隧道拱顶溶洞处治及溶洞对隧道围岩稳定性影响分析

曹勇

(湖南路桥建设集团公司，湖南长沙410004)

1 岩溶概述

岩溶是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用与特征的综合地质作用，以及由此产生的现象统称。其表现形态主要有两个方面:①地表有石林、溶沟、溶槽、洼地、漏斗;②地下有溶洞、落水洞、塌陷和暗河等，见图1。某高速公路大部分隧道处于华夏地质构造体系，围岩以白云质灰岩、白云岩、粘土为主，岩溶发育，其主要特征是溶洞、溶槽、溶沟、裂隙、岩溶管道、岩溶水等均比较发育。在隧道施工过程中，碰到许多岩溶地质灾害的问题，给隧道的施工带来很大的困难。

图1 岩溶现象图

2 拱顶溶洞的处治

2.1 拱顶小型溶洞的处治

2.1.1 无充填物小型溶洞

如果在隧道拱顶发现小溶洞时(高度小于4 m)，且洞内无充填物，应先对洞穴四壁喷一层混凝土(厚10 cm左右)，并在溶洞内施做锚杆，锚杆深入围岩不小于1.0 m，间距1.2 m×1.2 m。在溶洞内预埋泵送混凝土管道，在初期支护完成之后，采用水泥砂浆或C10混凝土回填密实，见图2。

图2 无填充物小型溶洞的处治

2.1.2 有填充物小型溶洞

若在隧道拱顶发现小型充填型溶洞，应在溶洞段采取超前小导管注浆支护，超前小导管(长度为6 m)，注浆压力为1.5 MPa，隧道初期支护要加强，钢拱架间距为0.5 m/榀，见图3。

2.1.3 隐伏型岩溶洞穴

在隧道开挖过程中隐伏溶洞并没有暴露出来，但它对隧道结构及后期运行安全的稳定带来很大的隐患，常常会造成隧道衬砌开裂、地表塌陷等地质灾害。如果隐伏溶洞在隧道开挖轮廓线6 m范围内，那么就应对其进行注浆回填的措施。

图3 有填充物小型溶洞的处治

采用普通水泥砂浆，注浆终压为1.0～1.5 MPa，水灰比为:W∶C=0．6∶1～0．8∶1。注浆管为Ф42 mm焊接钢管，长度以隐伏岩溶深度为准。见图4。

图4 隧道隐伏溶洞处治

2.2 拱顶大型溶洞的处治

2.2.1 无填充大型溶洞的处治

1)混凝土护拱法。

当拱顶出现大型无充填物溶洞，且溶腔壁比较稳定时，可采用混凝土护拱法通过，护拱厚度1.5～2.0 m，且要求护拱两侧嵌入岩石内不小于0.5 m，并用锚杆锁脚，锚杆深入围岩不小于1.5 m，同时加强初期支护，施工时注意预埋Ф11 cm HDPE透水管并以Ω型排水管引出，如图5所示。

2)长管棚法。

当拱顶出现溶洞，溶腔围岩不稳定时，且溶洞高度大于20 m时，可考虑用长管棚通过。

具体处治方法为:①检查地表，用彩布遮盖溶洞所辖区域，并在溶洞周围施做截水沟，以防雨水进入溶洞。②施做Ф108 cm长管棚，环向间距40 cm，管棚长15～20 m。为防止溶洞壁掉块砸伤施工人员，建议在管棚上放沙袋。③初期支护的喷射混凝土加厚，如图6。

图5 护拱法

图6 长管棚法

2.2.2 有填充物大型溶洞的处治技术

大型填充型溶洞的处治，有地表注浆法、长管棚法、小导管法等方法。地表注浆法是在地表埋设注浆管并对溶洞进行注浆;长管棚法一般是在溶洞充填物没有自稳能力的情况下使用，在隧道开挖之前沿溶洞方向施做Φ108 mm钢花管并进行注浆;而小导管法通常是在溶洞充填物有一定的自稳能力的情况下使用，对充填物进行注浆加固。

