垂直循环带溶洞对隧道施工危害性评价体系研究

万 飞,王 波,付重滔,朱雪健,李 磊

(1. 交通运输部公路科学研究所，北京 100088；2. 中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300)

0 引言

岩溶水系统的垂直剖面自上而下可以划分为：垂直循环带、季节变动带、饱水带和虹吸管循环带。当隧道埋深很深、处于饱水带时，其施工影响范围内的溶洞常含有大量的承压地下水，一旦揭穿会出现高水压、大规模的突水突泥灾害。当隧道处于垂直循环带时，溶洞内部充填物大多不含水或含有少量水，隧道开挖揭露后多引发以固态为主的充填物涌出或溶洞壁失稳掉落、坍塌等灾害，同时会引发地表沉陷、支护结构变形开裂等次生灾害[1-2]。目前针对处于饱水带的深埋隧道突水突泥灾害已有较多的预测评价研究成果[3-4]，但尚无针对垂直循环带隧道施工遭遇溶洞时的灾害预测评价方面的研究成果。导致施工人员在超前地质预报预测可能存在溶洞或开挖面揭露出溶洞时，需要依靠工程经验进行施工决策，难以准确判断溶洞可能引发的灾害，常错失大型灾害发生与发展的最佳处理时机，造成较大的人员伤亡和经济损失。

处于垂直循环带的隧道施工时溶洞引发的灾害主要取决于溶洞发育程度，与溶洞位置、规模、填充物类型等直接相关。如王波[5]分析了莲花山隧道溶洞发育规律，隧道施工时发生灾害的9个溶洞全部位于拱部，溶洞主要为充填型和半充填型的干溶洞；邹成杰[6]、吴梦军[7]、谭代明[8]、唐侦湛[9]等人分析了隐蔽型溶洞(开挖未揭露)的溶洞直径、溶洞位置(拱顶、 底部、 正侧部、 斜侧部)，及溶洞与隧道距离等指标对隧道围岩位移、应力与稳定性的影响。由此看出，可基于溶洞发育特征对隧道的施工灾害进行评价预测。因此，通过梳理总结溶洞对隧道施工危害工程案例，可以明确溶洞对隧道施工危害性的定义与分级，确定溶洞对隧道施工危害性评价指标，建立溶洞对隧道施工的危害性定量评价准则，并在依托工程中进行验证与应用，为溶洞强烈发育地层隧道的施工决策提供依据。

1 溶洞对隧道施工的危害性评价指标

通过调研高罗隧道、李家槽隧道、大岩坝隧道、熊家槽隧道、白岩脚隧道、花果山隧道等24座隧道的溶洞引发灾害的案例资料和相关理论研究成果，确定了溶洞危害性的定义与评价指标。受篇幅所限，此处不详述工程案例的围岩、溶洞和灾害情况。

1.1 溶洞危害性的定义

溶洞对隧道施工的危害性主要表现为：当隧道施工临近或揭露隐伏溶洞时，隧道易发生突泥、突石、冒顶、坍塌、初期支护结构变形开裂等灾害，将对施工造成人员伤亡、施工机械损坏、工期延长、增加施工成本等不良影响。为了方便数据统计分析，将以上灾害归纳为地表塌陷、充填物涌出、洞内坍塌3种灾害类型：

a.地表塌陷:隧道施工过程中发生的充填物涌出、洞内坍塌等灾害会引起岩土体下陷或塌落，在地表形成不同形态的塌坑，地表塌陷面积越大对施工影响程度越大。

b.充填物涌出：隧道遇到有充填物溶洞时，溶洞内的充填物会失稳涌出，发生突石、突泥现象，溶洞内充填物涌出量越多对施工影响程度越大。

c.洞内坍塌：稳定性较差的溶洞在揭露后多出现围岩松动、溶洞内壁掉块等现象，并易引起溶洞内壁塌落、隧道底板坍塌、支护结构坍塌等灾害，洞内坍塌段落越长对隧道施工工期、成本和安全的影响程度越大。

