孫 頤，蔡 義

（1、湖北交投建設集團有限公司 武漢 430070；2、湖北交投建設集團有限公司橋隧分公司 武漢 430070；3、湖北交投建設集團有限公司技術研發(fā)（信息）中心 武漢 430070）

0 引言

隨著西部地區(qū)隧道建設逐漸增多，溶洞區(qū)隧道施工引起的安全問題越來越引起廣大學者的關注［1-3］。溶洞的存在造成嚴重的圍巖穩(wěn)定性，尤其是隧道穿越大型溶洞群時，如果處理不好，極易誘發(fā)坍塌等施工安全問題。因此，研究穿越溶洞區(qū)隧道安全施工與處置方法的研究具有重要意義。

關于隧道穿越溶洞區(qū)施工安全問題的研究，目前國內(nèi)外研究學者主要從數(shù)值模擬和模型試驗兩方面展開了初步研究，并且取得了一定的研究成果。龍禹［4］依托于玉京山隧道實際工程，針對隧址區(qū)域瓦斯、巖溶和暗河等不良地質情況高發(fā)的特點，提出了“移改暗河、充填空腔溶洞+洞頂施加支護+巨型溶洞連續(xù)梁橋跨越”的綜合處理方式，長期監(jiān)測結果表明提出的綜合處置措施能夠切實保障復雜地質區(qū)隧道結構的安全性；王軍等人［5］利用相似模型試驗（相似比1∶5）的方法研究了巨型溶洞超厚回填體，試驗研究表明采用回填、注漿的綜合處置方式，并采用3 m厚的鋼筋混凝土路基板進行隔振處置能夠有效避免振動荷載引起的沉降。于麗［6］結合Hawker Brown強度準則和極限分析理論，建立了深埋巖溶隧道在上覆巖洞條件下的坍塌機制，并給出了不同條件下的隧道坍塌形狀，結果表明，上伏溶洞與隧道之間的高度H越大施工越安全；劉偉等人［7］通過正演實驗的方法再現(xiàn)了地質雷達分辨掌子面前方溶洞填充物的分析過程，利用雷達圖像的不同動力學特征確定大型溶洞的幾何、位置和填充物等特征；何翊武等人［8］基于溫克爾彈性地基梁理論，對下伏溶洞地層隧道結構進行了簡化理論分析，分析溶洞尺寸及溶洞距隧道頂部距離對隧道塌落的影響；李志義等人［9］以宜萬鐵路齊岳山隧道為依托，利用數(shù)值模擬對掌子面前方不同規(guī)模溶洞誘發(fā)施工災變機理進行了系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)圍巖破壞規(guī)律與掌子面距溶洞間距密切相關，并對其影響機理給出了系統(tǒng)性分析；王薇等人［10］在既有研究的基礎上，考慮了下伏溶洞對襯砌結構的影響，基于Pasternak彈性地基梁理論建立了下伏溶洞條件下襯砌結構力學解析模型，獲得了結構在溶洞界面出存在顯著的彎矩反彎點，溶洞填充物越軟弱對襯砌結構的受力越不利；方勇等人［11-13］依托某三車道公路隧道實際工程，基于模型試驗針對降雨引起的溶洞內(nèi)壓增大對隧道施工安全的影響展開了系統(tǒng)研究。研究結果表明在靠近帶壓溶洞的位置，溶洞內(nèi)壓將造成隧道變形、受力等響應的增大，并且距離越小該影響越大。此外，溶洞的存在將造成隧道支護結構受力不均現(xiàn)象。黃明利［14］提出來一種將隧道外水壓轉化為內(nèi)水壓的研究方法，據(jù)此建立了新型襯砌抗水壓試驗方法，驗證了穿越高水壓溶洞地層時襯砌結構的承載能力。

綜上可知，既有關于穿越溶洞隧道施工安全問題的研究主要關注于下伏溶洞對結構的影響，并且對于巨型等溶洞處理的研究相對有限。為此，本研究基于恩施來鳳縣某隧道，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段對隧道側穿巨型溶洞施工過程中的安全問題進行研究。

1 工程背景

擬建隧道位于恩施來鳳縣三胡鄉(xiāng)，設計為分離式隧道（見圖1）。隧道走向由297°至304°逐漸變化。左線起訖樁號ZK19+630～ZK22+350，長2 720 m；右線起訖樁號YK19+660～YK22+395，長2 735 m。最大埋深218 m。隧道進、出口均位于直線上，進、出口縱坡均為2.00%。進洞口洞門擬采用端墻式，出洞口洞門擬采用端墻式。隧道出口右線掌子面（YK22+256）實際揭露圍巖為中風化灰?guī)r夾頁巖，巖體呈塊狀結構，呈深灰色、局部土黃色，巖體較完整，屬較堅硬巖。巖塊錘擊聲清脆，稍震手，較難擊碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面整體較干燥，圍巖自穩(wěn)性一般。

