向明清

(中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司 北京 100071)

1 引言

我國云貴川地區(qū)以及華南廣西、湖南等省份廣泛分布著喀斯特地貌，受長期地下水溶蝕和沖刷作用，在灰?guī)r巖體內(nèi)形成巖溶裂隙、溶腔甚至是大型溶洞[1-2]。當(dāng)溶洞與上覆土層連通后將充填巖土碎屑和地下水，給隧道工程的建設(shè)帶來極大的安全風(fēng)險，特別是拱頂存在隱伏溶洞時，隧道開挖前難以探明這些隱伏溶洞，導(dǎo)致其極易引發(fā)圍巖失穩(wěn)、塌方冒頂、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，因此研究拱頂隱伏充填巖溶的穩(wěn)定性受到諸多學(xué)者的關(guān)注[3]。

張睿[4]針對深埋巖溶洞穴內(nèi)充填水時的隧道開挖，采用功能突變理論對圍巖的破壞模式進行了研究，提出了新的溶洞坍塌機制理論；黃鑫等[5]基于屬性數(shù)學(xué)理論對隱伏溶洞失穩(wěn)指標進行評估，并應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)理論進行危險性分級；翁振奇[6]、李濤[7]、郭佳奇[8]等人則通過數(shù)值模擬手段對隱伏溶洞的破壞演變機制進行了研究；解華鋒[9]、陳禹成[10]等人則研究了注漿技術(shù)、錨桿加固等對隱伏巖溶的工程治理方法。

本文以井陘縣孫莊至三峪運輸?shù)缆饭こ棠习谆ㄋ淼缼r溶治理工程為背景，結(jié)合工程地質(zhì)條件，基于兩端固結(jié)梁理論建立力學(xué)分析模型，求解隱伏充填溶洞失穩(wěn)的最小安全厚度，分析了影響最小安全厚度的敏感參數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的隱伏充填溶洞施工治理措施。

2 工程背景

井陘縣孫莊至三峪運輸?shù)缆饭こ棠习谆ㄋ淼牢挥诰€縣三峪村西北約1.0 km低山上。隧道橫穿南北向低山，里程為K5+438～K6+275，全長837.0 m，隧道設(shè)計采用單體洞室，雙向二車道，隧洞凈寬11.20 m，高7.17 m，設(shè)計標高320.99～333.38 m，設(shè)計車速40 km/h。

場地位于太行山東麓低山地帶，地形、地貌較復(fù)雜，各種溝谷、陡坎及沖溝較發(fā)育。隧道穿越區(qū)所分布的地層主要為奧陶系馬家溝組石灰?guī)r及亮甲山組灰質(zhì)白云巖等。奧陶系馬家溝組石灰?guī)r較破碎～較完整，間夾鈣質(zhì)頁巖。巖層產(chǎn)狀188°8°，發(fā)育二組節(jié)理，一組產(chǎn)狀170°85°，密度2～3 條/m；一組產(chǎn)狀44°88°，密度2～4條/m。亮甲山組灰質(zhì)白云巖較破碎～較完整，局部含燧石結(jié)核，巖性較堅硬。巖層產(chǎn)狀202°11°，發(fā)育二組節(jié)理，一組產(chǎn)狀315°75°，密度2～3條/m；一組產(chǎn)狀60°85°，密度 2～4條/m。隧道的地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖

3 基于兩端固結(jié)梁力學(xué)模型的溶洞失穩(wěn)性分析

3.1 兩端固結(jié)梁力學(xué)模型的失穩(wěn)分析

隧道開挖后，拱頂與上部隱伏充填巖溶之間隔著一定厚度的灰?guī)r，在圍巖壓力以及充填巖溶內(nèi)水土壓力作用下，灰?guī)r可以理想化為受彎梁構(gòu)件，受力后發(fā)生彎曲撓度并積累彈性能，當(dāng)撓度值達到某一臨界值時，灰?guī)r的抗剪強度達到極限，便導(dǎo)致拱頂溶洞失穩(wěn)。在巖溶尺寸大小一定的情況下，當(dāng)上部隱伏充填巖溶離拱頂?shù)木嚯x越遠，即兩者之間的灰?guī)r厚度越大，灰?guī)r梁可提供的抗彎強度越大，因此溶洞達到穩(wěn)定的可能性越大，達到溶洞穩(wěn)定的最小灰?guī)r厚度為溶洞失穩(wěn)的安全厚度。

為定量地進行求解溶洞失穩(wěn)安全厚度，對溶洞隱伏充填溶洞進行理想化力學(xué)模型分析，取溶洞底部厚度為h的巖體作為巖石梁，長度L為溶洞在隧道縱向上的分布長度，寬度沿隧道的橫截面方向取為單位長度，梁邊界為兩端固定。力學(xué)分析模型的建立如圖2所示，梁上部受到的均布荷載p由3部分組成，分別是溶洞填充物的水土壓力、地應(yīng)力和灰?guī)r梁自重；梁下部受到的均布荷載q主要為初期支護的支撐力，可以為零；梁兩端受到地層的水平擠壓力N。

