高速公路隧道溶洞拱顶落石处置技术

以贵州省某高速公路隧道穿越大型溶洞为工程依托，针对隧道突出的溶洞拱顶落石冲击隧道的安全风险，采用现场踏勘和数值计算的方式进行处置。首先通过对溶洞补充勘察测绘，掌握溶洞的几何形态及工程地质条件，然后通过作图法对落石冲击下隧道衬砌的最大荷载值与拱顶吹砂层厚度和回填混凝土厚度关系进行了分析，得到了合理的吹砂层厚度和回填混凝土厚度，接着再采用荷载-结构法对不同落石作用位置下的隧道二次衬砌的变形和受力进行分析，得到落石冲击荷载作用在拱墙中部时二次衬砌变形和受力最不利，最后按照最不利工况下的二次衬砌结构受力进行截面厚度和配筋计算，得到最终的二次衬砌截面参数，同时辅以溶洞基底处置和排水处理等其他措施，最终形成高速公路隧道溶洞拱顶落石处置技术。

公路隧道； 溶洞落石； 落石冲击； 数值计算； 处置措施

U455.49 B

［定稿日期］2022-12-07

［作者简介］张玉强（1989—），男，本科，工程师，主要从事建筑工程工作。

随着我国交通基础设施建设的持续发展，特别是西南山岭地区隧道数量和规模的逐步增加，越来越多的隧道将会穿越岩溶地层，而岩溶隧道施工过程中暴露的问题也越来越多。目前，针对岩溶地区施工隧道的研究方法主要有解析法［1］、数值模拟法［2］和模型试验法［3］，主要对岩溶风险因素［4］、施工力学行为［5］、围岩动态监测［6］、岩溶影响因素及规律［7］、溶洞探测分析与围岩变形预测［8］、施工安全控制［9］等问题进行研究。李慎奎等［10］以武汉地铁岩溶专项勘察资料和地铁工程中岩溶处理案例为依据，采用综合统计方法分析岩溶发育特征和规律，总结了地铁车站、区间隧道穿越岩溶区时的处理方法。宋战平［11］采用数值模拟试验和现场原位试验的方式研究了隐伏溶洞对隧道围岩、支护结构稳定性的影响。史世雍等［12］运用有限元软件研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩稳定性的影响，并与现场实测数据进行对比分析。周雪铭等［13］结合清连高速公路白须公特大岩溶隧道施工过程，采用三维有限元软件（ANSYS）对白须公隧道的处治结构与隧道开挖的相互作用进行了数值模拟，验证了桩-承台-单边支撑墙-联系梁的处治方式是安全可靠的。

本文以贵州某高速平安定隧道为工程背景，针对K49+890～+910段遇到的大型溶洞，采用数值计算的方法对溶洞落石冲击隧道拱顶不同位置下的衬砌结构受力进行模拟分析，并据此给出隧道衬砌的加固方案和溶洞的处置方案。

1 工程概况

贵州某高速公路隧道K49+925～+895溶洞基本沿洞身轴线发育，并向洞身左右两侧延伸，溶洞从K9+925 开始沿拱顶以上斜向小里程方向发育，至K49+895终止向向小里程方向延伸，长30 m。在拱顶正上方形成巨大溶腔，根据测量断面显示，溶腔总体横向呈椭圆形，上大下小，宽度5～20 m，距离拱顶以上顶板高5～17 m，溶洞侧壁多处有黏土夹碎石等附着，洞壁潮湿，顶板有少量全风化页岩附着，有点滴状渗水。

2 施工揭示溶洞情况

现场踏勘观察分析溶洞側壁目前处于天然稳定状态。溶洞顶板由于跨度大、临空面宽，岩体受产状、节理切割成巨大块状岩体，块径约长6～9 m，宽3～6 m，厚0.5～1.5 m。块状岩体拼接附着在溶洞顶板表面，形成危岩体，分布于K49+895～+915 段隧道拱腰中上部至拱顶上方溶洞顶板表面。在施工扰动、坡面渗水软化层间软弱夹层、润滑节理裂隙情况下，顶板附着块状岩体容易失稳掉块、坍落。综合考虑判定：K49+895～+915 段隧道拱腰中上部至拱顶上方溶洞顶板属欠稳定状态（图1、图2）。

