铁路隧道巨型溶洞稳定性评估与施工防护棚架设计

孙亚飞 , 王 军, 于明洋

(1. 中铁十四局集团建筑工程有限公司, 山东 济南 250101； 2. 山东建筑大学土木工程学院, 山东 济南 250101)

0 引言

我国岩溶区面积达3.65×106km2，随着交通建设大发展，公路、铁路隧道工程越来越多地穿越岩溶区，遇到巨型溶洞的几率也越来越大。由于巨型溶洞地质条件复杂，洞内危岩遍布且伴有落石、坍塌的风险，使得隧道施工安全受到威胁。因此在溶洞揭示后，为确保施工期作业人员及机械设备安全，需对溶洞进行必要的监测及施工防护[1]。

目前国内溶洞临时施工安全防护技术得到了一定程度的应用。曹校勇等[2]在羊桥坝隧道大型干溶洞施工期安全防护措施中，采用一种轨道顶推式双层弧形拱架，并在外层钢拱架上铺设5 mm厚钢板作为防护结构。李勇良[3]在营盘山隧道穿越巨型溶洞处治中，采用主被动防护、棚架防护的方案，保证了施工人员安全。郭明[4]在介绍花果山隧道ZK96+794溶洞处治技术中提到，为排除掉块对后期施工带来的安全隐患，在上部溶洞空腔范围内设置钢结构防护棚架。大寨1#隧道ZDK31 + 956 溶洞施工时，加工了一种整体式防护棚架，采用装载机推至溶洞部位区形成安全防护[5]。拉之洞隧道溶洞施工过程中，则将钢结构台车推进溶洞进行防护，以保证施工安全[6]。

现有的溶洞临时施工安全防护技术多数仅注重结构本身抵抗冲击荷载的能力，对于结合溶洞稳定性监测及溶洞风险源荷载计算方面涉及较少。本文以黔张常铁路高山隧道DIK53+678处巨型溶洞为研究对象，以溶洞稳定性监测分析为前提，溶洞风险源荷载计算分析为依据，提出巨型溶洞临时施工安全防护棚架设计，以期为铁路隧道巨型溶洞临时施工安全防护设计提供参考。

1 工程概况

巨型溶洞于2016年8月13日被揭示，随后迅速搭建垂直通道(见图1)，并经专家论证，决定通过设置迂回平导、施工支洞及施工横通道等继续隧道掘进施工和溶洞补充勘察工作。溶洞周边通道线路设计如图2所示。经初步勘察，溶洞位于咸丰斜歪背斜的南东翼，处于奥陶系南津关组、分乡组、红花园组厚—巨厚层灰岩中。大气降水对溶洞补给有限，仅有少量通过节理裂隙下渗，溶洞整体表现为干溶洞。巨型溶洞主要由主溶蚀裂隙通道、厅堂状廊道及支洞3部分构成，厅堂状溶腔长×宽×高约为124 m×(32～63)m×(46～65)m，溶腔顶部呈完整的大平层状，底部从西侧向东侧约呈13°向下倾斜，块石堆积体覆盖，溶腔南端为裂隙型溶洞; 隧道正洞设计线路自东向西呈42°夹角跨越厅堂状廊道，跨越长度约71 m，隧道拱顶距溶洞最高处约2 m，轨面距溶洞底部36～57 m。

(a) 溶洞入口

(b) 垂直人行梯

图1溶洞平导揭露口和溶洞内垂直人行梯

Fig. 1 Parallel adit opening of karst cave and vertical pedestrian ladder in karst cave

图2 溶洞及周边通道线路设计

随后采用人工踏勘、无人机探测等措施详细探测溶洞，发现危岩体和裂缝多出现于溶洞侧壁位置，危岩体主要分为3类: 悬挂式危岩、叠坐式危岩和贴壁式危岩，危岩形式如图3所示。主洞小里程端入口处有多块对线路构成威胁的悬挂式危岩，危岩主要受上部岩体粘结悬吊，与两侧岩体存在裂缝但尚有连接，下部则悬空而没有支撑。主洞大里程端入口附近，侧壁中部存在叠坐式危岩体，危岩已分离于母岩，仅受下部岩体单独支撑，稳定性差。平导揭露口洞壁存在多处贴壁式危岩，危岩多呈片形直立状态，整体与母岩粘连但存在竖向裂缝。洞壁其他区域也存在多处危岩体和节理裂隙，在厅堂与主裂隙交叉位置尤其突出。

(a) 主洞大里程端悬挂式危岩

(b) 主洞小里程端叠坐式危岩

(c) 平导揭露口洞壁贴壁式危岩

图3溶洞内危岩照片

Fig. 3 Photos of dangerous rocks in karst caves

2 巨型溶洞稳定性评估

考虑到该溶洞规模巨大，周壁危岩发育，将对隧道工程造成很大影响，因此，通过采用危岩体位移变形监测、危岩体振动速度监测、危岩体裂缝发展监测等手段，对巨型溶洞进行稳定性评估。