當掌子面開挖至YK22+200 處，隧道線路右側揭露一處溶洞，溶洞呈近似漏斗狀，豎向發(fā)育，上小下大，走向與隧道路面豎向垂直，經(jīng)現(xiàn)場測量上口截面直徑約7.6 m，采用測繩實測深度約145 m（見圖2）。經(jīng)測量，沿隧道縱向側面有約7.8 m 范圍侵入隧道洞身，侵限最大約1.2 m。通過現(xiàn)場觀測，溶洞腔壁附著黃泥、腔內(nèi)有滴水、淋雨狀流水，水量大小隨降雨量而變化，溶洞腔壁上部表面光滑，下部較為破碎。經(jīng)觀察溶洞上方有小股狀流水往下泄流，雨停，水量變小，呈滴水狀。該段超前地質預報和底板巖溶探測結果，推斷YK22+200～YK22+170段為中風化灰?guī)r，塊狀-塊碎狀結構，節(jié)理裂隙較發(fā)育，雨季可能有滲水或滴水現(xiàn)象，夾泥，自穩(wěn)性較差，其中YK22+197～YK22+195段推測存在巖溶發(fā)育；YK22+203～YK22+231 段隧底深度10 m 范圍未見影響其穩(wěn)定性的大型巖溶空腔。當掌子面開挖至YK22+195處時，隧道拱頂揭露溶洞，目測溶腔沿隧道橫向發(fā)育，與YK22+200 處揭露的溶洞連接，與YK22+200 溶洞呈“Y”字型相交，已揭露的溶腔縱向長度約8 m，里程約為YK22+198～YK22+190，豎向高度約為11 m，溶腔與隧道拱頂之間巖石厚度約1 m，溶洞腔壁附著黃泥、巖石較為破碎，腔內(nèi)有滴水、溶腔中部和頂部各夾有一塊大孤石，孤石直徑約3 m。當掌子面開挖至YK22+190處時，于2021年7月14日拱頂揭露溶洞繼續(xù)向前方發(fā)育，其延伸長度約為7 m，里程約為YK22+190～YK22+183，隧道線路左側拱頂揭露溶洞，溶腔沿隧道橫向與拱頂溶洞相連，豎向高度約18 m，橫向寬度約8 m，縱向長度約10 m。溶洞腔壁附著黃泥、巖石較為破碎，腔內(nèi)有積水（見圖3）。

圖2 溶洞截面橫斷面及平面Fig.2 Cross and Longitudinal Section of Cavern

圖3 現(xiàn)場揭示溶洞Fig.3 Cavern on the Side

2 巨型溶洞處置方法研究

2.1 溶洞處置方案比選

根據(jù)現(xiàn)場溶洞尺寸、位置、巖體特征等實際工程情況，文章提出改線饒避、內(nèi)部橋梁跨越、溶洞回填等3 種處置方法，并從安全性、工藝復雜程度和經(jīng)濟學角度對3 種不同處置方法進行了全方位的對比分析。

3種處置方法的具體內(nèi)容如下：

⑴方案1：改線方案。小幅度改變線路，使線路向右側繞行，避開巨型溶洞。

⑵方案2：溶洞內(nèi)部橋梁跨越。溶洞上部設置簡支梁橋或上承式空腹拱橋跨越。

⑶方案3：溶洞回填處置。溶洞使用透水性材料回填；泵送C15 混凝注漿；增強支護結構參數(shù)，設置排水設施增強排水效果。

顯然，上述3 種處置方法各有優(yōu)劣。改線方案可以避免跨越溶洞，但存在地形條件復雜，工程建設風險大，耗費嚴重等缺點。并且線路穿過溶洞高發(fā)區(qū)，在接下來的施工過程中無法避免再次穿越溶洞情況，將造成施工過程中多次改線，耗費巨大經(jīng)濟代價，廢棄工程量較多等問題。溶洞內(nèi)部橋梁跨越可以避免回填方案中的巨大空腔回填工程量，但對橋梁基礎的承載能力要求較高，并且內(nèi)部空間狹小，施工難度大，對圍巖穩(wěn)定性與施工人員的安全性都是巨大的威脅。溶洞回填處置方法利用透水性回填體減小溶洞空間，能夠為隧道支護結構提供支撐，施工工藝簡單直接，能夠顯著縮短工期。在安全性和經(jīng)濟性等方面方案3 較其他兩種方案具有顯著優(yōu)勢。經(jīng)過綜合比選，最終選擇方案3作為現(xiàn)場處置方案。

2.2 溶洞處置方案實施

具體施工工序如下：

⑴溶洞底部至隧道底板標高范圍內(nèi)（145 m）采用隧道開挖洞渣透水性材料進行回填，并豎向埋設3×φ30 cm雙壁打孔PE管（長20 m）；

⑵溶洞范圍內(nèi)沿隧道初支外側布設3道φ30 cm波紋管至拱頂，縱向間距2 m/道，下口與已埋設的3×φ30 cm雙壁打孔PE管連接，雙壁打孔PE管四周采用沙袋碼砌，在洞身初支施工后，從邊墻往拱頂分次泵送C15 混凝土，拱頂C15 混凝土最小厚度為2 m，布設的3道φ30 cm波紋管管口較拱頂混凝土高0.5 m，其波紋管和沙袋碼砌形成的通道作為過水通道（見圖4）；

