李明

(中鐵建大灣區(qū)建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著西南地區(qū)高鐵建設(shè)速度的加快，高鐵隧道穿越的溶洞越來越多，揭露巨型溶洞的幾率也越來越高。巨型溶洞體量大、內(nèi)部情況復(fù)雜，極大地增加了隧道建設(shè)難度[1]。在各類巨型溶洞處置中，回填處置具有操作方便、施工簡單和成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。但同時也存在回填體厚度大引起的工后沉降周期長和沉降不均勻等問題，容易威脅到高鐵列車運(yùn)營安全。

目前，巨型溶洞處置技術(shù)和高填方路基沉降監(jiān)測預(yù)測已經(jīng)取得了諸多研究成果，盤山隧道巨型溶洞處置采用了大體積空心混凝土回填方法[3]，并介紹了溶洞內(nèi)地下水處理措施，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。宜萬鐵路龍麟宮隧道1號大型溶洞采用了路基填筑與明洞結(jié)構(gòu)施工方案[4]，提高了溶洞底部承載能力，有效減少了工后沉降，經(jīng)過持續(xù)工后監(jiān)測證明施工方案安全可靠。永吉高速公路那丘隧道巨型溶洞采用了分層回填方案以及溶洞支護(hù)結(jié)構(gòu)體系[5]，回填體沉降從施工到運(yùn)營的一段時間都處于安全可控范圍?；穂6]討論了幾種高鐵路基施工中常見的沉降監(jiān)測方法，闡述了其工作原理并給出相應(yīng)的適用條件。劉鵬[7]總結(jié)了測量對施工安全和施工時機(jī)選定的重要性，科學(xué)地指導(dǎo)了回填施工。鄭曉軍等[8]通過單點(diǎn)沉降計(jì)對路基全天監(jiān)測，依托實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場施工情況總結(jié)出路基產(chǎn)生沉降的原因，并提出相應(yīng)的控制方法。王以榮[9]提出了利用有限元方法監(jiān)測高填方路基沉降，分析結(jié)果并提出解決的辦法。蔡文霄[10]結(jié)合了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元軟件，深入研究路基回填工程中的一系列問題并給出了相應(yīng)的控制措施。徐明等[11]通過對多個高填方工程的長期監(jiān)測，得出了高填方長期的工后蠕變沉降與時間的對數(shù)大致呈線性關(guān)系的規(guī)律。

上述研究對溶洞回填沉降監(jiān)測與預(yù)測研究有重要的參考價(jià)值，但針對隧道高位穿越巨型溶洞的鐵路工程，采用回填處置的方法較少，經(jīng)回填產(chǎn)生的超厚回填體在施工期、運(yùn)營期的沉降規(guī)律以及沉降預(yù)測的相關(guān)研究也比較少。文章以高山隧道巨型溶洞回填處置工程為研究對象，通過沉降監(jiān)測研究施工荷載作用下溶洞內(nèi)超厚回填體的沉降規(guī)律，建立了基于注漿減沉作用下的雙指數(shù)模型，用以預(yù)測超厚回填體沉降，研究表明高山隧道回填處置方案安全可靠，應(yīng)用效果良好。

1 巨型溶洞工程概況

1.1 溶洞基本概況

巨型溶洞包括主溶洞、廳堂狀廊道和2個伴生支洞，如圖1所示。主溶洞呈北偏東45°發(fā)育，長約為450 m，并且在其南邊延伸出2號支洞，呈北偏東70°發(fā)育。廳堂狀廊道長約為124 m，底部塊石堆積體厚度約為50～65 m；隧道頂部凈空小，往常德方向還存在頂板侵線問題；隧道下部溶洞凈空較大，其高度為36～57 m，不論對施工還是工后運(yùn)營都存在很大的安全隱患。隧道正洞長約71 m，與溶洞走向約呈42°夾角斜穿廳堂狀廊道和主溶裂隙通道。