2.1 危岩体位移变形监测

采用三维激光扫描仪对溶洞进行无接触式监测[7]，利用3D色谱对比功能，对溶洞前后2次扫描结果进行位移差值分析。经过时长3个月的不连续监测，对监测数据进行分析、成像处理形成色谱分析图，如图4所示，其中红色部分表示溶洞岩壁向洞内位移，为不稳定区域。

通过色谱分析图标识位置可以看出，受主洞大里程端和施工支洞爆破开挖影响，这2处入口附近溶洞侧壁危岩体向溶洞内位移量较大，危岩体数量多，在3D色谱对比分析图中形成红色面域，多处危岩体的位移量超过30 mm，位移量最大值超过80 mm。

(a) 主洞小里程侧溶洞表面位移色谱分析

(b) 主洞大里程侧溶洞表面位移色谱分析

2.2 危岩体振动速度监测

溶洞揭示后洞壁多处见有块石掉落，故采用爆破振动速度测试系统进行溶洞危岩体爆破扰动监测。爆破振动速度测试系统由磁电式拾振器、爆破振动采集仪和动态分析软件组成。在溶洞与隧道、平导交叉口附近设置爆破振动监测点，如图5所示，共在溶洞设置4个监测点，每个测点分别设垂向和水平2个方向拾振器，每次爆破采集1次振动速度数据。研究监测点岩体振动速度变化，并结合溶洞内落石情况，发现受主洞大里程端爆破扰动影响，1#测点的爆破振动速度较大，并与落石存在明显关联性。

图5 危岩体振动速度监测

绘制1#测点水平爆破振动速度与爆心距关系曲线如图6所示。由图6可知： 随着爆心距减小，溶洞表层岩体振动速度越来越大。当溶洞初现落石时，测点水平爆破振动速度超过1.0 cm/s; 当水平爆破振动速度超过1.5 cm/s时，溶洞内出现大面积落石。因此，随着主洞开挖靠近，要控制爆破装药量等参数，使测点水平爆破振动速度小于1.0 cm/s，减少落石风险。

图6 爆破振动扰动与落石相关关系

Fig. 6 Correlation between blasting vibration disturbance and rockfall

2.3 危岩体裂缝发展监测

采用电子全站仪对溶洞内典型危岩体裂缝进行非接触式监测[8]。在溶洞中选取贴壁式、悬挂式危岩各1处，周围布设6个测点(见图7)，进行危岩体竖向裂缝变化监测，结合爆破扰动监测分析裂缝宽度发展与爆破振动速度关系，如图8所示。分析表明： 随着爆破振动速度的增加，危岩裂缝有明显扩展的趋势，贴壁式危岩裂缝宽度增长速度较快，实际监测中此类危岩落石较多; 对照无人机探测，说明平导入口与施工支洞入口间洞壁不稳定，落石风险极大； 悬挂式危岩裂缝发展较慢，落石风险较弱。

(a) 贴壁式危岩裂缝监测

(b) 悬挂式危岩裂缝监测

图8爆破振动速度对岩体裂缝发展影响曲线

Fig. 8 Influence curves of blasting vibration velocity on rock crack development

将溶洞稳定性监测分析结果汇总如表1所示。分析可知，溶洞侧壁多处危岩体向溶洞内位移，其中大里程端主洞入口处、支洞入口处侧壁位移量最大值超过80 mm，存在危岩或形成新危岩的可能性很大; 隧道爆破掘进逐渐靠近溶洞，水平爆破振动速度若不能得到有效控制，洞内将面临更大的落石风险; 周壁危岩体裂缝宽度增长速度较快，随着施工的进一步开展，很有可能发生掉落。

结合勘察和调研分析，溶洞埋深约200 m，厅堂和主裂隙廊道体型巨大，厅堂长124 m，空腔体积超过50万m3，岩层近水平产状、轻度风化，虽形成自然塌落拱但顶板和侧壁裂隙显著发育，特别是贴壁式危岩分布较广，在开挖扰动下剥离掉落的可能性较高。因此，有必要在洞内设立临时施工安全防护结构，为接下来的钻探施工等工作提供安全保障。

3 施工防护棚架设计

3.1 落石冲击力计算

落石冲击力是进行落石危险区被动防护结构设计的主要荷载之一[9]，对落石冲击力的计算能有效指导防护结构设计。

表1 溶洞稳定性监测分析结果

3.1.1 现有的落石冲击力计算方法

目前国内落石冲击力计算的依据主要有《公路路基设计规范》[10]、《铁路工程设计技术手册·隧道》[11]以及杨其新等基于室内试验建立的经验公式[12]，国外代表性的计算方法主要有日本方法及瑞士方法[13]。汇总以上计算方法如表2所示。

表2 现有落石冲击力计算方法

注: P为落石冲击力，kN； P(Z)为落石陷入缓冲层的单位阻力，kPa； F为落石等效球体的截面积，m2； γ为缓冲填土的容重，kN/m3； Z为落石冲击陷入缓冲土层的深度，m； φ为缓冲填土的内摩擦角，(°)； v为落石碰撞前的末段速度，m/s； Q为石块重力，kN； g为重力加速度，m/s2； m为落石质量，t； v0为落石冲击速度，m/s； t为冲击持续时间，s； h为缓冲土层计算厚度，m； c为压缩波在缓冲土层中的往复速度，m/s； ν为泊松比； E为回填土弹性模量，kPa； ρ为回填土密度，kg/m3； ζ 为和缓冲土层密度有关的系数； amax为冲击过程最大加速度，m/s2； H为落石下落高度，m； λ为梅拉常数；ME为通过荷载板试验得到的缓冲土层变形模量kPa。