圖2 拱頂隱伏充填溶洞分析模型

對于兩端固結(jié)的灰?guī)r梁破壞臨界點，可以應(yīng)用彈性力學(xué)變分法進行求解。兩端固結(jié)梁在各種荷載作用下的總勢能如式(1)所示:

式中，Π為勢能函數(shù)；U為灰?guī)r的彈性應(yīng)變能；W1為水平方向力N作的功；W2為豎向方向力p和q作的功。

由材料力學(xué)彎曲梁理論，可知灰?guī)r的彈性應(yīng)變能為:

式中，E為灰?guī)r的彈性模量；I為灰?guī)r梁的抗彎慣性矩；s為圖2中x軸線上任意點的距離；f為梁的彎曲撓度，可由受彎梁的偏微分方程求得，如式(3)所示。

水平方向力N作的功W1為:

式中，δ為灰?guī)r梁水平方向的變形量。

垂直方向力作的功W2為:

式中，w為灰?guī)r梁跨中撓度。

整理式(1)～式(5)，可得:

對式(6)中的積分函數(shù)作泰勒式展開，并取式(3)的第一項次，可得:

式中，x為狀態(tài)變量；u、v分別為表征水平力和豎向方向力的控制變量。

可得勢能函數(shù)的標準化方程，如式(9):

利用式(9)可求得溶洞失穩(wěn)的分叉集方程，并聯(lián)合式(8)，得:

3.2 參數(shù)敏感性分析

由公式(11)可知，溶洞不失穩(wěn)的最小安全厚度h與參數(shù)p、q、E、L、N相關(guān)。為進一步研究各參數(shù)對溶洞失穩(wěn)的影響規(guī)律，選取灰?guī)r梁(反映溶洞的大小)長度L的變化范圍為0～12 m、圍巖及溶洞充填荷載p的變化范圍為0～1 200 kPa、圍巖彈性模量E的變化范圍為0.5～3.0 MPa、結(jié)構(gòu)支撐荷載q的變化范圍為150～400 kPa，水平向荷載N的變化范圍為250～500 kN，計算結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 灰?guī)r梁對最小安全厚度的影響

圖4 圍巖及溶洞充填荷載對最小安全厚度的影響

圖5 灰?guī)r彈性模量對最小安全厚度的影響

圖6 結(jié)構(gòu)支撐荷載梁對最小安全厚度的影響

圖7 水平向荷載對最小安全厚度的影響

從圖3中可以看出，在溶洞的直徑大小≤2.0 m時，溶洞的最小安全厚度變化不大；而當(dāng)溶洞的直徑＞2.0 m后，溶洞的最小安全厚度隨溶洞的直徑大小變化呈近線性相關(guān)。因此，在施工過程中，可以針對不同的隱伏充填溶洞尺寸，采取不同的整治措施。

從圖4中可以看出，溶洞不失穩(wěn)的最小安全厚度受溶腔內(nèi)充填水土壓力的影響顯著，在相同溶洞大小情況下，隨著充填物荷載的逐漸增加，最小安全厚度呈非線性增加。因此，在實際溶洞處理過程中，需將溶腔內(nèi)賦存的水土進行清除泄壓，然后再根據(jù)實際情況采取回填或其他加固措施。

從圖5中可以看出，溶洞不失穩(wěn)的最小安全厚度隨灰?guī)r彈性模量的增加而呈非線性降低，由于圍巖的彈性模量與其質(zhì)量等級、裂隙發(fā)育以及破碎程度等密切相關(guān)。一般而言，較完整～完整灰?guī)r的彈性模量在1.0 GPa左右，通過提高圍巖的彈性模量可以有效降低溶洞的最小安全厚度，達到事半功倍的效果。因此，工程實際中可以在巖溶周邊巖體進行注漿加固，填充裂隙，同時也對溶腔內(nèi)回填漿砌片石進行注漿加固，提高其彈性模量達到事半功倍的效果。

從圖6中可以看出，結(jié)構(gòu)的支撐荷載能顯著降低溶洞不失穩(wěn)的最小安全厚度，這是因為錨噴支護、鋼拱架等主動支護屬于有效工程措施。當(dāng)溶洞底板較薄時，為充填物不發(fā)生突涌，在隧道掘進中可采取預(yù)先支護，控制灰?guī)r板的位移和受力。

從圖7中可以看出，隨著水平向荷載的增加，隱伏充填溶洞的不失穩(wěn)最小安全厚度呈增加趨勢，但這種增加幅度相對于其他參數(shù)而言較小。

4 施工防治措施

根據(jù)前文的研究成果，南白花隧道拱頂隱伏充填溶洞治理工程采用預(yù)測預(yù)報手段對巖溶的大小、范圍、充填情況進行預(yù)測預(yù)報[11]，隨后按照溶洞的大小進行分類處置。