1.2 回填施工方案簡述

針對該巨型溶洞，經(jīng)研究決定使用“洞砟回填+上部注漿加固”的方法，洞砟回填示意圖如圖2所示。處置方案施工流程:溶洞底部到730 m高程面使用一般洞砟回填；在回填面上方施作一層50 cm厚止?jié){層；在止?jié){層到750 m高程使用級配洞砟回填并對回填體上部20 m范圍注漿；填筑5 m厚的級配碎石，完成后施作3 m厚的路基板基礎(chǔ)；再在路基板上方施工隧道明洞結(jié)構(gòu)。

2 超厚回填體沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)

為了保證施工安全，并有效考察超厚回填體的沉降規(guī)律，必須監(jiān)測超厚回填體的沉降，以防止回填體塌陷和不均勻沉降對施工造成的危害。因此，在施工現(xiàn)場建立了沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可預(yù)測回填體內(nèi)部沉降變形的發(fā)展態(tài)勢，為工程實(shí)踐提供理論支撐。

2.1 表層沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)

沿隧道中心線路布設(shè)了上、中、下3條測線，分別位于左、右側(cè)邊墻的外側(cè)以及隧道中心線，每條測線設(shè)有6個監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)上布置壓差式靜力水準(zhǔn)儀，編號為BU1～6、BM1～6和BD1～6，再在每條測線平導(dǎo)口穩(wěn)定的巖壁上布設(shè)一個基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖3所示。

2.2 分層沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)

分層沉降監(jiān)測的對象是新增回填體和底部原先就有的堆積體，沿左右側(cè)邊墻和線路中心一共布置了6個測孔，包括5個淺孔和1個深孔，淺孔編號為FQ1～5，主要監(jiān)測上部回填體的分層沉降；深孔編號為FS1，主要監(jiān)測底部巖溶堆積體的分層沉降，測點(diǎn)分布如圖4所示。將多點(diǎn)位移計(jì)根據(jù)測孔深度和擬監(jiān)測深度埋置4～5個在測孔內(nèi)，各測點(diǎn)相隔10 m，共設(shè)29個測點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 測點(diǎn)布置平面圖

圖5 測點(diǎn)布置剖面圖

3 超厚回填體沉降規(guī)律分析

3.1 表層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

當(dāng)開始對超厚回填體進(jìn)行上部注漿時，運(yùn)行表層沉降監(jiān)測系統(tǒng)，每隔4 h記錄一次沉降值，每天的沉降值取當(dāng)天沉降平均值，共監(jiān)測記錄382 d。為高效分析沉降規(guī)律，特將全部監(jiān)測時間段分為監(jiān)測前期、中期和后期，其前期和中期各為140 d、后期為102 d。根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)繪制出累計(jì)沉降量如圖6所示。

圖6 超厚回填體表層沉降量曲線圖

通過圖6可以看出:

(1)3條測線測點(diǎn)的增長速率雖快慢不一，但從整體來看各測點(diǎn)的沉降發(fā)展規(guī)律相近。監(jiān)測前期初始階段為瞬時沉降階段，因?yàn)橛行略龊奢d，各條測線的累計(jì)沉降量都增長迅速，然后隨著施工的逐步完成，各條測線的增長速率逐漸降低，這說明早期的回填體不夠密實(shí)，隨著隧道上部施工荷載增大，回填體也逐漸被擠壓密實(shí)；監(jiān)測中期沉降速度幾乎不變，回填體沉降進(jìn)入主固結(jié)沉降階段；監(jiān)測后期回填體上方?jīng)]有新增荷載，沉降趨于穩(wěn)定，說明已進(jìn)入次固結(jié)沉降階段。

