徐劍飛 梁睿斌 陳洪春

(江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

巖溶隧道不僅有一般隧道存在的風險，而且還有特殊的地質災害風險[1-3]。從兩個方面來分析：第一，裂隙水的存在大大降低了隧道圍巖的物理強度,使其在相同壓力強度下更容易破壞；第二，隧道受周邊溶洞的影響，各個部位的受力發(fā)生了極大變化,致使隧道在某些部位極易發(fā)生破壞。當隧道存在溶洞時，隧道受力不再對稱，支護結構也不再均勻受壓,局部存在高壓狀態(tài)，所以在這種情況下,隧道圍巖穩(wěn)定性難以保證,建成的隧道壽命也將減小。隧道在開挖爆破震動、機械影響下將產(chǎn)生變形。如果這種影響未及時處理，隧道穩(wěn)定性將降低，當位移超過極限位移時，這種變化將隨時帶來災害，如隧道塌方、突水突泥等，從而威脅施工人員的生命安全，影響施工進度[4]。目前，國內外許多學者大都結合工程實際,采用數(shù)值計算手段對巖溶隧道穩(wěn)定性進行專門研究[5-15]，但對中小隱伏溶洞的處理范圍與處理原則，尚未有較明確的技術方案和結論。

本文采用Flac3D軟件，從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，研究了不同大小和距離的溶洞對句容地下廠房圍巖穩(wěn)定性的影響，并研究已揭露溶洞的回填處理時機，預測了后續(xù)開挖過程中溶洞重點探查范圍，提出了切實可行的工程建議，為地質條件類似地下洞室工程提供參考。

1 已探明溶洞概況

句容地下廠房工程區(qū)域巖溶、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，巖溶腔(溶洞)往往沿著長大斷層或者長大裂隙分布，圖1為地下廠房在廠右0+94.5斷面開挖揭露的溶洞，溶洞內充填紅色黏土或棕黃色泥質物，溶蝕泥化物存留在巖容腔內，附近巖體往往伴生不同尺度的斷層及節(jié)理裂隙，使得隱伏溶洞及溶蝕裂隙帶四周巖體的強度總體較低，當發(fā)育距離地下廠房結構距離較近時，影響洞室圍巖的穩(wěn)定。由于工程現(xiàn)場巖脈及節(jié)理裂隙等結構面交錯復雜，部分結構面存在走向不同于洞段的變化特征，因此在開展溶洞影響分析時，可以結合具體問題分析需要，綜合考慮巖溶腔及伴生的巖脈及節(jié)理裂隙這些特性。圖2為地下廠房區(qū)溶洞及部分結構面三維空間示意圖，根據(jù)超聲物探結果以及現(xiàn)場錨桿鉆孔結果，在廠右0+94.5斷面和廠右0+120斷面廠房上游側第一層開挖底板高程附近發(fā)現(xiàn)了兩個直徑在3～5m之間的中小型溶洞，形狀為長橢圓形，長軸方向均與廠房軸線方向近似平行，距離廠房拱肩2～4m，溶洞底部高程尚未探明。

圖1 地下廠房開挖揭露的溶洞照片

圖2 地下廠房區(qū)溶洞及部分結構面三維空間示意圖

另外根據(jù)現(xiàn)場地質素描資料，整理了溶洞揭露的廠房洞段范圍內的小型節(jié)理裂隙，根據(jù)溶蝕巖脈fx4以及結構面f37走向，推測了廠房上游側邊墻的半確定性塊體以及可能存在隱伏溶洞的范圍，見圖3。在廠房后續(xù)層的開挖過程中，通過錨桿鉆孔可以探測是否存在溶洞以及溶洞范圍，及時制定處理方案，避免對廠房圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

圖3 地下廠房區(qū)溶洞洞段半確定性塊體以及溶洞可能存在范圍

2 溶洞處理范圍研究

針對潛在溶洞對地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響進行初步分析，建立二維數(shù)值計算概化模型，按Ⅲ類圍巖低值計算(f=0.9,C=0.8MPa)，并且不考慮系統(tǒng)支護加固效果和潛在溶洞與結構的空間關系。主要考慮了三種溶洞尺寸：1.5m、3m以及5m，分析溶洞尺寸與溶洞距廠房的距離對廠房圍巖的影響。