1)地表预注浆法(隧道埋深较浅)。

如果隧道埋深较浅，可以通过地表注浆对地层进行加固，用普通水泥单液浆，注浆配比为:W∶C=0.6∶1～0.8∶1。进行地表注浆时要注意浆液扩散范围，防止对隧道周边的井泉、农田造成污染。地表注浆的压力一般控制在1.5～2.0 MPa。为了防止跑浆，在注浆范围内打一层厚度为15 cm的C20混凝土。注浆管外露1 m，间距1.5 m×1.5 m布置，长度应具体情况而定(注浆管至少要伸入溶洞内)。另外，溶洞段隧道初期支护应加强，钢拱架间距为0.5 m/每榀，如图7所示。

图7 地表注浆法处治溶洞

2)超前大管棚预注浆法。

如果大型溶洞内的充填物没有自稳能力，应采取超前大管棚进行支护并注浆，注浆加固范围为开挖轮廓线外5～8 m。大管棚直径为Φ108 mm，外插角1°～3°，长度应具体情况而定(至少要超过溶洞2 m)，环向间距0.3 m。对管棚进行注浆，浆液为水泥单液浆，水灰比为:W∶C=0.6∶1～0.8∶1，注浆终压为3.0～4.0 MPa。为了减小对围岩的扰动，隧道开挖方法为弧形导坑预留核心土上下台阶法。同时加强初期支护，且施工中注意预埋Φ 110 mm HPDE透水管并以Ω型排水管引出，如图8所示。

图8 长管棚法处治溶洞

3)超前小导管方案。

隧道拱部有大型充填型溶洞，且溶洞充填物有一定的自稳能力时，采用超前小导管进行支护并注浆。隧道开挖后，采用Φ42 cm小导管进行径向补浆，径向注浆加固范围为开挖轮廓线外3～6 m，施工中要预埋Φ11 cm HDPE透水管，如图9所示。

图9 小导管法处治溶洞

3 拱顶溶洞对隧道围岩稳定性影响研究

3.1 计算分析的内容

计算分析包含两个方面的内容:

1)溶洞大小的影响:溶洞简化为圆柱，溶洞直径用D表示，当D分别为4、6、8、10 m时，分析不同直径下拱顶溶洞对隧道围岩应力和位移的影响。

2)溶洞分布远近的影响:溶洞距拱顶距离用L表示，当L分别为1、2、3、4、5、6、7、8 m时，分析拱顶溶洞对隧道围岩应力和位移的影响。

3.2 计算模型与计算参数

以张花高速公路科洞隧道为例，采用FLAC3D数值计算软件进行计算。计算采用摩尔—库仑本构关系，摩尔应力圆见图10，摩尔—库伦准则的形式为:

图10 摩尔应力圆

式中:τ为极限抗剪强度;C为岩土的粘结力;σn为受剪面上的法向应力，以拉为正;φ为内摩擦角;R是摩尔应力圆半径。

若以不变量σ、J2、θσ来表示摩尔—库伦准则，得到:

边界条件为左右边界水平(X向)位移固定、前后边界纵向(Y向)位移固定、下边界垂直位移固定。隧道开挖方法为弧形导坑预留核心土上下台阶法。根据计算结果分析了拱顶溶洞尺寸对隧道围岩位移、应力的影响;拱顶溶洞离隧道的距离对隧道围岩位移、应力的影响，隧道围岩参数见表1。

表1 围岩参数表

3.3 隧道顶部岩溶对围岩应力、位移影响的数值分析

在数值计算中，采用FLAC3D数值计算软件进行建模，模型图和划分网格后的模型图分别见图11、图12。

图11 模型图

3.3.1 隧道围岩应力分析

当L不断增加时，隧道围岩竖向应力会发生变化，取隧道周边0.5 m厚的围岩作为分析的对象，为了节约篇幅，只列出L=3、5 m时隧道围岩竖向应力等值线图，见图13和图14。应力为负时表明围岩受压，应力为正时表明围岩受拉。

图12 网格模型图

从图13、图14中可以看出隧道周边围岩竖向应力的特点表现如下:

