公路隧道垂直充填型溶洞冒顶塌方处治与灾变影响因子分析

2023-08-23刘定清贾艳领

岩土工程技术 2023年4期

刘定清谢沃贾艳领

（1.广西壮族自治区高速公路发展中心，广西南宁 530007；2.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007）

0 引言

近年来广西交通建设发展迅猛，未来致力于打造“1 环12 纵13 横23 联”的总体规划格局，公路建成和规划建设总规模达到15200 公里。广西作为国内岩溶地貌分布广泛的省份之一，大规模的公路建设将出现较多的岩溶区隧道。在地质复杂的岩溶区，岩溶灾害不仅影响项目进度，甚至可能出现人员伤亡和重大经济损失。因此，岩溶区隧道稳定性分析一直受到广泛关注。史世雍等[1]、王勇等[2]、赖金星等[3]通过建立有限元模型，研究了溶洞空间分布对隧道稳定性影响规律。张成平等[4]、苗德海等[5]结合实际工程案例，分析了隧道穿越充填型溶洞的力学行为及处治机理。孙国庆等[6]、赵玉龙[7]、马涛[8]研究了富水溶洞综合处治技术。曹校勇等[9]、刘同江[10]则针对大型干溶洞进行了研究，总结了溶洞回填处置技术。王建等[11]通过对隧道进行岩溶地质调查，总结了岩溶区隧道超前地质预报方法及应对措施。张美聪[12]结合地铁盾构隧道项目，提出了红黏土岩溶隧道处理措施。由于溶洞发育形状各异，隧道穿越时受力特征及变形规律也不同。对于垂直发育充填型溶洞，岩溶垂直发育程度较高，规模较大，隧道穿越时变形控制难度大，风险性高，处治不当则极易突泥涌水，诱发地表冒顶沉陷。

以广西岩溶区某高速公路隧道为工程依托，分析垂直发育半干充填型溶洞冒顶处治措施，通过数值模拟和现场实测结果验证方案设计效果。在案例基础上，运用控制变量法研究几个处治措施因子对隧道稳定影响程度。相关研究成果对类似岩溶隧道工程处治设计施工有一定借鉴意义。

1 工程概况

吾排隧道位于广西来宾市忻城县果遂乡境内，隧道长1620 m，为设计时速120 km/h 的双向四车道高速公路隧道。隧道断面矢跨比0.5，高跨比0.764，设计最大开挖宽度14.42 m，最大开挖高度11.02 m，开挖面积131.42 m2。隧道开挖至K72+645 上台阶掌子面时，掌子面出现塌方并诱发了地表塌陷。塌陷处隧道埋深约95 m，塌陷坑直径约为20 m，深约15 m，累计塌方量约4700 m³，此次岩溶灾害造成了已施做初支变形扭曲破坏、工程设备损坏、工程投资增加、建设工期延误、地表附近道路中断等多方面不利影响。塌陷坑俯视图及充填溶洞示意图如图1 所示。

2 灾害处治设计

分析隧道地层结构可知，地层下伏中等风化含燧石灰岩，上覆一定厚度黏土层，塌陷处隧道正上方发育充填型溶洞。下方隧道开挖扰动溶洞内部充填物，地层未能形成土拱效应而出现失稳。隧道顶部溶洞充填物沿溶腔垂直向下变形运动，从而导致地表成井状塌陷。处治方案设计长管棚超前注浆改变隧道周边土体特性，在隧道外侧形成保护硬壳以承担隧道开挖后顶部溶积物自重。由于隧道顶部松散土体自重较大，支护设计采用双层初支增加抗力以减少隧道支护结构变形。处治设计本着总体适当加强原则，制定了如图2 所示灾害处治方案：

图2 处治方案设计图（单位：mm）

（1）超前支护：φ108×6 mm 超前大管棚+φ42×4 mm超前小导管注浆加固。

（2）初期支护：双层20b 工字钢+φ8 钢筋网+C25 喷射混凝土+φ42 径向注浆小导管+φ108×6 mm 锁脚钢管。

（3）二次衬砌：C30 钢筋混凝土，衬砌厚度50 cm。

3 有限元计算分析

3.1 模型参数

根据隧道所处桩号段落和隧道变形影响范围，选取三维模型尺寸为120 m×70 m×150 m（长×宽×高）。三维模型中溶洞、表层风化土、下层硬质灰岩均采用实体单元模拟，隧道初支采用壳单元模拟，系统锚杆采用植入式桁架单元模拟。建立模型单元如图3 所示，隧道特征点如图4 所示。

图3 三维模型图

图4 隧道断面特征点示意图

模型边界条件：除地表边界Z=90 m 为自由面外，其他五个边界X=-60 m，X=60 m，Y=0 m，Y=70 m，Z=-60 m 均为固定端约束。

模型基本假定：①岩土体本构关系为莫尔-库仑弹塑性模型，壳单元为弹性结构，锚杆本构关系为线弹性模型；②隧道处于地下水位线以上，因此不考虑地下水影响；③整个模型各地层呈水平分布。