廠房圍巖完整，不存在潛伏溶洞影響時的塑性區(qū)分布見圖4。頂拱塑性區(qū)深度約4m，邊墻塑性區(qū)深度約11m，拱肩塑性區(qū)深度約3.5m。

圖4 完整廠房洞室開挖塑性區(qū)分布

不同位置3m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖5。頂拱3m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時，塑性區(qū)深度由4m增加到5.3m，溶洞周圍巖體塑性程度加深，塑性區(qū)集中分布在溶洞周圍巖體，對廠房圍巖穩(wěn)定性有不利影響；拱肩6m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時，溶洞周圍巖體的塑性區(qū)與廠方圍巖的塑性區(qū)連通；邊墻腰部9m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時，溶洞尚在廠房圍巖塑性區(qū)內，溶洞周圍巖體塑性程度加深，可能影響廠房邊墻腰部的圍巖強度。

圖5 不同位置1.5m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

不同位置3m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖6。頂拱6m處隱伏溶洞周圍巖體的塑性區(qū)連通了廠房頂拱圍巖塑性區(qū)，而9m處溶洞對廠房圍巖的塑性區(qū)無影響；拱肩9m處溶洞周圍巖體的塑性區(qū)以兩條貫通路徑的模式與廠方圍巖的塑性區(qū)連通，而12m處溶洞左側與下側的貫通路徑不再連通；邊墻腰部15m處溶洞周圍巖體的塑性區(qū)與廠方圍巖的塑性區(qū)以一條貫通路徑的模式連通，20m處溶洞右側塑性區(qū)貫通路徑消失。

不同位置5m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖7。相較于圖6，頂拱12m處的塑性區(qū)雖尚未連通但有一定的連通趨勢；拱肩處9m處塑性區(qū)的貫通路徑更寬，12m處溶洞右側和下側均出現(xiàn)了貫通路徑的趨勢；邊墻腰部20m處溶洞的塑性區(qū)也出現(xiàn)了貫通路徑。

圖6 不同位置3m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

圖7 不同位置5m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

根據(jù)上述分析，提出溶洞建議處理原則，見圖8。頂拱和拱肩的排查范圍錨桿鉆孔可覆蓋，邊墻的排查范圍可結合錨索鉆孔和探地雷達成果推測。確定溶洞位置后，結合斷層、巖脈及裂隙產(chǎn)狀等，分析溶洞成因，制定針對性的處理方案。對于小于1.5m洞徑的溶洞，除開挖揭露外建議不處理；對于1.5m≤D≤3m的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離3m、6m、9m范圍內進行處理；對于3m≤D≤5m的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離6m、9m、15m范圍內進行處理；對于5m≤D的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離8m、12m、20m范圍內進行處理。

圖8 地下廠房溶洞處理建議覆蓋范圍概化圖

3 處理措施

句容廠房已探明隱伏溶洞均充填密實黏土，僅依靠鉆孔水槍無法沖洗，須人工進行開挖后沖洗，因此，建議采取以下處理方案(見圖9)：

圖9 地下廠房溶洞處理措施方案示意圖

a.以最大可能減少對廠房施工影響為原則，從排水廊道或者廠房向隱伏溶洞開挖導洞。

b.挖機或人工清理完溶洞內充實黏土，用水槍將巖面清洗干凈。

c.C25混凝土回填，頂部回填灌漿。

d.在溶洞范圍內按3～5m間距增加無黏結錨索支護。

e.結合溶洞附近地質特征，采取數(shù)值計算等手段復核廠房圍巖穩(wěn)定性。

4 結 論

句容地下廠房圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，地質條件復雜，為了保證圍巖穩(wěn)定性，應對隱伏溶洞進行合理的探查并針對性地制定處理方案。本文根據(jù)已發(fā)現(xiàn)隱伏溶洞及溶洞附近巖脈及斷層產(chǎn)狀，推測廠房上游側邊墻第一層地板高程以下溶洞可能存在范圍，另外通過二維概化數(shù)值模型計算，給出了廠房整體溶洞處理的建議范圍，頂拱和拱肩溶洞的處理范圍錨桿鉆孔可覆蓋，邊墻處理范圍內的溶洞可結合錨索鉆孔和探地雷達成果推測確定，提出隱伏溶洞處理措施，供類似工程參考。