岩溶洞穴对富水软弱围岩隧道稳定性影响分析及处治技术

李军库

（中铁十五局集团第五工程有限公司，天津300133）

0 引言

岩溶是山区隧道修建过程中经常遇见的地貌之一，在我国西南部地区分布十分广泛。在修建交通隧道时常常需要穿越岩溶区段，其中的溶洞会给隧道开挖过程带来极大安全隐患，其风险主要体现在涌水、突泥等方面，隧道与溶洞间岩体的稳定性给施工人员带来潜在人身安全威胁和财产损失风险。因此研究溶洞对隧道围岩稳定性影响并为实际工程提供理论支持显得尤为迫切[1-2]。

靳航[3]研究了溶洞大小和所处位置对隧道围岩稳定性的影响，并提出了相应的应对措施。吴雷雷[4]通过研究表明当隧道底部存在溶洞时，隧道与溶洞间的岩体形成应力释放区，拱腰周围岩体形成应力增高区。凌同华[5]研究了隧道底部存在溶洞对围岩稳定性的影响。李长春[6]研究了隧道拱部存在不同直径溶洞的围岩稳定性。李元海[7]以武广客运专线大瑶山隧道为工程背景，运用FLAC3D软件模拟分析了不同隧道与溶洞间距对围岩稳定性的影响。李卫红[8]研究了溶洞所处方位、形态大小和与隧道间距对隧道围岩稳定性的影响。杨为民[9]以尚家湾隧道为工程背景，研究了大型溶洞对隧道围岩稳定性的影响。刘书斌[10]以重庆双碑隧道为工程背景，研究了溶洞对隧道围岩和支护结构的稳定性影响。桂铬[11]等提出了主洞洞身开挖与初期支护施工技术，并运用FLAC3D对特殊断面的开挖施工进行模拟，通过分析围岩位移与结构应力计算结果，对岩溶整体结构开挖与支护效果进行了评价。方健[12]采用超前帷幕注浆的方法处治了溶洞。何佩军[13]针对大型溶洞采用释能降压的方案对溶洞进行了治理。

尽管国内外学者已对溶洞对隧道开挖稳定性影响及处治措施有了较为广泛的研究，但对于具有溶洞的富水软弱围岩高速公路隧道施工领域，相关研究较少。本文以云南临沧临翔至清水河高速公路上的马家寨隧道为研究对象，建立了不同工况的隧道溶洞模型，对隧道围岩稳定性进行分析，并提出不同溶洞情况下的处治措施，为今后类似的实际工程提供参考。

1 工程概况

云南省临清高速公路马家寨隧道，右洞全长2 603m，左洞全长2 543m，左右洞间距约为36米，左洞最大埋深约486米，右洞最大埋深约517米。隧道场区下伏基岩为二叠系上统南坡河组粉砂岩、粉砂质页岩，石炭系上统鱼塘寨组灰岩，泥盆系中上统变质石英中细粒砂岩夹千枚岩、板岩，根据岩体的风化节理、裂隙发育特征、岩体破碎程度、软硬程度、新鲜程度，将基岩分为强风化层和中风化层。隧道场区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，前者水量较小，埋藏较浅，状如上层滞水。地下水埋藏较深，基岩裂隙水主要赋存于强～中风化层裂隙中，水量较小。

本项目隧道内V级围岩采用小导管注浆超前支护，CD法开挖，采用控制爆破（预裂、微震爆破）施工。开挖循环进尺为0.6m，台阶长度控制在6～8m。CD法施工示意图如图1所示。

施工步骤为：开挖左上部-I，施作初期支护和临时支护-1、2；开挖左下部-II，施作初期支护和临时支护-3、4；开挖右上部-III，施作初期支护-5；开挖右下部-IV，施作初期支护-6；分段拆除临时支护-2、4，浇筑仰拱混凝土-7；施作仰拱回填混凝土-8；铺设防水层、浇筑衬砌-9；施作电缆沟和排水沟、路面工程-10。

