效果隨著加固深度的增大而增加，但工程實踐還要考慮其經(jīng)濟效益，因此對比確定最佳加固深度是很有必要的。

圖13為不同加固深度下初支結(jié)構(gòu)拱腰水平位移、拱頂沉降和隧道圍巖不同位置的應(yīng)力差的折線圖，由圖10與圖12可知，加固6 m與加固5 m相比各位移量與應(yīng)力變化較小，而加固5 m與加固4 m相比加固效果提升相對明顯，可知最佳加固深度介于4 m與5 m之間，因此圖13中增加加固4.5 m時的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖13可知，隨著加固深度的增大，隧道圍巖應(yīng)力差逐步減小，隧道初支結(jié)構(gòu)位移逐漸降低，由圖13a)可知，加固3 m～5 m之間位移降低速率無明顯減小，由圖13b)可知加固4 m～5 m之間偏壓應(yīng)力差減小速率無明顯減小，且加固深度取4.5 m時，拱腳水平、豎向應(yīng)力差均大于1 MPa，邊墻豎向應(yīng)力差達1.65 MPa，可知最佳處治深度接近5 m，出于施工安全考慮，加固深度取5 m。處治5 m時各應(yīng)力差小于1 MPa，初支變形小于15 mm，因此選擇5 m的處治深度是安全合理的。

綜合考慮施工安全質(zhì)量控制與經(jīng)濟效益，下營隧道施工時采用注漿加固5 m的處治方案進行施工。圖14為K121+520斷面監(jiān)控量測90 d位移圖，由圖14可知現(xiàn)場左拱腰水平位移14.3 mm，拱頂豎向沉降17.1 mm。實測值與計算值比較接近，驗證了該處治方法是切實有效的，同時證明了數(shù)值分析的可靠性。

4 結(jié)論

本文以下營隧道工程為例，進行了側(cè)部充填型溶洞的地質(zhì)預(yù)報，并對側(cè)部侵入溶洞處理方案進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論如下：

1)通過對比分析了下營隧道充填型溶洞的地質(zhì)雷達圖像特點，經(jīng)過后續(xù)溶洞探測及開挖揭露驗證了其準確性，對后續(xù)豫西地區(qū)類似地質(zhì)狀況雷達圖像解讀具有一定的借鑒經(jīng)驗。

2)在側(cè)部存在充填型溶洞時，隧道圍巖會出現(xiàn)較明顯的偏壓應(yīng)力，初支結(jié)構(gòu)由于受到偏壓應(yīng)力，會有向溶洞側(cè)擠出的趨勢。

3)通過注漿加固能明顯降低側(cè)部溶洞引起的隧道圍巖偏壓應(yīng)力差，加固體可以與圍巖形成應(yīng)力圈改善圍巖受力，減少初支結(jié)構(gòu)變形。

4)隨著注漿加固深度的增加，處治效果的提升會逐漸降低，注漿深度取5 m時能達到最好的處治效益。