某山岭隧道岩溶灾害处置效果探讨

摘要：文章针对某岩溶隧道开挖情况，提出了岩溶灾害处置措施，运用Midas GTS NX软件，对采用灾害处置措施的典型工况在不同施工阶段下衬砌结构的竖向变形位移开展分析，对处置措施的效果进行了评价。为隧道施工中的岩溶灾害处置提供参考。

[基金项目]中国铁建股份有限公司科技重大专项课题（项目编号：2019-A04）

[作者简介]刘艺玮（1994—），男，硕士，助理工程师，研究方向为隧道设计。

由于岩溶灾害的难预料性与岩溶发育的隐蔽性、不规律性，岩溶灾害的出现会增加隧道施工风险。随着隧道工程的迅猛发展，隧道开挖遇到岩溶灾害的案例逐渐增多，已经成为隧道建设过程中的重要安全隐患。因此针对隧道岩溶灾害，采用合适的灾害处置方式对于保障隧道施工、运营期间的安全具有重要意义。本文利用Midas GTS NX对典型工况下的隧道岩溶灾害的处置措施效果进行分析，并进行评价。

1 工程概况与模型建立

1.1 工程概况

某山岭隧道围岩主要为强—中风化灰岩、页岩，岩体破碎，自稳能力较差。沿线大气降水丰富，地表径流较多，孔隙水、裂隙水、岩溶水等地下水极为发育。沿线岩溶不良地质极为突出。隧道在开挖过程中，于拱顶部位揭露高约10 m、长约15 m的溶腔，内部填充物涌入隧道中，并不断有泥和块石掉落。为保障后续施工、运营中隧道结构安全，采用处置措施：

（1）利用洞渣对掌子面拱顶进行反压堆积，保证掌子面稳定，并利用洞渣将溶洞口下方填满。

（2）用C30混凝土充填溶洞，厚度约2.5 m，并于其上泵送机制砂，厚约1.5 m。

（3）于拱顶120°范围施作大管棚与双层小导管超前支护并于其内充填砂浆;导管长4.5 m，环向间距30 cm、管棚环向间距40 cm。

（4）采用三台阶开挖，单次进尺0.5 m。初期支护采用30 cm厚C30混凝土，二次衬砌采用60 cm厚钢筋混凝土。

1.2 模型建立

为了验证隧道采用的处置措施的效果，利用Midas GTS NX对处治后隧道开挖情况进行分析。

模型长宽高分别为95 m×20 m×80 m。其中溶洞区长度为15 m，非溶洞发育区长为5 m。超前支护的方式为108 mm管棚与双层小导管。小导管纵向间距1 m，上层小导管倾角为30°，下层小导管倾角为10°。锚杆长度为3 m，环向间距1 m（其中溶洞区域不施作锚杆）。开挖施工完成后，于拱顶溶洞区域回填C30混凝土与机制砂层。

为了便于建模计算，对数值模拟模型进行相应的简化。隧道围岩视作弹塑性材料，采用Mohr-coulomb强度准则。锚杆和超前小导管于模型中直接建出，分别设定为植入式桁架单元和梁单元。管棚在模型中等效为板状实体单元结构。最后于空洞中回填的混凝土与机制砂同样设定为实体单元。计算模型总体与细部，如图1、图2所示。此外，考虑到管棚和小导管的物理力学参数在填充砂浆后有所改变，经换算后模型内单元的物理力学参数[1-3]，如表1所示。

2 计算结果与分析

在完成隧道开挖并施作初期支护后，模型竖向位移，如图3所示。回填后，模型竖向位移，如图4所示。施作二次衬砌后，模型竖向位移，如图5所示。为了更好地对衬砌的竖向位移变化进行分析，于距开挖起始断面起每10 m的位置设置一个监测断面，用于监测在开挖过程中拱顶和仰拱的竖向位移变化。通过提取完成断面开挖后对应施工阶段监测断面的拱顶和仰拱竖向位移值，得到竖向位移，如图6所示（横坐标表示施工阶段排序）。

由图3～图6看出：

（1）在隧道完成开挖后，模型内最大沉降位移为6.22 mm，最大隆起位移为2.57 cm;在对溶腔进行回填后，模型内最大沉降位移为6.69 mm，最大隆起位移为2.45 cm;在施作二衬后，模型内最大沉降位移为6.94 mm，最大隆起位移为2.42 cm。

（2）模型内最大向上位移发生在岩溶发育区开挖起始断面的拱顶区域，为2.57 cm;模型内最大沉降发生在非岩溶发育区的拱顶区域，为6.94 mm。

3 总结与结论

本文利用Midas GTS NX对某隧道开挖中遇到的岩溶灾害处置措施效果进行了研究，得出结论：

（1）隧道上方出现大型溶腔，但是由于溶洞自身结构具有一定的承载能力，使得溶洞发育区内的主要竖向位移都集中在岩溶发育部位，而下方的隧道结构受力较小，变形较小。

（2）由于溶腔內没有填充物，拱顶附近的初期支护缺乏上方的约束，在开挖过程中，由于监测断面的拱顶监测点位置有岩溶空腔发育且规模较大，因此在开挖过程中，监测断面拱顶附近的初期支护发生了向上的位移。在对溶腔进行回填后，在上方回填物的重力作用下，岩溶发育区拱顶附近的隆起位移有所减小，但是变化不大。

（3）在采用了处置措施后，隧道结构在后续开挖过程中，竖向位移变化并不明显，隧道结构整体稳定性较好。

（4）隧道开挖于拱顶揭露岩溶的情况下，采用对溶洞进行回填、缩小单次进尺长度、利用大管棚加双层小导管的超前支护并适当增强支护参数的处置方式，对于保障隧道后续开挖与运营期间的安全具有较为良好的效果。

参考文献

[1] 朱国保. 软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支护技术研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2007.

[2] 闵书. 隧道超前小导管注浆预加固数值分析[D]. 重庆： 重庆大学， 2013.

[3] 赵明阶，刘绪华， 等.隧道顶部岩溶对围岩稳定影响的数值分析[J]. 岩土力学. 2003， 24（3）： 445-449.