2 数值模拟分析

2.1 模型参数选取

2.1.1 围岩参数

根据马家寨隧道地质勘查报告，研究溶洞区段隧道围岩主要为V级，软弱围岩各参数的取值如表1所示。

表1 围岩参数

2.1.2 隧道主洞洞身支护参数

根据马家寨隧道施工设计图得知，喷射混凝土采用27cm厚的C25混凝土；钢拱架采用I20a工字钢，间距60cm；锚杆采用Φ25mm中空注浆锚杆；小导管采用Φ42mm注浆小导管，长4.5m，搭接长度2.7m。为简化模型，初期支护看作是喷射混凝土和钢拱架的组合体。初期支护的等效弹性模量按照公式（1）进行计算。

式中，E为组合体综合弹性模量（MPa）；Ec为喷射混凝土的弹性模量（MPa）；Eg为钢拱架的弹性模量（MPa）；Sg为钢拱架的截面面积（m2）；Sc为喷射混凝土的截面面积（m2）。

超前小导管的等效弹性模量按照公式（2）进行计算。

式中，E0为超前小导管等效弹性模量（MPa）；E1为小导管管内浆液弹性模量（MPa）；E2为小导管弹性模量（MPa）；I1为小导管管内浆液惯性矩（m4）；I2为小导管惯性矩（m4）。

等效重度按照公式（3）进行计算。

式中，γ为小导管等效重度（kN·m-3）；γ1为小导管管内浆液重度（kN·m-3）；γ2为小导管重度（kN·m-3）；A1为小导管管内浆液截面面积（m2）；A2为小导管截面面积（m2）。

根据以上公式计算结果并参考《公路隧道设计规范》，隧道主洞洞身支护参数取值如表2所示。

表2 隧道主洞洞身支护参数

2.2 模型建立及边界条件

采用Midas GTS NX软件建立三维单元模型进行模拟分析。根据圣维南原理，计算边界应取开挖洞径的3～5倍，本文X轴水平方向两边各取约4倍的隧道洞径，即距离中心点左右各取50m，Z轴竖直方向由隧道中心至上下边界各取约40m，Y轴正方向开挖长度取54m。模型左右边界施加水平方向位移约束；模型下边界施加法向位移约束；上边界施加竖向均布荷载，以模拟计算边界上方覆盖岩层的自重；为了突出富水的特点，考虑水位并施加水压力。建模时取最不利因素，不对二衬进行模拟。隧道三维模型如图2所示。

图2 隧道三维模型

2.3 计算工况

根据施工现场开挖情况发现，马家寨隧道遇到的溶洞尺寸主要集中在2.0～8.0m范围内。本文计算中选取的溶洞位于隧道底部，与隧道净距取3m，并将溶洞简化为球形研究，一共设置4种工况，溶洞的直径分别为2.0m、5.0m以及8.0m，并与无溶洞工况进行对比。

3 数值模拟结果分析

隧道模型开挖长度54m，溶洞位于隧道纵向中心位置，为了监测隧道开挖过程中的围岩稳定性，选取隧道纵向27m处作为监测断面（如图3）。

图3 隧道监测断面示意图

3.1 围岩稳定性分析

隧道洞周位移能够反映出隧道开挖后的围岩稳定性，是隧道围岩变形的一个重要指标。在计算中，洞周位移主要包括拱顶下沉、仰拱隆起以及周边位移，不同工况下的洞周位移如表3、图4所示。

表3 隧道洞周位移

由表3可知，富水软弱围岩隧道底部出现溶洞对仰拱竖向位移的影响较大，对拱顶竖向位移和周边水平位移的影响较小。底部溶洞对拱顶的影响主要表现为竖向沉降，而且沉降量随着溶洞尺寸的增大而减小，在无溶洞工况下，拱顶下沉为26.46mm，在底部存在不同尺寸溶洞工况下，三个工况的拱顶下沉分别为26.33mm、26.10mm和25.70mm，相比无溶洞工况分别减小了0.5%、1.4%和2.9%；底部溶洞对仰拱的影响主要表现为竖向隆起，而且位移值随着溶洞尺寸的增大而增大，在无溶洞工况下，仰拱隆起为32.29mm，在底部存在不同尺寸溶洞工况下，三个工况的仰拱隆起分别为33.15mm、34.51mm和35.61mm，相比无溶洞工况分别增大了2.7%、6.7%和10.3%；底部溶洞对隧道周边的影响主要表现为水平收敛，在无溶洞工况下，周边位移为12.52mm，在底部存在不同尺寸溶洞工况下，三个工况的周边位移分别为12.36mm、12.34mm和12.60mm。