3.1.2 巨型溶洞落石冲击力计算

在现有的落石冲击力计算方法中，每种计算方法均有其局限性，落石冲击力的计算结果也有较大偏差。由表2可知，《铁路工程设计技术手册·隧道》方法是对落石冲击过程做一定的简化，具有理论概念清晰、计算简单准确等特点，是建立在大量的工程实践基础上得出的[14]，与试验条件下得出的结果相比更接近实际工程。因此，选用该计算方法进行巨型溶洞落石冲击力计算。

3.2 防护棚架设计及校核

根据巨型溶洞稳定性监测结果，特别是落石风险监测，必须要在溶洞内进行临时施工安全防护，保障钻探等工作顺利进行。

3.2.1 防护棚架初步设计及校核

考虑到溶洞体量巨大，钻探等施工点不固定，拟采用整体式钢结构防护棚架作为临时防护结构，防护棚架设计遵循“确保安全、经济合理”的原则。初步设计方案为: 棚架结构主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檩条(I16a)、檩条上方钢板(厚5mm)和钢板外侧废旧轮胎(双层)组成，具体如图9所示。屋架整体由3部分组成: 左右屋面和底面。左右屋面架顶部的型钢端部焊接带孔钢板，钢板间夹橡胶垫，然后采用螺栓连接，可将螺栓受到的剪切力有效转化为钢板摩擦力; 左右屋面架和地面也采用螺栓连接。屋面和地面结构由型钢和钢板焊接而成，焊缝强度不低于母材承载力。

采用PKPM校核棚架抗冲击性能，根据落石可能砸击的位置不同，校核方式如下: 1)取1榀三角形框架，校核框架顶部节点，腰边1/3节点、中点和2/3节点处抗冲击力; 2)按4跨连续梁校核连接2榀框架的檩条防冲击力，主要校核两跨檩条中点。

(a) 防护棚架正面图

(b) 防护棚架侧面图

Fig. 9 Preliminary design sketches of protective shed frame (unit: mm)

经校核，檩条中点极限抗冲击荷载为200 kN，三角形框架腰边中点极限抗冲击荷载为180 kN。根据《铁路工程设计技术手册·隧道》落石荷载计算公式，按照180 kN荷载反算，防护棚架仅能抵御0.1 t落石自50 m高度掉落的冲击荷载，不能满足防护要求，需优化防护棚架。

3.2.2 防护棚架改进及校核

防护棚架中2榀三角形屋架的间距由1 000 mm改为500 mm; 顶部增加联系横梁，加大框架整体性; 腰边中部增加可拆卸的垂向支撑钢管，加强腰边防冲击力; 连接框架的檩条改用20a工字钢加工，防护棚架外侧挂废旧轮胎。改进后防护棚架设计如图10所示。

经再次校核，檩条中点极限抗冲击荷载为840 kN，三角形框架腰边中点极限抗冲击荷载为580 kN，根据《铁路工程设计技术手册·隧道》落石荷载计算公式，按照580 kN抗冲击荷载反算，相当于可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的冲击荷载，满足巨型溶洞安全防护要求。

(a) 防护棚架正面图

(b) 防护棚架侧面图

Fig. 10 Improved design sketches of protective shed frame (unit: mm)

4 结论与讨论

1)通过危岩体分布探测、危岩体位移变形监测、危岩体振动速度监测和危岩体裂缝发展监测4项内容对溶洞的稳定性进行研究分析。结果表明洞内危岩分布较多，溶洞周壁存在变形，特别是受开挖爆破影响，溶洞内落石风险较大，有必要进行临时施工安全防护。

2)分析了国内外各种落石冲击力计算方法，根据巨型溶洞可能落石尺寸，采用《铁路工程设计技术手册·隧道》推荐的方法进行了落石荷载计算，落石冲击力达到442.1 kN，以此作为临时施工安全防护的设计依据。

3)设计了可移动式三角形钢结构防护棚架，棚架结构主要由等腰三角形屋架(I20a)、屋架上方檩条(I20a)、顶部联系横梁、腰边支撑钢管(可拆卸)、檩条上方钢板(厚5 mm)和钢板外侧废旧轮胎组成。经过优化，防护棚架可抵抗0.7 t落石自50 m高度掉落的冲击荷载，满足巨型溶洞安全防护要求。

4)隧道开挖采用循环爆破，溶洞围岩存在累计损伤，随着累计损伤的积累，岩体可能在较小振动下发生掉落，但本文没有考虑溶洞顶板和侧壁岩体的累积损伤问题。落石过程发生突然，没有得到有效观测，故落石冲击持续时间参考了其他文献，不够精确。接下来应该进一步对以上2个问题开展研究。