圖4 溶洞處置方案示意圖Fig.4 Disposal Programs of Cavern

⑶ YK22+207～YK22+180 段（27 m）原支護參數(shù)由Z3 變更為Z5a（見圖5），其初期支護中工字鋼之間的φ22 連接筋調(diào)整為I14 工字鋼，環(huán)向間距1.0 m；初支增設環(huán)向排水管，排水管間距為3 m/道，與隧道兩側縱向排水管連接。

圖5 Z5a型支護結構Fig.5 Section of Z5a Lining Structure （mm）

現(xiàn)場注意事項：①加強超前地質預報、超前炮孔與監(jiān)控量測工作，做好安全技術交底，安排專職安全、技術員負責現(xiàn)場管理，嚴格控制開挖進尺；②制定回填洞渣和混凝土的安全措施，確保施工安全；施工、監(jiān)理單位做好相關驗收記錄工作。

3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬研究

為了進一步研究本文提出的巨型溶洞處置方法的適用性和有效性，文章基于ABAQUS 數(shù)值軟件對現(xiàn)場實際施工過程進行了模擬分析。模型尺寸為200 m（長）×200 m（高）×100 m（寬），圍巖采用摩爾庫倫模型，襯砌采用彈性模型。根據(jù)勘察資料，圍巖、襯砌和回填材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬材料物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameter of the Material

回填處理前后襯砌結構變形和受力情況如圖6～圖7所示。

圖6 溶洞未處置時襯砌結構變形情況Fig.6 Deformation of Lining before Cavern Disposed

圖7 溶洞處置后襯砌結構變形情況Fig.7 Deformation of Lining after Cavern Disposed

從圖6 和圖7 可以看出，溶洞隧道一側巨型溶洞的存在造成結構存在顯著的偏壓問題，同時，支護結構頂部和左側的巨型溶腔造成結構約束缺失，變形顯著增大，尤其是襯砌結構左側的水平變形大約是右側邊墻位置水平變形的4 倍，說明襯砌結構向左側溶洞隆起變形嚴重。經(jīng)過溶洞回填處置后，結構變形受到周圍巖體的閉合約束，左右兩側邊墻的水平變形顯著縮小，拱頂沉降也降低至未處置時的1/3 左右。整體而言結構變形呈現(xiàn)出對稱分布的特征，而且結構整體變形顯著縮小。溶洞處置前后襯砌結構的最大主應力云圖如圖8 所示。溶洞處置前，襯砌結構最大主應力出現(xiàn)在拱頂左側，這主要是由于襯砌左側存在一個巨型空洞，在右側圍巖壓力大作用下，襯砌存在向左側溶洞變形的整體趨勢。溶洞處置后，襯砌結構的受力呈對稱分布特點，結構的最大主應力顯著降低。

圖8 溶洞處置前后襯砌結構受力情況Fig.8 Stress Distribution of the Lining

4 現(xiàn)場監(jiān)測研究

為了保證施工安全、驗證所提出的溶洞處置措施的合理性，施工過程中對結構的變形情況進行了長期監(jiān)測，主要監(jiān)測項目包括拱頂下沉和周邊收斂情況。施工過程中襯砌結構變形的現(xiàn)場監(jiān)測結果如圖9 所示?？梢钥闯?，隧道襯砌結構的變形過程呈現(xiàn)出前期快速增長，后期增長速度逐漸放緩，最后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。結構變形穩(wěn)定后，拱頂沉降值約為9.0 mm，并且結構整體變形整體呈對稱分布，14 d 后結構變形速度基本維持在0 mm/d 左右，說明變形呈穩(wěn)定狀態(tài)，回填方案的處置效果良好，結構變形可控。

5 結論

⑴文章提出了隧道側穿溶洞的改線、橋梁和回填等3種處置方案，從處置方法的安全性、復雜程度和經(jīng)濟型的角度對多種處置方式進行了比選研究，確定了“回填+注漿”的綜合處置方法。

⑵隧道側方溶洞造成的襯砌結構受力不均勻以及約束不閉合是威脅結構安全的主要原因。溶洞的存在造成結構承受顯著的偏壓荷載，右側圍巖壓力導致結構向左側溶洞發(fā)生變形。溶洞回填后，襯砌結構變形和受力均呈對稱分布特征，結構的最大主應力顯著降低。

⑶現(xiàn)場監(jiān)測結果顯示，溶洞回填后結構變形呈現(xiàn)出前期快速增長，后期逐漸趨于穩(wěn)定的變形規(guī)律，整體呈對稱分布，說明本文提出的“回填+注漿”的綜合處置方法處置效果良好。