劉定清 謝 沃 賈艷領(lǐng)

（1.廣西壯族自治區(qū)高速公路發(fā)展中心，廣西南寧 530007；2.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心，廣西南寧 530007；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

近年來(lái)廣西交通建設(shè)發(fā)展迅猛，未來(lái)致力于打造“1 環(huán)12 縱13 橫23 聯(lián)”的總體規(guī)劃格局，公路建成和規(guī)劃建設(shè)總規(guī)模達(dá)到15200 公里。廣西作為國(guó)內(nèi)巖溶地貌分布廣泛的省份之一，大規(guī)模的公路建設(shè)將出現(xiàn)較多的巖溶區(qū)隧道。在地質(zhì)復(fù)雜的巖溶區(qū)，巖溶災(zāi)害不僅影響項(xiàng)目進(jìn)度，甚至可能出現(xiàn)人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，巖溶區(qū)隧道穩(wěn)定性分析一直受到廣泛關(guān)注。史世雍等[1]、王 勇等[2]、賴(lài)金星等[3]通過(guò)建立有限元模型，研究了溶洞空間分布對(duì)隧道穩(wěn)定性影響規(guī)律。張成平等[4]、苗德海等[5]結(jié)合實(shí)際工程案例，分析了隧道穿越充填型溶洞的力學(xué)行為及處治機(jī)理。孫國(guó)慶等[6]、趙玉龍[7]、馬 濤[8]研究了富水溶洞綜合處治技術(shù)。曹校勇等[9]、劉同江[10]則針對(duì)大型干溶洞進(jìn)行了研究，總結(jié)了溶洞回填處置技術(shù)。王 建等[11]通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行巖溶地質(zhì)調(diào)查，總結(jié)了巖溶區(qū)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及應(yīng)對(duì)措施。張美聰[12]結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道項(xiàng)目，提出了紅黏土巖溶隧道處理措施。由于溶洞發(fā)育形狀各異，隧道穿越時(shí)受力特征及變形規(guī)律也不同。對(duì)于垂直發(fā)育充填型溶洞，巖溶垂直發(fā)育程度較高，規(guī)模較大，隧道穿越時(shí)變形控制難度大，風(fēng)險(xiǎn)性高，處治不當(dāng)則極易突泥涌水，誘發(fā)地表冒頂沉陷。

以廣西巖溶區(qū)某高速公路隧道為工程依托，分析垂直發(fā)育半干充填型溶洞冒頂處治措施，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)效果。在案例基礎(chǔ)上，運(yùn)用控制變量法研究幾個(gè)處治措施因子對(duì)隧道穩(wěn)定影響程度。相關(guān)研究成果對(duì)類(lèi)似巖溶隧道工程處治設(shè)計(jì)施工有一定借鑒意義。

1 工程概況

吾排隧道位于廣西來(lái)賓市忻城縣果遂鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道長(zhǎng)1620 m，為設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h 的雙向四車(chē)道高速公路隧道。隧道斷面矢跨比0.5，高跨比0.764，設(shè)計(jì)最大開(kāi)挖寬度14.42 m，最大開(kāi)挖高度11.02 m，開(kāi)挖面積131.42 m2。隧道開(kāi)挖至K72+645 上臺(tái)階掌子面時(shí)，掌子面出現(xiàn)塌方并誘發(fā)了地表塌陷。塌陷處隧道埋深約95 m，塌陷坑直徑約為20 m，深約15 m，累計(jì)塌方量約4700 m3，此次巖溶災(zāi)害造成了已施做初支變形扭曲破壞、工程設(shè)備損壞、工程投資增加、建設(shè)工期延誤、地表附近道路中斷等多方面不利影響。塌陷坑俯視圖及充填溶洞示意圖如圖1 所示。

2 災(zāi)害處治設(shè)計(jì)

分析隧道地層結(jié)構(gòu)可知，地層下伏中等風(fēng)化含燧石灰?guī)r，上覆一定厚度黏土層，塌陷處隧道正上方發(fā)育充填型溶洞。下方隧道開(kāi)挖擾動(dòng)溶洞內(nèi)部充填物，地層未能形成土拱效應(yīng)而出現(xiàn)失穩(wěn)。隧道頂部溶洞充填物沿溶腔垂直向下變形運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致地表成井狀塌陷。處治方案設(shè)計(jì)長(zhǎng)管棚超前注漿改變隧道周邊土體特性，在隧道外側(cè)形成保護(hù)硬殼以承擔(dān)隧道開(kāi)挖后頂部溶積物自重。由于隧道頂部松散土體自重較大，支護(hù)設(shè)計(jì)采用雙層初支增加抗力以減少隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。處治設(shè)計(jì)本著總體適當(dāng)加強(qiáng)原則，制定了如圖2 所示災(zāi)害處治方案：