1)最大拉应力产生在隧道底部，最大压应力发生在隧道拱脚部位，最小压应力发生在隧道顶部，其值基本不发生变化，在0.2～0.25 MPa之间;当L不断增大时，最大拉应力、最大压应力都有所减小;当D增大时，情况类似。

2)随着D的增大、L的减小，溶洞周围应力有明显增大的趋势，隧道和溶洞之间的岩层可能会产生失稳，从而引起隧道塌方，所以当D增大到一定的程度和L减小到一定的程度时，需要对溶洞进行自身处理。

3.3.2 隧道周边位移变化的分析

当隧道顶部存在溶洞时，开挖后，隧道竖直方向位移云图和位移矢量分别见图15、图16。

图15 位移云图(单位:mm)

图16 位移矢量图(单位:mm)

从图15、图16中可以看出隧道底部隆起，而隧道拱部下沉且位移最大。

在隧道中心断面上布设4个特征点，如图17所示，分析隧道拱顶溶洞D、L发生变化时对隧道围岩周边位移的影响。

图17 隧道布设的特征点

对有溶洞时隧道开挖位移与无溶洞时隧道开挖的位移进行对比，在隧道拱部没有溶洞的情况下，隧道开挖后各特征点位移见表2。

表2 各特征点竖向位移表mm

当隧道拱顶有溶洞存在时，隧道顶部溶洞D分别为2、4、6、8、10 m，L从1 m增加到8 m，隧道开挖后位移变化曲线如图18所示。

图18 开挖后各特征点的位移

从图18可以看出，拱顶溶洞对隧道周边围岩位移的影响主要有以下几个方面:

1)当溶洞离隧道拱顶的距离超过5 m时，溶洞对隧道围岩的影响就很小。

2)当拱顶有溶洞分布时，拱脚点、隧道地面中心点在有溶洞分布时竖向位移小于无溶洞时隧道开挖时的位移;而隧道拱顶点、拱腰点竖向位移均大于无溶洞分布时隧道开挖的位移。

3)当L不断增大时，隧道拱脚、底部围岩开挖竖向位移也增大;而隧道顶部、拱腰部位位移随着L的增大而减小。当D不断增大时，隧道顶部位移、拱腰部位位移在减小;而拱脚位移、隧道底部位移却随D的增大而减小。

4 结束语

在岩溶地区进行隧道的施工，必须坚持"短进尺、弱爆破、强支护、早闭合"的原则，且要加强监控量测，从而避免安全事故的发生。对隧道拱顶溶洞的处治，要特别注意溶腔壁掉块，以免砸伤施工人员，并结合具体情况，采用恰当的处理方法，倘若处理不当，则会给施工安全及隧道运营带来影响。拱顶溶洞离隧道的距离、溶洞的大小都会给隧道围岩的稳定带来影响，拱腰以上围岩竖向位移与L成反比，与D也成反比;隧道拱脚、隧道底部围岩竖向位移与L成正比，与D成反比。隧道开挖最大压应力发生在拱脚部位，其值与D成反比，与L关系不大;而最大拉应力发生在隧道底部，其值与D也成反比，与L成反比;最小压应力发生在隧道顶部，其值基本不变化。

［1］彭川.岩溶隧道围岩与结构稳定性分析［D］.长沙:长沙理工大学，2009.

［2］刘招伟，张民庆王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］史世雍，梅世龙，杨志刚.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2005，1(5):698-702.

［4］熊学军.大瑶山隧道病害研究及治理［J］.中国铁路，1997，10(3):39-42.

［5］梁明贵.大瑶山隧道涌水量的控制［J］.世界隧道，1998，6(10):50-52.

［6］王润福，孙国庆，李治国.圆梁山隧道进口填充型溶洞注浆施工技术［J］.隧道建设，2003，23(2):28-30.

［7］庄金波.圆梁山隧道岩溶管道群涌水处理技术［J］.隧道建设，2004，24(3):20-24.

［8］李成源，唐明逢，周永安.南岭隧道岩溶突泥灾害的防治［J］.水文地质工程地质，1994，2(6):10-13.