依据工程经验，并参照专家调查结果，各灾害类型的等级划分具体见表1。

表1 灾害等级Table 1 Disaster level灾害等级地表塌陷面积/m2充填物涌出方量/m3坍塌长度/m大S>20 V>3 000 L>10 一般5

依据地表塌陷、填充物涌出、洞内坍塌等3种灾害类型的等级，溶洞的危害性分为大、一般和较小等3个等级，如表2所示。

1.2 溶洞危害性评价指标及分级

溶洞引起隧道发生灾害必须具备一定的条件，其中主要有溶洞发育程度、围岩强度与完整性、水文地质条件等因素。以可获取性为选取原则，选取溶洞与隧道相对位置关系、溶洞规模和填充类型、围岩级别，地下水状态(主要受降雨补给影响)等作为溶洞对隧道施工危害性的评价指标。依据相关研究成果和专家调查结果，等级划分见表3。

表2 溶洞危害性等级Table 2 Karst cave hazard level危害性等级工程描述大大型地表塌陷或大方量充填物涌出或长距离洞内坍塌;严重影响施工一般中型地表塌陷或中等方量充填物涌出或中等距离洞内坍塌;对施工影响较大较小小型地表塌陷或小方量充填物涌出或短距离洞内坍塌;基本不影响施工

表3 溶洞对隧道施工危害性的评价指标Table 3 Assessment indices of the hazards of karst cave to tunnel construction指标级别相对位置/m溶洞规模/m3填充类型围岩级别地下水状态/[L·(min·10 m)-1]危害性大很不利位于隧道拱部且侵入隧道轮廓;或仰拱底部未侵入且岩盘较薄(S<3)大型V>50易滑落全填充或半填充软塑、流塑状黏性土,夹杂碎石差Ⅴ级围岩线状流水10～25危害性一般不利位于隧道两侧边墙或仰拱底部且侵入隧道轮廓;未侵入隧道轮廓且岩盘厚度较厚(3≤S≤5)中型105)小型V≤10不滑落无填充一般Ⅲ～Ⅱ级围岩无水

2 溶洞对隧道施工危害性评价准则

建立溶洞对隧道施工危害性定量评价公式：

(1)

式中：φ为溶洞对隧道施工危害性的定量评价值；ri为第i个评价指标状态的定量评分；Wi为第i个评价指标的权重。评价指标的权重和评价指标状态评分采用层次分析法确定。

2.1 权值分析原理

假设同层共有n个因素，A1,A2,…,An,对所有因素进行成对比较，采用SAATY教授建议的1～9标度法构造判断矩阵A，然后采用和法近似求得评价指标的权向量W、最大特征值λmax和随机一致性比例CR，计算步骤与公式如下：

a.将A的每一列向量归一化得：

(2)

(3)

(4)

W=(W1,W2,…,Wn)T

d.计算最大特征根的近似值：

(5)

e.计算一致性比率：

CR=CI/RI

(6)

式中：一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1),n为3～10时一致性指标RI取值分别为0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45、1.49。

随机一致性比例CR=CI/RI<0.1时，Ai的不一致性仍可以接受，否则必须调整判断矩阵。

2.2 确定评价指标的权重

参考其他类似工程评价指标重要性比较情况，并结合专家经验，构造关于溶洞对隧道施工危害的5个评价指标的两两比较判断矩阵，见表4。

表4 评价指标权重判断矩阵Table 4 Judgment matrix of the weight of assessment indices指标相对位置溶洞规模填充类型围岩级别地下水状态相对位置11257溶洞规模11257填充类型1/21/2146围岩级别1/51/51/413地下水状态1/71/71/61/31

根据式(2)～式(6)求得判断矩阵的特征向量W=[0.342 9，0.342 9，0.212 4，0.062 2，0.039 6]，最大特征值λmax=5.134 7；一致性指标CI=0.033 7，RI=1.12，CR=CI/RI=0.03<0.1。因此，5个评价指标权重为W=[0.342 9，0.342 9，0.212 4，0.062 2，0.039 6]。