4.1 拱頂以上發(fā)育充填溶洞的預(yù)測預(yù)報

隧道穿越灰?guī)r地區(qū)時，拱頂以上隱伏充填溶洞在勘察階段難于探明，有可能通過裂隙與地表水系或者地下暗河等連通，可能有豐富的地下水，并賦存泥沙等巖土碎屑顆粒，引發(fā)突水、突泥現(xiàn)象[12]。對可能存在突水、突泥現(xiàn)象的施工段落，隧道掘進前運用地球物理方法(包括但不限于TSP法、探地雷達法)進行超前預(yù)報，對解譯存在異常段，采用鉆孔超前探測驗證，根據(jù)鉆孔出水量、出泥量進行處治。

超前鉆孔探測利用開挖鉆眼臺車進行施工，探測孔孔徑為76 mm，每次探孔段長30～50 m，超前鉆孔在距離預(yù)測突水位置前5～10 m進行，每個斷面2～3個超前探孔，詳細記錄出水點位置、水量、水壓等。

4.2 拱頂以上發(fā)育2 m以下充填小溶洞

從圖3中可知，對于拱頂隱伏充填溶洞可以按溶洞大小采取分級處理的措施。對隧道拱頂隱伏溶洞的發(fā)育尺寸小于2.0 m時，首先對溶腔內(nèi)填充物進行清除，隨后分次向腔體內(nèi)泵送C15混凝土回填，拱頂溶洞應(yīng)留設(shè)排水管。

當(dāng)施工中遇到巖溶水時，綜合采取截、堵、排、防措施進行治理，巖溶水水量不大時，優(yōu)先進行疏導(dǎo)；當(dāng)巖溶水量較大時，應(yīng)根據(jù)實際情況分別采用帷幕注漿、局部注漿等方式進行堵水，同時應(yīng)對施工可能引起水資源漏失程度作出評價。

4.3 拱頂以上發(fā)育2 m以上充填大溶洞

對于拱頂以上發(fā)育尺寸大于2.0 m的隱伏充填溶洞，可以采取綜合加固措施進行整治。首先在溶洞周圍先行施作超前支護進行溶洞隔離和支護，超前支護一般為超前小導(dǎo)管或大管棚。在隧道掘進穿越溶洞底部后，噴射10 cm厚的C20混凝土，然后施工 20b型鋼拱架和雙層φ8鋼筋網(wǎng)，最后噴射50 cm厚C20混凝土作為護拱，并設(shè)置3.0 m長φ20鎖腳錨桿，在護拱保護下再施工初期支護及二次襯砌，必要時在護拱上施作漿砌片石緩沖層。如圖8所示。

圖8 拱頂以上大溶洞處理措施

由于發(fā)育2 m以上拱頂隱伏充填溶洞在發(fā)生突水涌泥事故后，對工程的影響巨大。因此針對圖4～圖7中的研究成果，對施工段內(nèi)的5 m溶洞采取注漿加固、超前小導(dǎo)管或大管棚作為超前支護、鋼拱架等加固措施進行驗證，驗證方法為加固前后拱頂灰?guī)r的位移，驗證結(jié)果如圖9所示。

圖9 拱頂以上5 m大溶洞處理效果

從圖9中可以看出，在溶洞未加固階段，拱頂位移增速較大，而逐步施加工程措施后，溶洞的受力和變形得到有效改善，拱頂位移逐步收斂，在加固完成后一段時間，拱頂位移進入收斂穩(wěn)定階段，表明所采取的加固措施有效。

5 結(jié)論

以井陘縣孫莊至三峪運輸?shù)缆饭こ棠习谆ㄋ淼缼r溶治理工程為背景，基于兩端固結(jié)梁理論推導(dǎo)了隱伏充填溶洞失穩(wěn)的最小安全厚度和分析了其影響敏感參數(shù)，得出以下結(jié)論:

(1)基于兩端固結(jié)梁理論推導(dǎo)了出了拱頂隱伏充填溶洞不失穩(wěn)的最小安全厚度，如式(11)所示。

(2)隱伏充填巖溶失穩(wěn)的最小安全厚度受圍巖的彈性模量、巖溶的大小、圍巖及溶洞充填荷載、結(jié)構(gòu)支撐荷載的影響顯著，雖然水平向荷載的增加會導(dǎo)致最小安全厚度呈增加趨勢，但這種增加幅度相對于其他參數(shù)而言較小。

(3)根據(jù)各個參數(shù)對隱伏充填巖溶失穩(wěn)的最小安全厚度影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的預(yù)測預(yù)報方法和針對不同巖溶大小的治理措施，監(jiān)測結(jié)果表明加固完成后隧道拱頂?shù)淖冃问諗糠€(wěn)定，加固措施有效。