(2)比較各測線的沉降趨勢可發(fā)現(xiàn)，不同位置對沉降造成影響的程度不盡相同。從沉降量曲線的增長速率來看，上、下測線的沉降主要發(fā)生在回填施工開始階段，到中后期回填進(jìn)入尾聲后沉降逐漸穩(wěn)定下來；而中間側(cè)線與上、下測線差異較大，前期增長緩慢，當(dāng)隧道明洞結(jié)構(gòu)施工開始后沉降快速增長。這說明兩邊回填體密實(shí)性較中部回填體的密實(shí)性差，這與現(xiàn)場施工基本一致，主要是溶洞周邊施工不便，回填體受新增荷載后有壓密沉降，主要發(fā)生在監(jiān)測前期；線路中心上的測點(diǎn)主要受隧道主體結(jié)構(gòu)施工荷載影響，沉降主要發(fā)生在監(jiān)測中期，即隧道明洞施工階段。

綜合上述分析結(jié)果，沉降量隨時間逐漸增加，沉降速率隨時間逐漸減小，回填體沉降主要受自身重力和新增荷載影響，隨著施工進(jìn)入尾聲，新增荷載逐漸消失，回填體沉降趨于穩(wěn)定，至隧道明洞結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，回填體沉降已完成總沉降的絕大部分。

3.2 分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從洞砟回填施工后第35 d開始(即鋼筋混凝土路基板施工開始)監(jiān)測回填體分層沉降，一共監(jiān)測337 d，其中前237 d是施工期，后面100 d是靜置期。兩測點(diǎn)之間的沉降差值即為測點(diǎn)之間回填體的分層沉降量。

通過圖7中各測點(diǎn)沉降曲線的變化，并結(jié)合溶洞內(nèi)施工情況，可以看出:

圖7 回填體各測點(diǎn)沉降曲線圖

(1)埋深0～-7 m范圍內(nèi)是摻5%級配碎石層和注漿洞砟層，該分層累計(jì)沉降量均＜3 mm，說明該分層回填體注漿加固效果好；埋深-7～-17 m范圍內(nèi)也是注漿洞砟層，該分層累計(jì)沉降量大約為9 mm，說明注漿對抑制回填體沉降有明顯作用；埋深-17～-27 m范圍內(nèi)是洞砟注漿層的下部以及相鄰的未注漿層頂部，該分層累計(jì)沉降量10～30 mm，F(xiàn)Q2測點(diǎn)分層沉降變化最大，經(jīng)分析是因?yàn)樵撎幾{不足，導(dǎo)致沉降變形量大；FQ4和FQ5測孔在深度-27～-47 m范圍內(nèi)沉降量均＞25 mm，因?yàn)檫@層是洞砟未注漿層的頂部，這一層內(nèi)的洞砟孔隙較多且不密實(shí)，所以容易產(chǎn)生沉降。

(2)通過每一層沉降值對比可知，沉降產(chǎn)生的主要區(qū)域是回填洞砟未注漿層和注漿層底部的注漿不充分層，對于注漿充分的回填體，其沉降顯著減小。

3.3 底部堆積體沉降監(jiān)測分析

深孔內(nèi)FS1測點(diǎn)沉降曲線如圖8所示。

圖8 FS沉降曲線圖

通過圖8可以看出，分層壓縮量在上部較大，越往下越小。其中-40～-50 m之間主要由回填體沒有注漿層和溶洞新近塌落體組成，分層沉降量最大，說明填筑體之間還存在著較大孔隙；-50～-60 m之間主要是由溶洞早期堆積體組成，因長期受溶洞落石的沖擊作用已變得較為密實(shí)，所以分層沉降量較小；-60～-80 m之間FS1-3、FS1-4、FS1-5等3個測點(diǎn)的沉降曲線幾乎重合，沉降速率也基本是相同的，說明底部堆積體下部固結(jié)完成，孔隙率極小，隧道施工新增荷載與上部回填體對此部分堆積體基本沒有影響。

4 超厚回填體沉降預(yù)測

隧道施工完成后，超厚回填體的沉降也基本完成，但之后因?yàn)樽陨碇亓土熊噭虞d的影響，沉降還會緩慢增加，溶洞段隧道明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時預(yù)留50 cm凈空，為證明能否安全運(yùn)營，采用沉降預(yù)測模型計(jì)算超厚回填體的最終沉降[12-15]，以保障隧道安全。