图4 围岩竖向位移分布

由于隧道底部存在溶洞，相当于增加了隧道的断面高度，围岩水平方向刚度减小，增强了隧道的拱效应，因此隧道拱顶沉降随着溶洞尺寸的增大而减小。仰拱处和溶洞间围岩变形刚度被底部溶洞削弱，仰拱与溶洞间围岩高度又明显小于隧道断面高度，因此仰拱隆起变形随着溶洞尺寸增大而增大。隧道开挖后，隧道两侧产生向溶洞方向的变形趋势，因此向隧道内部收敛的位移略微减少，而溶洞较大时围岩水平方向刚度进一步降低，周边位移与无溶洞工况相比增大。

由图4可知，富水软弱围岩隧道底部溶洞的存在改变了围岩竖向位移分布，随着溶洞尺寸的增大，围岩竖向位移等值线向隧道与溶洞间富水软弱岩层内集中的趋势逐渐增加，增大了溶洞处周围软弱岩体的竖向位移，仰拱竖向位移增大。隧道上部富水软弱围岩向隧道内收敛的趋势逐渐减弱，拱顶沉降量减小。

3.2 围岩塑性区分析

围岩塑性区是显示围岩塑性变形范围的一个重要指标，确定围岩塑性区的范围对评价隧道围岩稳定性非常重要。不同工况下的围岩塑性区如图5所示。

图5 围岩塑性区分布

由图5可知，富水软弱围岩隧道底部出现溶洞显著改变了围岩塑性区的分布。在无溶洞工况下，塑性区主要出现在拱腰以及仰拱左右两侧处；当隧道底部存在2.0m溶洞时，溶洞洞周出现塑性区，溶洞上侧由于靠近隧道，且富水岩层较为软弱，塑性区范围相对于下侧更大，隧道洞周靠近溶洞侧的塑性区范围增大，远离溶洞侧的塑性区范围基本没有变化，仰拱处塑性区有向下延伸的趋势；当隧道底部存在5.0m溶洞时，溶洞洞周塑性区范围进一步增大，隧道底部与溶洞上侧塑性区形成贯通，隧道左右两侧塑性区范围基本没有变化；当隧道底部存在8.0m溶洞时，溶洞上侧塑性区范围增大，下侧塑性区范围逐渐减小，隧道左右两侧塑性区范围略微减小。

通过分析得知，在富水软弱围岩条件下，随着溶洞尺寸的增大，局部增大了隧道和溶洞之间夹层的塑性区范围，对远离溶洞侧塑性区范围影响相对较小。当隧道底部存在溶洞时，由于富水软弱围岩条件较差，隧道与溶洞间塑性区均形成贯通，隧道底部易向溶洞内发生塌陷，因此要注意及时处治溶洞。

3.3 围岩应力分析

围岩应力是判断围岩稳定和隧道安全的一个重要指标，不同工况下各关键点最大主应力见图6、图7。

图6 各关键点最大主应力

由图6可知，在富水软弱围岩条件下，由于拱脚处应力集中现象最为明显，因此该处压应力最大，仰拱处的围岩最大主应力相对较小，在施工开挖时应更加注意对拱脚处富水软弱围岩的加固。随着溶洞尺寸的增大，拱顶处围岩最大主应力由6.68MPa逐渐增加到6.72MPa；拱肩处围岩最大主应力由7.84MPa减小到7.8MPa；拱腰处围岩最大主应力由7.19MPa逐渐减小到6.87MPa；拱脚处围岩最大主应力由9.92MPa逐渐减小到9.60MPa；仰拱处围岩最大主应力由2.46MPa逐渐增加到3.01MPa。由此可见，当富水软弱围岩隧道底部存在溶洞时，拱顶和拱肩处围岩最大主应力基本不变，可以忽略。对拱腰和拱脚处围岩最大主应力影响较小，对仰拱处围岩最大主应力影响相对较大。