3 防落石冲击隧道的结构形式

为保证溶洞段衬砌结构安全，选择溶洞顶板最高K49+901为计算断面，对溶洞段衬砌进行抗落石冲击验算。通过计算得到的隧道衬砌结构如图3所示。

溶洞段的工程处理方案：初期支护采用工18钢架，间距50 cm，拱架连接钢筋间距加密至25 cm，采用双层网片。上台阶初支施工完成达到设计强度后开始进行本段的C20混凝土回填工作，回填应分层分次泵送，首次泵送混凝土至拱顶以上1 m，待初期支护落底，隧道仰拱及填充施工完成后再次泵送混凝土至拱顶以上2 m，泵送混凝土达到强度70%后进行隧道拱顶吹砂，吹砂厚度2.5 m。本段隧道二次衬砌采用钢筋混凝土并加厚至0.7 m，采用对称配筋，内外侧钢筋均为每延米均布5股钢筋，每股钢筋包含2根25 mm号钢筋。拱顶防落石冲击的处理措施如图4所示。

4 防落石冲击隧道结构的方案制定

结构设计应对使用阶段可能出现的永久荷载、偶然荷载（落石冲击荷载）按最不利荷载组合进行计算，以局部变形理论为基础，采用荷载-结构模型，应用按照破损阶段计算钢筋混凝土构件的截面强度，对于永久荷载组合构件强度安全系数取2.0，对于永久荷载+偶然荷载安全系数取1.5。

4.1 计算参数

（1）二次衬砌混凝土强度等级C30。

（2）钢筋：HRB400热轧钢筋。

计算参数见表1、表2。

4.2 吹砂层厚度和回填混凝土厚度计算

计算荷载主要包括永久荷载、偶然荷载，其中永久荷载为水土压力、侧墙压力荷载和结构自重，偶然荷载为溶洞落石冲击荷载。结构设计应对使用阶段可能出现的永久荷载、偶然荷载按最不利荷载组合进行计算（表3）。

4.2.1 恒载

（1）拱顶回填覆土荷载。

覆土荷载=混凝土容重×高度+砂层容重×高度，计算公式见式（1）。

P0=γ1h1+γ2h2（1）

式中：γ1为缓冲回填体重度（18kN/m3）;h1为缓冲回填体计算厚度（m）；γ2为缓冲回填体重度（18kN/m3）；h2为混凝土回填厚度（m）。

（2）结构自重。C30钢筋混凝土自重。

4.2.2 偶然荷载

本计算模型中偶然荷载主要为落石冲击荷载，按照公路隧道设计细则JTG／T D70-2010《公路隧道设计细则》［14］中规定公式计算，见式（2）。

P=Qv0gt（2）

式中：P为落石冲击力（kN），本计算取落石体积为长×宽×高（6 m×1.5 m×9 m），为现场统计到的最大落石尺寸，重度取23 kN/ m3；Q为落石重力（kN）；g为重力加速度，取9.8m/s2；t为冲击作用时间。

落石速度见式（3）。

v0=k2gH（3）

式中：H为落石自由落体高度取10.5 m，为现场溶洞壁距离隧道顶板最高高度；k为系数，取1。

t=2h1c

c=（1-μ）E（1+μ）（1-2μ）ρ

式中：c为压缩波在回填体中往复速度（m/s）；μ為回填体的泊松比，本工程为中等密实干砂土，取0.25；E为回填体弹性模量，本工程为中等密实干砂土，取25MPa；ρ为回填体的重度，（kN/m3）。

落石冲击作用的等效与简化见图5。

将落石按照最小截面（Smin=1.5 m×6 m）等效为半径R1的圆形均布荷载P1，荷载作用在隧道上方刚性护拱后，按照混凝土刚性角φ=30°进行扩散，混凝土回填厚度为h2，作用在衬砌结构上荷载压力为P2，作用半径为R2。计算公式见式（4）～式（7）。

R1=Sminπ（4）

P1=PSmin（5）

R2=R1+h2tan（45°-φ2）（6）

P2=PπR22（7）

4.2.3 二次衬砌承受最大竖向荷载

通过计算二次衬砌上覆恒载和偶然荷载，得到二次衬砌承受的最大竖向荷载Pmax 见式（8）。

Pmax=P0+P2（8）

通过对作用在二次衬砌上的最大荷载公式进行分析发现，当落石的大小和高度一定后，Pmax的取值仅与缓冲回填体计算厚度h1和混凝土回填厚度h2有关。通过公式计算取不同的h1、h2，共441组数据，绘制Pmax关于h1取值为［0.1，0.5，1.0，1.5，2.0…9.0，9.5，10.0］，h2取值分别为［0.1，0.5，1.0，1.5，2.0…9.0，9.5，10.0］时的三维曲线图（图6）。

从图6可以看出，当吹砂层厚度小于2.5 m后，衬砌最大荷载急剧增加，当吹砂层厚度大于2.5 m后，混凝土厚度的变化对衬砌最大厚度的影响较小，综合考虑施工便宜性和二次衬砌受力情况，混凝土厚度取2.0 m。