2.3 确定评价指标不同等级的定量评分

评价指标的n个状态关于溶洞对隧道施工危害性等级的定量评分组成的集合为状态评分集，用R={r1,r2,…,rn}表示。采用层次分析法为所有的评价指标确定统一的状态评分集，主要是利用层次分析法获得评价指标的3个状态关于溶洞对隧道施工危害性等级的权重，将这些权重以最高等级作归一化处理之后作为3个状态的评分。

构造评价指标的3个状态关于溶洞对隧道施工危害性等级(以下简称：溶洞危害性等级)的两两比较矩阵A，由式(2)～式(4)求出该判断矩阵的权重向量W，如表5。

表5 溶洞危害性等级判断矩阵Table 5 Judgment matrix of the karst cave hazard level危害性大一般较小权重大1350.633 3一般1/3130.260 5较小1/51/310.106 5

由式(5)～式(6)可求出判断矩阵的最大特征值为λmax=3.04；RI=0.58，CR=CI/RI=0.034<0.1。

然后将各等级权重以危害性“大”作归一化处理，各评价指标3个状态的定量评分集为R={1.000 0，0.411 3，0.167 7}。

由此，可建立如表6所示的溶洞对隧道施工危害性的定量评价准则。

表6 溶洞对隧道施工危害性定量评价准则Table 6 Quantitative assessment criteria of the hazards of karst cave to tunnel construction指标权重指标级别大一般较小相对位置0.343很不利不利无影响溶洞规模0.343大型中型小型填充类型0.212易滑落较易滑落不滑落围岩级别0.063差较差一般地下水状态0.039线状流水渗水滴水无水状态等级评分10.411 30.167 7

3 溶洞对隧道施工危害性评价值范围

通过梳理收集的工程案例并结合专家经验，确定各种评价指标状态组合B(B=[bij]，i代表评价指标，i=1,2…5;j代表评价状态，j=1,2…3)对应的危害性等级，建立溶洞对隧道施工危害性评价指标状态组合评价值-危害性等级的样本数据库，然后统计分析各溶洞危害性等级对应的评价值范围。

3.1 样本数据库

溶洞对隧道施工危害性评价指标状态组合(以下简称：样本)个数n共有243个(5个评价指标，各3种状态，n=35)。由于工程案例的有限性，收集的工程案例仅能确定部分样本的危害性等级，对于没有工程案例的样本需依据专家经验确定其危害性等级。

数据库的建立分为3步：①建立相对位置、填充类型、溶洞规模等3个主要评价指标的状态组合评价值-危害性等级的样本数据库；②计算围岩级别和地下水状态2个评价指标的状态组合评价值；③将相对位置、填充类型、溶洞规模等3个指标的状态组合评价值与围岩级别和地下水状态2个指标的状态组合评价值进行两两组合得到243个样本的评价值。

根据表6的评价准则采用式(1)计算得到相对位置、填充类型、溶洞规模等3个主要评价指标的状态组合评价值φ1(见表7)，围岩级别和地下水状态2个评价指标的状态组合评价值φ2(见表8)。

相对位置、填充类型、溶洞规模等3个指标的状态组合(组合1)评价值与围岩级别、地下水状态这2个指标的状态组合(组合2)评价值，两两组合后得到243个样本的评价值φ，见表9。