圖2 處治方案設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

（1）超前支護(hù)：φ108×6 mm 超前大管棚+φ42×4 mm超前小導(dǎo)管注漿加固。

（2）初期支護(hù)：雙層20b 工字鋼+φ8 鋼筋網(wǎng)+C25 噴射混凝土+φ42 徑向注漿小導(dǎo)管+φ108×6 mm 鎖腳鋼管。

（3）二次襯砌：C30 鋼筋混凝土，襯砌厚度50 cm。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)隧道所處樁號(hào)段落和隧道變形影響范圍，選取三維模型尺寸為120 m×70 m×150 m（長(zhǎng)×寬×高）。三維模型中溶洞、表層風(fēng)化土、下層硬質(zhì)灰?guī)r均采用實(shí)體單元模擬，隧道初支采用殼單元模擬，系統(tǒng)錨桿采用植入式桁架單元模擬。建立模型單元如圖3 所示，隧道特征點(diǎn)如圖4 所示。

圖3 三維模型圖

圖4 隧道斷面特征點(diǎn)示意圖

模型邊界條件：除地表邊界Z=90 m 為自由面外，其他五個(gè)邊界X=-60 m，X=60 m，Y=0 m，Y=70 m，Z=-60 m 均為固定端約束。

模型基本假定：①巖土體本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫(kù)侖彈塑性模型，殼單元為彈性結(jié)構(gòu)，錨桿本構(gòu)關(guān)系為線(xiàn)彈性模型；②隧道處于地下水位線(xiàn)以上，因此不考慮地下水影響；③整個(gè)模型各地層呈水平分布。

由地質(zhì)勘察報(bào)告可知，隧道圍巖為中等風(fēng)化含燧石灰?guī)r，巖體呈中-厚層狀構(gòu)造，巖溶強(qiáng)發(fā)育，巖體較破碎?；鶐r上部覆蓋黏土層，隧道頂板發(fā)育溶洞，充填可塑-軟塑狀黏土，內(nèi)含孤石。隧道位于穩(wěn)定地下水位以上，呈潮濕或點(diǎn)滴狀出水為主，局部可能出現(xiàn)涌流狀出水或呈淋雨?duì)畛鏊苑€(wěn)能力差，可能產(chǎn)生突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害。各地層及襯砌結(jié)構(gòu)物理參數(shù)如表1 所示。

表1 物理性質(zhì)參數(shù)

3.2 工序模擬

三維模型先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，重置速度、位移、塑性區(qū)后進(jìn)行隧道開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算。模型采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖模擬，開(kāi)挖與支護(hù)同步進(jìn)行，每循環(huán)上臺(tái)階與前一循環(huán)下臺(tái)階同步開(kāi)挖支護(hù)，系統(tǒng)錨桿延后一個(gè)循環(huán)打設(shè)。模型共分七個(gè)施工步驟完成區(qū)段開(kāi)挖支護(hù)，如表2 所示。

表2 模擬施工工序

3.3 結(jié)果分析

（1）圍巖變形特征分析

選取溶洞區(qū)段中部典型隧道斷面中部拱頂、仰拱和左右兩側(cè)拱腰圍巖變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。提取模型計(jì)算結(jié)果，整理各開(kāi)挖工序完成后特征點(diǎn)位移累計(jì)曲線(xiàn)如圖5 所示。

隧道開(kāi)挖初期，隧道側(cè)壁圍巖位移特征點(diǎn)變形較??；隨著溶洞區(qū)段開(kāi)挖，拱頂位移產(chǎn)生突變，而其他三處觀(guān)測(cè)點(diǎn)變化則較為平緩；隧道開(kāi)挖通過(guò)溶洞區(qū)段后，隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定。隧道周邊圍巖拱頂處最大變形為19.5 mm，拱腰最大變形為2.9 mm。由于巖溶充填物與溶洞側(cè)壁灰?guī)r物理特性差異較大，周邊圍巖變形規(guī)律則不同于隧道穿越均勻地層。地質(zhì)相對(duì)較好的溶洞側(cè)壁灰?guī)r一定程度限制圍巖的變形，從而致使隧道在溶洞段變形以拱頂拱底為主。拱頂受上部充填物自重作用，變形則更為明顯。