4.3 截面参数计算

采用荷载-结构模型，结构为弹性地基上的框架结构。分别采用水平弹簧和竖向弹簧模拟地层对结构的水平位移和底板垂直位移的约束作用，地层弹簧仅能承受压力。计算软件采用有限元计算软件，计算取纵向每延米结构计算，计算模型如图7所示。

由于落石下落的位置具有随机性，根据落石冲击位置的作用中心距离隧道中心的距离不同，选取6种计算工况（表4）。

4.3.1 变形

通过图8可以发现，隧道二次衬砌变形最大值的位置随着落石作用中心的移动而由隧道拱顶逐渐向边墙移动，同时可以发现当落石作用中心位于拱顶之外时，隧道的变形均表现出落石作用一侧变形大，另一侧变形小的特点。由图9可以发现，隧道二次衬砌变形的最大值随着落石作用中心不断远离拱顶表现出先增大后减小的规律，落石作用中心位于拱墙中心（x=-3）时，二次衬砌的变形最大，为11.76 mm。

4.3.2 弯矩

通过图10可以发现，当落石作用中心（x>-2）时，隧道二次衬砌弯矩最大值的位置位于隧道拱部；当落石作用中心（x<-2）时，隧道二次衬砌弯矩最大值的位置位于靠近落石作用侧的仰拱端部；由图11可以发现隧道二次衬砌弯矩的最大值随着落石作用中心不断远离拱顶表现出先减小后增大再减小的规律，落石作用中心位于拱墙中心（x=-3）时，二次衬砌的弯矩最大，为1 420 kN·m。

4.3.3 轴力

通过图12可以发现，当落石作用中心偏离拱顶中心后，二次衬砌轴力的最大值出现在落石作用侧的边墙处。由图13可以发现，隧道二次衬砌轴力的最大值随着落石作用中心不断远离拱顶表现出先增大后减小的规律，落石作用中心位于拱墙中心（x=-3）时，二次衬砌的轴力最大，为4 460 kN。

4.3.4 剪力

通过图14可以发现，当落石作用中心偏离拱顶中心后，二次衬砌剪力的最大值出现在落石作用侧的墙脚处。由图15可以发现，隧道二次衬砌剪力的最大值随着落石作用中心不断远离拱顶表现出先增大后减小的规律，落石作用中心位于拱墙中心（x=-3）时，二次衬砌的剪力最大，为2 270 kN。

通过对不同落石作用位置下隧道二次衬砌的变形、弯矩、轴力、剪力分析可以发现，落石作用中心位于隧道拱墙中部（x=-3）时，隧道二次衬砌的变形受力最不利。为了保证隧道二次衬砌在落石冲击作用下的安全，对最不利工况下二次衬砌结构按照永久荷载和偶然荷载的最小安全系数1.5，进行截面厚度和钢筋根数的计算，得到最不利工况下的二次衬砌参数为截面厚度70 cm，钢筋10根=25 mm双层布置。将上诉截面参数带入其他工况得到不同工况下截面安全系数最小值如表5所示。

5 溶洞其他处置措施

（1）隧道基底处理措施：对隧道仰拱以下岩溶填充物予以清除，空洞溶采用石碴回填至仰拱以下3.5 m位置，并采用C15混凝土回填至仰拱底部。仰拱采用钢筋混凝土筏板基础，换、回填混凝土数量以现场收方为准。

（2）排水处理措施：系统环向排水管加密至1m/道，横向导水管加密至5 m/道。

（3）沉降缝措施：K49+910、K49+900和K49+890位置增设3道沉降缝。

6 结论

通过本文研究高速公路隧道拱顶落石处置技术，得到结论：

（1）通过作图法明确了隧道拱顶吹砂层厚度和回填混凝土厚度分别为2.5 m和2 m，为类似工程防落石冲击时确定吹砂层厚度和回填混凝土厚度提供了一种方法。

（2）通过荷载-结构法对不同落石作用位置下的隧道二次衬砌的变形和受力进行分析，得到落石冲击荷载作用在拱墙中部时二次衬砌变形和受力最不利，最后通过对最不利工况下的二次衬砌结构按照永久荷载+偶然荷载组合的最小安全系数1.5进行截面厚度和配筋计算，得到最终的二次衬砌截面参数。为防止落石冲击的隧道结构设计提供了一种计算方法。

（3）通过计算得到隧道拱顶溶洞回填措施和结构加强措施后，结合溶洞基底处理和排水处理技术共同形成高速公路隧道拱顶溶洞落石处置技术。

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