4.1 常用沉降預(yù)測模型分析

對于回填體沉降預(yù)測，已有不少預(yù)測方法，現(xiàn)以常用的指數(shù)模型、拋物線模型和雙曲線模型對超厚回填體沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如下:

4.1.1 指數(shù)模型沉降預(yù)測

選擇線路中線沉降量較大的測點(diǎn)BM2進(jìn)行沉降預(yù)測，以該測點(diǎn)的預(yù)測沉降量代表回填體表層整體沉降。

擬合沉降曲線如圖9所示，擬合后獲得曲線公式由式(1)表示為

圖9 回填土沉降實(shí)測曲線與指數(shù)曲線擬合圖

式中S為沉降量，mm；t為天數(shù)，d。

擬合曲線與實(shí)測曲線擬合度R=0.99，符合QCR9230—2016《鐵路沉降變形觀測及評估技術(shù)規(guī)程》[16]，可以進(jìn)行回填體沉降預(yù)測。

4.1.2 拋物線模型沉降預(yù)測

選擇線路中線沉降量較大的測點(diǎn)BM2進(jìn)行沉降預(yù)測，以該測點(diǎn)的預(yù)測沉降量代表回填體表層整體沉降。擬合前后沉降量S由式(2)和(3)表示為

式中y為固變量；x為自變量；a、b為沉降擬合參數(shù)。

擬合沉降曲線如圖10所示，R=0.99，符合QCR 9230—2016關(guān)于擬合度≥0.92的要求，可以進(jìn)行回填體沉降預(yù)測。

圖10 回填土沉降實(shí)測曲線與拋物線擬合圖

4.1.3 雙曲線模型沉降預(yù)測

選擇線路中線沉降量較大的測點(diǎn)BM2行沉降預(yù)測，以該測點(diǎn)的預(yù)測沉降量代表回填體表層整體沉降。

圖11 回填土沉降實(shí)測曲線與雙曲線擬合圖

R=0.99，符合QCR 9230—2016關(guān)于擬合度≥0.92的要求，可以進(jìn)行回填體沉降預(yù)測。

4.1.4 各沉降模型對比

指數(shù)法、拋物線法和雙曲線法沉降預(yù)測模型的沉降預(yù)測結(jié)果見表1，通過預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種預(yù)測方法均證明巨型溶洞主洞中線測點(diǎn)BM2表層沉降在運(yùn)營100 a后仍滿足施工及運(yùn)營要求。

由表1可看出，指數(shù)曲線模型預(yù)測的沉降值相對最小，且5 a之后沉降量穩(wěn)定不再增長，基本符合現(xiàn)有理論規(guī)律；拋物線曲線模型預(yù)測的沉降值相對最大，但直至100 a后都沒有明顯收斂趨勢，說明與實(shí)際不符；雙曲線模型預(yù)測的沉降值前期低于指數(shù)模型結(jié)果，后期大于指數(shù)模型結(jié)果，且緩慢增長，基本符合沉降規(guī)律。

表1 測點(diǎn)BM5預(yù)測結(jié)果對比表/mm

4.2 考慮注漿加固的雙指數(shù)沉降預(yù)測模型分析

通過3種沉降模型分析對比，現(xiàn)有沉降預(yù)測模型均沒有考慮注漿減沉，從而沉降預(yù)測值偏大。為了準(zhǔn)確預(yù)測巨型溶洞超厚回填體沉降，基于分層沉降曲線規(guī)律，在指數(shù)模型基礎(chǔ)上考慮注漿減沉作用，提出一種雙指數(shù)曲線模型，并根據(jù)已有的沉降數(shù)據(jù)對其驗(yàn)證分析。