（2）初支內(nèi)力特征分析

隨著隧道開(kāi)挖初支施作，初支內(nèi)力也在逐漸發(fā)生變化。各開(kāi)挖工序完成后，提取初支X、Y、XY 方向的最大彎矩值，整理可得到初支時(shí)間-彎矩曲線(xiàn)如圖6 所示；提取初支最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力進(jìn)行整理，可得到時(shí)間-應(yīng)力曲線(xiàn)如圖7 所示。

圖6 工況-初支彎矩曲線(xiàn)

圖7 工況-初支應(yīng)力曲線(xiàn)

隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，初支的最大彎矩及應(yīng)力也逐漸增大。彎矩在步驟二、步驟三節(jié)段增長(zhǎng)較快，之后趨于穩(wěn)定。最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力在開(kāi)挖全過(guò)程發(fā)展較為均勻，在步驟二階段開(kāi)挖接近溶洞區(qū)段時(shí)，最大主應(yīng)力明顯增大。內(nèi)力變化趨于穩(wěn)定后，初支最大彎矩值為430.8 kN·m，最大主應(yīng)力為16107.12 kN/m2，最小主應(yīng)力為-18714.43 kN/m2，最大剪應(yīng)力為8799.02 kN/m2。分析模型的變形及內(nèi)力最大位置均在圍巖溶洞區(qū)段拱頂，因此對(duì)該區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果分析

隧道塌方冒頂災(zāi)害處治完成后，對(duì)隧道拱頂沉降及拱腰水平收斂進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控測(cè)量，得到初期支護(hù)累計(jì)變形曲線(xiàn)如圖8 所示。分析可知，冒頂處治完成后隧道變形趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖時(shí)間跨度大，因而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控變形累計(jì)曲線(xiàn)較模型計(jì)算結(jié)果均勻平緩。對(duì)比模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可知，隧道初支變形總體趨勢(shì)一致，均隨著隧道開(kāi)挖支護(hù)往前推進(jìn)，變形逐漸增大然后趨于穩(wěn)定。隧道初支現(xiàn)場(chǎng)拱頂沉降累計(jì)量為29.5 mm，水平收斂累計(jì)值為24.9 mm，均小于方案設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。隧道整體變形可控穩(wěn)定，方案較為合理?，F(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)、鎖腳錨管施工均需要一定時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)隧道支護(hù)體系沒(méi)有完全形成。因此，累計(jì)拱頂沉降及累計(jì)拱腰收斂值現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)值均大于模型計(jì)算值。

圖8 處治后隧道初支累計(jì)變形曲線(xiàn)圖

4 災(zāi)變控制影響因子分析

以上述模型為基礎(chǔ)，通過(guò)控制參數(shù)變量，分別建立模型。如表3-表5 所示，通過(guò)控制實(shí)體單元參數(shù)以模擬溶積物密實(shí)程度和灰?guī)r圍巖等級(jí)；通過(guò)控制殼單元厚度模擬單雙層初支，單層初支厚度為0.26 m，雙層初支厚度為0.5 m；通過(guò)改變?nèi)芏吹撞繉?shí)體單元屬性模擬超前注漿效果。模型材料參數(shù)依據(jù)隧道地質(zhì)勘察報(bào)告及公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則，選取對(duì)變形最為敏感的初支拱頂沉降作為結(jié)果進(jìn)行分析。

表3 變形影響因子表

表4 填充物物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

表5 巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

4.1 超前注漿影響分析

對(duì)于垂直充填型溶洞，超前支護(hù)注漿有利于隧道控制初期圍巖變形。在模型計(jì)算過(guò)程中改變拱頂上3 m 厚度溶洞充填物特性，從而模擬超前支護(hù)注漿效果。提取初支拱頂單元累計(jì)豎向位移值，可得到有無(wú)超前管棚注漿層計(jì)算對(duì)比曲線(xiàn)如圖9 所示。

圖9 有無(wú)管棚超前注漿計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)

有管棚超前注漿加固時(shí)，溶洞段隧道初期支護(hù)拱頂最大沉降量為-22.9 mm；無(wú)管棚超前注漿加固時(shí)，溶洞段隧道初期支護(hù)拱頂最大沉降量為-30.7 mm。采取隧道超前注漿大管棚支護(hù)時(shí)，溶洞區(qū)段初支變形明顯小于未采用超前管棚時(shí)初支變形。因此可知，隧道超前管棚支護(hù)可有效控制溶洞充填物區(qū)段初支變形。