隧道开挖后释放了底部溶洞自身存在的集中应力，导致拱脚处压应力降低。隧道底部溶洞削弱了仰拱与溶洞间围岩的强度，隧道高度远大于仰拱与溶洞间围岩厚度，因此仰拱处的围岩变形随压应力值变化幅度最大。

图7 围岩最大主应力分布

由图7可知，富水软弱围岩隧道底部存在溶洞显著影响围岩最大主应力的分布，溶洞洞周围岩最大主应力相比无溶洞工况明显增大，由于溶洞上侧出现较大的应力集中现象，隧道底部富水软弱围岩容易发生失稳破坏。整体围岩的最大主应力均呈现压应力状态，由此可以看出富水软弱围岩受力状态良好，围岩的成拱效应得到了充分发挥。

围岩变形规律及围岩应力变化规律与文献[14]基本相同，拱顶沉降随溶洞尺寸增大而减小；仰拱竖向位移随溶洞尺寸增大而增大；拱脚处出现最大压应力，其值随溶洞尺寸增大而减小；仰拱处应力随溶洞尺寸增大而增大。验证了本文数值模拟方法的合理与准确性。

4 溶洞处治方案与技术

隧道底部存在溶洞容易影响富水软弱围岩的整体稳定性，因此在施工开挖前应该采取必要的处治方案对溶洞进行治理。本项目根据施工现场开挖实际情况选择相应的溶洞处治方案，按照动态设计、动态施工的原则进行处治，溶洞处治动态施工流程为：开挖后对围岩地质进行观察；发现溶洞后确定溶洞的形态、尺寸及空间位置；共同研究并确定处治方案；施工单位对溶洞进行处治。

针对富水软弱围岩隧道底部溶洞尺寸小于2.0m的情况下，处治方案如图8所示，采用C10片石混凝土回填，如果溶洞内有充填物，则必须挖除后再进行回填，每间隔2米安设一处DN110HDPE透水管相通。

针对富水软弱围岩隧道底部溶洞尺寸大于2.0m的情况下，处治方案如图9所示,主要分两种。当溶洞发育相对较窄时采用方案一，其内容是利用钢筋混凝土梁跨越，梁高50～100cm，需要提前安设DN110HDPE透水管。当溶洞发育相对较宽且隧道底部充填物无法换填处理时采用方案二，其内容是利用桩基础托梁跨越，在二衬边墙脚下设置桩基础，将桩端嵌入岩体内承受荷载，防止隧道出现不均匀沉降，并设钢筋混凝土梁跨越，需要提前安设DN110HDPE透水管。

图8 小于2.0m溶洞处治方案

图9 大于2.0m溶洞处治方案

5 结论

①富水软弱围岩隧道底部存在溶洞对仰拱的竖向位移影响最大，从32.29mm增加到35.61mm，增幅为10.3%，溶洞对拱顶的竖向位移和周边水平收敛影响相对较小，说明在富水软弱围岩条件下，隧道底部与溶洞间的围岩变形刚度较差，隧道施工时应密切关注隧道底部的围岩状态，并采取相关的加固措施。

②富水软弱围岩隧道底部存在溶洞明显影响了围岩塑性区的分布，随着溶洞尺寸增大，局部增大了隧道和溶洞间的塑性区范围，对远离溶洞侧的围岩塑性区范围无显著影响。由于富水软弱围岩条件较差，各个工况的隧道与溶洞间塑性区均形成贯通，易导致隧道底部失稳、塌陷，因此在隧道施工时需注意及时对溶洞采取处治措施。

③富水软弱围岩隧道底部存在溶洞显著改变了围岩最大主应力的分布，围岩最大压应力发生在拱脚处，其值从9.92MPa减小到9.60MPa，围岩最小压应力发生在仰拱处，其值从2.46MPa增加到3.01MPa。由于溶洞与富水软弱围岩隧道底部间的围岩厚度较薄，溶洞上侧存在较大的应力集中现象，导致该区域的围岩整体稳定性较差，若不及时采取相关加固措施容易发生不良地质灾害。

④根据溶洞的发育程度提出不同处治方案，按照动态设计、动态施工的原则进行处治，防止施工过程中出现巨大的人员及财产损失。