表7 评价指标状态组合-危害性等级样本Table 7 Sample of the assessment indices state combination - karst cave hazard level工程案例相对位置填充类型溶洞规模评价值ϕ1危害性花果山YK97+475/ZK97+461、莲花山ZK3+070/ YK2+870拱部全填充大0.892 8大高罗ZK62+547、花果山ZK97+09/YK97+100拱部全填充中0.696 3大大岩坝ZK47+279拱部全填充小0.613 6大大岩坝ZK41+460、大岩脚ZK98+328、莲花山YK1+361拱部半填充中0.571 3大高罗ZK62+483、李家槽ZK37+583、莲花山YK3+074/YK1+468拱部半填充大0.773 2大牛塘YK64+666、白岩脚YK98+313拱部无填充大0.721 9大齐丘山YK19+114/YK19+219侧部全填充大0.696 3大李家槽ZK37+400/ZK37+508、齐岳山ZK19+219、莲花山ZK1+352～ZK1+358侧部半填充大0.571 3大牛塘YK64+649底部半填充大0.613 6大高罗ZK62+624、花果山YK96+921侧部无填充大0.52大高罗YK62+527、李家槽ZK37+528/YK37+437、熊家槽YK99+854拱部无填充中0.52大专家经验侧部半填充中0.473 4一般当阳坪ZK67+136、牛塘ZK64+452底部半填充大0.488 5一般

续表7 评价指标状态组合-危害性等级样本工程案例相对位置填充类型溶洞规模评价值ϕ1危害性花果山YK96+884、莲花山YK2+911拱部半填充小0.488 5一般专家经验底部全填充中0.411 7一般当阳坪YK67+985底部无填充大0.437 2一般牛塘ZK64+625侧部全填充中0.494 5一般专家经验侧部全填充小0.411 7一般李家槽ZK37+518侧部无填充中0.318 2一般专家经验底部无填充中0.235 3小当阳坪ZK67+411底部全填充小0.328 9小高罗ZK62+640、大岩坝ZK41+367、齐岳山ZK19+188拱部无填充小0.437 2小专家经验底部无填充小0.152 6小李家槽YK37+437、齐岳山ZK22+367侧部无填充小0.235 4小专家经验底部半填充中0.286 6小李家槽YK37+457侧部半填充小0.286 7小专家经验底部半填充小0.203 9小

表8 围岩级别和地下水状态因素状态组合评价值Table 8 The assessment value of the state combination of surrounding rock grade and groundwater status围岩级别较差较差较差一般一般一般较好较好较好地下水状态流水渗水潮湿流水渗水潮湿流水渗水潮湿评价值ϕ20.1020.0790.070.0650.0420.0320.050.0270.017

表9 全部评价指标状态组合评价值Table 9 The assessment value of the state combination of all assessment indices评价值ϕ0.1020.079……0.0270.017危害性0.892 80.994 80.971 8……0.919 80.909 8大0.696 30.798 30.775 3……0.723 30.713 3大0.613 60.715 60.692 6……0.640 60.630 6大……………………………………0.286 60.388 60.365 6……0.313 60.303 6小0.286 70.388 70.365 7……0.313 70.303 7小0.203 90.305 90.282 9……0.230 90.220 9小注:“……”代表组合1或组合2中省略的部分组合评价值。

3.2 评价值统计分析

统计不同的溶洞危害性等级对应的总评价值φ在0～1.0范围(以0.1为间隔)的10个区间数量分布情况见表10，各分布区间的溶洞危害性等级评价值数量占总数量的百分比如图1所示。

表10 溶洞危害性等级评价值数量统计Table 10 Quantitative distribution statistics of the assessment value of karst cave hazard level 分布区间0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0合计大21312810999危害性等级一般9234072小423347472

图1 溶洞危害性等级评价值百分比统计

由图1看出，部分分布区间存在2种或3种溶洞危害性等级。如0.3～0.4区间，溶洞危害性等级“一般”的评价值百分比为12%、溶洞危害性等级“较小”的评价值百分比为47%；0.4～0.5区间，溶洞危害性等级“一般”的评价值百分比为32%、溶洞危害性等级“较小”的评价值百分比为10%；0.5～0.6区间，溶洞危害性等级“大”的评价值百分比为21%、溶洞危害性等级“一般”的评价值百分比为56%、溶洞危害性等级“较小”的评价值百分比为5%。对于此种情况，应将该区间归属于评价值百分比更高的危害性等级。因此，溶洞危害性等级“较小”对应的评价值是0.1～0.4区间；溶洞危害性等级“一般”对应的评价值是0.4～0.6区间；溶洞危害性等级“大”对应的评价值是0.6～1.0区间。