4.2 初支厚度影響分析

對(duì)溶洞圍巖軟弱段，可以通過(guò)提高抗力以抵抗隧道變形。對(duì)于垂直發(fā)育充填型溶洞，隨著隧道掘進(jìn)擾動(dòng)，巖溶堆積物下部抗力消失，巖溶堆積物與灰?guī)r無(wú)法形成有效土拱效應(yīng)，產(chǎn)生蠕動(dòng)的巖溶堆積物自重較大部分由隧道初支進(jìn)行承擔(dān)。因此，加強(qiáng)隧道初期支護(hù)是控制圍巖變形的方法之一。由圖10 模擬計(jì)算結(jié)果可知，采用單層初支時(shí)，溶洞段初支最大豎向位移為-38.8 mm；采用雙層初支時(shí)，溶洞段初支最大豎向位移為-22.9 mm。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，采用雙初支雖增加了造價(jià)和施工周期，但在控制隧道變形方面效果明顯，可有效保障隧道圍巖軟弱段施工安全。

圖10 單雙層初支計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)

4.3 地質(zhì)特性影響分析

當(dāng)溶腔周邊的灰?guī)r作為影響因子時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。當(dāng)基巖為Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，兩側(cè)非溶洞區(qū)段拱頂沉降為2.2 mm，中部溶洞段拱頂沉降為21.6 mm。當(dāng)基巖為Ⅴ級(jí)時(shí)，兩側(cè)非溶洞區(qū)段拱頂沉降為9.3 mm，中部溶洞段拱頂沉降為22.9 mm。兩種灰?guī)r非溶洞段拱頂沉降差值為7.1 mm，中部溶洞段拱頂沉降差值為1.3 mm。因此可發(fā)現(xiàn)，巖溶填充物類(lèi)型一致時(shí)，基巖圍巖等級(jí)的差異對(duì)溶洞軟弱區(qū)段變形影響較小。

圖11 Ⅲ級(jí)灰?guī)r與Ⅴ級(jí)灰?guī)r計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)

當(dāng)溶洞填充物為密實(shí)黏土?xí)r，隧道拱頂最大沉降計(jì)算結(jié)果為14.0 mm；當(dāng)溶腔填充物為松散碎石土?xí)r，隧道拱頂最大沉降計(jì)算結(jié)果為22.9 mm。由圖12分析溶洞區(qū)段計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)選擇溶腔填充物類(lèi)型及密實(shí)程度為變形因子時(shí)，中部區(qū)段樁號(hào)范圍拱頂沉降差異明顯。因此可知，溶洞充填物的類(lèi)型及密實(shí)程度對(duì)隧道變形影響較大，設(shè)計(jì)施工采取工程措施，改善溶洞充填物物理性質(zhì)可有效控制隧道變形。

圖12 松散與密實(shí)充填物計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)

4.4 小結(jié)

運(yùn)用控制變量法分析隧道穿越垂直充填型溶洞災(zāi)變控制影響因子，可得出以下結(jié)論：

（1）大管棚超前注漿加固，在隧道周邊形成保護(hù)硬殼，可較好控制隧道圍巖變形。

（2）采用雙層工字鋼增加支護(hù)抗力可直接承擔(dān)周邊松散充填物自重，有利于整體穩(wěn)定。

（3）由于充填物與灰?guī)r特性差異較大，灰?guī)r巖石質(zhì)量高低對(duì)隧道變形影響較小。

（4）溶洞充填物密實(shí)程度與隧道變形呈現(xiàn)正相關(guān)規(guī)律，充填物越松散則隧道變形越大。

5 結(jié)論

（1）垂直發(fā)育充填型溶洞段在隧道開(kāi)挖后并未形成土拱效應(yīng)，致使隧道在溶洞段變形以拱頂沉降為主。而隧道縱向變形則呈現(xiàn)溶洞區(qū)段變形大、非溶洞區(qū)段變形小的規(guī)律。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量測(cè)反饋結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果的隧道初支變形規(guī)律一致。隧道變形趨于穩(wěn)定且小于預(yù)留變形量，隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)正常，說(shuō)明災(zāi)變處治方案設(shè)計(jì)合理、安全、可靠。

（3）結(jié)合災(zāi)變控制影響因子分析可知，溶洞充填物的物理性質(zhì)對(duì)隧道變形影響較大，采用超前管棚注漿+雙層初期支護(hù)可直接有效控制圍巖變形。處治方案設(shè)計(jì)研究成果可供類(lèi)似工程參考。