傳統(tǒng)指數(shù)法預(yù)測模型表達(dá)式由式(5)表示為

式中a′、b′、k為沉降擬合參數(shù)。

由于加入了注漿，需考慮注漿減沉作用，以此為依據(jù)完善傳統(tǒng)指數(shù)法，修正后雙指數(shù)模型表達(dá)式由式(6)表示為

式中A0、A1、B1為沉降曲線擬合參數(shù)；a″為注漿減沉對沉降量的控制效果；b″為注漿減沉對沉降時間的控制效果。

為證明雙指數(shù)曲線模型的適用性，根據(jù)已有FQ3測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。由圖8可知，F(xiàn)Q3設(shè)置的測點(diǎn)中，埋深在5～25 m之間的是經(jīng)過注漿的回填體范圍內(nèi)，埋深在25～45 m之間的是沒有經(jīng)過注漿的回填體范圍內(nèi)，取這兩層的沉降量觀測數(shù)據(jù)，再基于該數(shù)據(jù)將經(jīng)過注漿減沉及未經(jīng)過注漿減沉的回填體沉降量用考慮注漿作用的雙指數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖12所示。

圖12 FQ3測點(diǎn)回填體沉降曲線圖

經(jīng)過計(jì)算對比分析，雙指數(shù)曲線模型可以很好的預(yù)測經(jīng)過注漿減沉的回填體沉降，將雙指數(shù)曲線模型預(yù)測結(jié)果列于表2，可發(fā)現(xiàn)因?yàn)殡p指數(shù)曲線模型考慮過注漿減沉的作用，預(yù)測值與實(shí)測值誤差甚小，經(jīng)雙指數(shù)模型計(jì)算，最終表層沉降量為246.79 mm，其中施工階段為227.68 mm，隧道閉合后為19.11 mm，小于隧道結(jié)構(gòu)預(yù)留凈空500 mm。

表2 測點(diǎn)FQ3預(yù)測結(jié)果表

為預(yù)防超厚回填體的工后沉降影響隧道的安全運(yùn)營，在洞砟回填時就采用了振動碾壓和上部注漿等減沉手段。每回填洞砟3～5 m厚就立馬攤平、振動碾壓一次。由于回填量巨大，考慮到下部回填體因受上部土壓已比較密實(shí)，且工后沉降以蠕變沉降為主，沉降量較??；所以沒有實(shí)施回填體全部注漿加固，僅對上部回填體進(jìn)行注漿加固。沉降監(jiān)測表明，采用“洞砟回填+上部注漿加固”處置方案回填體沉降合理可控，技術(shù)合理可靠。

5 結(jié)論

由以上研究可知:

(1)超厚回填體自身重力和上部新增施工荷載是引起超厚回填體沉降的主要因素，而各層的沉降量又不盡相同:回填體注漿不充分層、回填體未注漿層和巖溶堆積體表層是產(chǎn)生沉降的主要區(qū)域；而摻5%級配碎石層、回填體注漿層和深部堆積體產(chǎn)生的沉降較??；超厚回填體的沉降與施工完成后自身蠕變沉降相關(guān)性甚小。

(2)埋深0～-17 m范圍內(nèi)是摻5%級配碎石層和注漿洞砟層，該分層回填體沉降較少，說明注漿可有效減少沉降；埋深-17～-27 m范圍內(nèi)是洞砟注漿層的下部以及相鄰的未注漿層頂部，該分層回填體沉降較大，主要是因?yàn)樽{不足；埋深-27～-47 m范圍內(nèi)是洞砟未注漿層的頂部，沉降最大。

(3)已有沉降預(yù)測模型如指數(shù)模型、拋物線模型和雙曲線模型均沒有考慮注漿加固對沉降規(guī)律的影響，導(dǎo)致沉降預(yù)測值過大?；诜謱映两登€規(guī)律和傳統(tǒng)指數(shù)模型，考慮注漿減沉作用，提出適用于巨型溶洞超厚回填體的雙指數(shù)曲線沉降預(yù)測模型，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證分析可知，雙指數(shù)曲線模型可以很好的預(yù)測經(jīng)過注漿減沉的回填體沉降。