4 工程应用

莲花山隧道为一座位于广西柳州市北部的双向6车道分离式公路隧道，隧道净距为15.12～22.12m，为小净距隧道，采用钻爆法施工，开挖断面超过150 m2，隧道左线起点里程K1+280，终点里程K3+160；右线起点里程YK1+280，终点里程YK3+160。隧道主要穿越石炭系上统马平组(C3 m)灰岩，地质勘察阶段钻孔揭露到多个大型全充填溶洞，其位置均处于洞身影响范围内。隧址区旱季时一般无地下水，雨季时地表水的下渗会形成分布不均的裂隙水，地下水可能呈点状或线状渗入隧道。莲花山隧道在施工过程中多次出现了溶洞引发的灾害，具体情况见表11。

表11 溶洞灾害情况Table 11 Situation of karst cave disaster里程桩号溶洞情况灾害情况YK1+361拱顶出现4 m×2 m×5 m的溶洞地表塌陷直径8 m、深6 m的塌坑YK1+468左侧拱腰位置出现1.5 m×1.5 m×3 m的溶洞;右侧拱部出现3.5 m×4 m×5 m的溶洞涌出物约200 m3,砸坏初期支护钢拱架5榀ZK1+358左侧边墙出现7 m×3 m×6 m不规则溶洞,拱部出现6 m×6 m×7 m不规则溶洞,2处溶洞未串通,充填坡残积黏性土拱部溶洞充填物滑塌,掌子面7m范围内初支钢架变形、喷射混凝土开裂掉块ZK1+387揭露溶洞周边为松散土质,围岩溶洞周边持续小块脱落溶洞大体积脱落导致洞顶地表下沉YK3+074拱部出现6 m×7 m×8 m的不规则柱形溶洞,在中夹岩一侧由上至下向拱脚发育,充填淤泥质土,呈软塑状充填土体从掌子面涌出,造成YK1+066处地表沉陷约2～4 mYK2+911溶洞位于拱顶右侧,充填物主要为软塑状黏性土,含水量较大YK2+900～YK2+910范围地表出现沉陷,沉陷高度20 cmYK2+870拱顶右侧(中岩墙一侧)出现口径为1.5 m左右的溶洞,填充物为软塑状黏性土,含水量较大掌子面前方10 m位置地表出现直径10 m、深8 m塌坑ZK3+070左侧拱部出现大溶洞,围岩稳定性较差,局部层间或节理间夹泥,渗水出露充填土体涌出,地面形成一个长3 m、宽4 m、深15 m塌坑注: 表中溶洞尺寸为长×宽×高。

通过梳理表11中5个评价指标的状态，参考表6建立的定量评价准则，根据式(1)计算得到评价值，对比表11的危害性评价值范围，得到已发生溶洞灾害段落的危害性评价结果，见表12。

表12 溶洞灾害区段评价结果Table 12 Assessment results of karst cave disaster section里程部位填充类型溶洞规模围岩级别地下水状态分值评价结果记录结果YK1+361拱部无填充中较差渗水0.78大大YK1+468拱顶半填充软塑状淤泥质土大较差潮湿0.79大一般YK3+074拱顶全填充坡残积黏性土大较差潮湿0.97大大ZK1+358拱顶全填充大较差潮湿0.84大大YK3+074拱部全填充软塑状黏性土大较差潮湿0.97大大YK2+870拱部全填充软塑状淤泥质土大一般潮湿0.93大大ZK3+070拱部半填充可塑黏性土大较差渗水0.98大大ZK1+387右边墙半填充软塑状黏性土中较差无水0.44一般一般YK2+911拱部无填充小一般无水0.52一般一般

由表12看出，莲花山隧道已发生溶洞灾害段落的评价结果和实际记录结果基本一致，仅YK1+468里程的评价危害性等级为“大”，实际记录危害性等级为“一般”。

在莲花山隧道后续施工过程中，超前地质预报预测和开挖揭露到多处溶洞，典型的溶洞断面有ZK1+514、ZK1+537、ZK1+562、YK2+854、YK2+820、YK2+790等，溶洞情况见表13。

依据表13确定评价指标状态后，对溶洞危害性进行评价并采取了相应对策措施，具体情况见表14。

表13 溶洞情况Table 13 Situation of karst cave里程桩号实际记录的溶洞情况ZK1+514拱顶出现23 m×2 m×13 m溶洞,溶洞宽度往出口方向延伸越来窄。ZK1+537左侧拱腰出现10 m×3 m×10 m溶洞。ZK1+562右侧起拱线位置出现充填型溶洞,且伴有裂隙向掌子面前方发育,充填物以黏性土为主并夹有碎石块,有零星掉落。YK2+820拱顶右侧出现3 m×2 m×5 m小型溶洞,有泥质填充物并零星掉块。YK2+790上台阶掌子面正中揭露长2 m、宽1.5 m的小型溶洞口,有泥质填充物并零星掉块。注: 表中溶洞尺寸为长×宽×高。

表14 溶洞段落评价与处治情况Table 14 Assessment and treatment of karst caves里程部位填充类型溶洞规模围岩级别地下水状态分值评价结果对策施工情况ZK1+514拱部无大差无水0.79大护拱+回填安全ZK1+537拱部无大差无水0.79大护拱+回填安全ZK1+562侧部全填充坡残积黏性土小较差无水0.44一般护拱+回填涌泥+地表塌陷YK2+840拱部半填充软塑状淤泥质土中较差无水0.73大超前管棚安全YK2+790拱部半填充软塑状淤泥质土小较差无水0.44一般护拱+回填涌泥+地表塌陷注:①ZK1+562涌泥与地表塌陷情况:现场按溶洞处理预案进行封闭施工,准备过程中填充物再次集中涌出,涌泥量450 m3,覆盖掌子面向后约15 m范围;地表出现直径约12 m,深约6.5 m的倒锥形陷坑。②YK2+790涌泥与地表塌陷情况:出渣过程中突然发生涌泥现象,上台阶40 m范围内全部被充填物填充,突泥方量4 000 m3,地表塌陷20 m×29 m×17 m。

由表14看出，ZK1+514和ZK1+537危害性为“大”，溶洞无填充物，施工单位采用的对策是护拱+回填的“后处理”措施，溶洞未引发灾害；YK2+840断面危害性为“大”，溶洞有半填充软塑状淤泥质土，施工单位采用的对策是超前大管棚的“前处理”措施，溶洞未引发灾害；而ZK1+562和YK2+790断面由于危害性为“一般”，采用的是护拱+回填的“后处理”措施，在处理中或处理前分别发生了较大规模的涌泥和地表塌陷灾害。原因主要是超前探测和开挖面揭露结果错误的将溶洞规模判断为“小”，将掌子面揭露溶洞判断为“侧部”，导致危害性评价结果为“一般”。而实际的溶洞规模应为“大”、溶洞位置为“拱部”，危害性评价结果为“大”，采用的合理对策应为超前大管棚的“前处理”措施。

5 结语

该评价体系可较准确的确定溶洞对隧道的危害性，并且可操作性较强，为莲花山隧道施工过程中遇到溶洞时的施工决策提供了科学依据，施工单位多次基于评价结果采取施工对策，针对不同类型溶洞采用的处治方案更为经济、合理、可靠，大大降低了溶洞引发灾害的可能性和溶洞处治成本。但使用该评价体系时必须及时对超前地质预报物探法判断的岩溶发育程度高、范围较大的区段，采用超前钻探确认溶洞位置、溶洞填充物和溶洞规模，或结合缩短施工进尺、少量揭露局部溶洞，进一步确认评价指标状态，在确保评价指标状态正确的前提下，才能保证评价结果的准确度。