由地质勘察报告可知，隧道围岩为中等风化含燧石灰岩，岩体呈中-厚层状构造，岩溶强发育，岩体较破碎。基岩上部覆盖黏土层，隧道顶板发育溶洞，充填可塑-软塑状黏土，内含孤石。隧道位于稳定地下水位以上，呈潮湿或点滴状出水为主，局部可能出现涌流状出水或呈淋雨状出水，自稳能力差，可能产生突泥突水等地质灾害。各地层及衬砌结构物理参数如表1 所示。

表1 物理性质参数

3.2 工序模拟

三维模型先进行初始地应力平衡计算，重置速度、位移、塑性区后进行隧道开挖支护计算。模型采用上下台阶法进行开挖模拟，开挖与支护同步进行，每循环上台阶与前一循环下台阶同步开挖支护，系统锚杆延后一个循环打设。模型共分七个施工步骤完成区段开挖支护，如表2 所示。

表2 模拟施工工序

3.3 结果分析

（1）围岩变形特征分析

选取溶洞区段中部典型隧道断面中部拱顶、仰拱和左右两侧拱腰围岩变形观测点进行分析。提取模型计算结果，整理各开挖工序完成后特征点位移累计曲线如图5 所示。

隧道开挖初期，隧道侧壁围岩位移特征点变形较小；随着溶洞区段开挖，拱顶位移产生突变，而其他三处观测点变化则较为平缓；隧道开挖通过溶洞区段后，隧道围岩变形趋于稳定。隧道周边围岩拱顶处最大变形为19.5 mm，拱腰最大变形为2.9 mm。由于岩溶充填物与溶洞侧壁灰岩物理特性差异较大，周边围岩变形规律则不同于隧道穿越均匀地层。地质相对较好的溶洞侧壁灰岩一定程度限制围岩的变形，从而致使隧道在溶洞段变形以拱顶拱底为主。拱顶受上部充填物自重作用，变形则更为明显。

（2）初支内力特征分析

随着隧道开挖初支施作，初支内力也在逐渐发生变化。各开挖工序完成后，提取初支X、Y、XY 方向的最大弯矩值，整理可得到初支时间-弯矩曲线如图6 所示；提取初支最大主应力、最小主应力、最大剪应力进行整理，可得到时间-应力曲线如图7 所示。

图6 工况-初支弯矩曲线

图7 工况-初支应力曲线

随着开挖的进行，初支的最大弯矩及应力也逐渐增大。弯矩在步骤二、步骤三节段增长较快，之后趋于稳定。最小主应力和最大剪应力在开挖全过程发展较为均匀，在步骤二阶段开挖接近溶洞区段时，最大主应力明显增大。内力变化趋于稳定后，初支最大弯矩值为430.8 kN·m，最大主应力为16107.12 kN/m2，最小主应力为-18714.43 kN/m2，最大剪应力为8799.02 kN/m2。分析模型的变形及内力最大位置均在围岩溶洞区段拱顶，因此对该区域进行针对性补强。

3.4 现场监控结果分析

隧道塌方冒顶灾害处治完成后，对隧道拱顶沉降及拱腰水平收敛进行持续监控测量，得到初期支护累计变形曲线如图8 所示。分析可知，冒顶处治完成后隧道变形趋于稳定。现场开挖时间跨度大，因而现场监控变形累计曲线较模型计算结果均匀平缓。对比模型计算结果与现场监控数据可知，隧道初支变形总体趋势一致，均随着隧道开挖支护往前推进，变形逐渐增大然后趋于稳定。隧道初支现场拱顶沉降累计量为29.5 mm，水平收敛累计值为24.9 mm，均小于方案设计预留变形量。隧道整体变形可控稳定，方案较为合理。现场隧道开挖、初期支护、锁脚锚管施工均需要一定时间，在这段时间内隧道支护体系没有完全形成。因此，累计拱顶沉降及累计拱腰收敛值现场观测值均大于模型计算值。

图8 处治后隧道初支累计变形曲线图

4 灾变控制影响因子分析

以上述模型为基础，通过控制参数变量，分别建立模型。如表3-表5 所示，通过控制实体单元参数以模拟溶积物密实程度和灰岩围岩等级；通过控制壳单元厚度模拟单双层初支，单层初支厚度为0.26 m，双层初支厚度为0.5 m；通过改变溶洞底部实体单元属性模拟超前注浆效果。模型材料参数依据隧道地质勘察报告及公路隧道设计细则，选取对变形最为敏感的初支拱顶沉降作为结果进行分析。

表3 变形影响因子表

表4 填充物物理力学性质参数表

表5 岩层物理力学性质参数表

4.1 超前注浆影响分析

对于垂直充填型溶洞，超前支护注浆有利于隧道控制初期围岩变形。在模型计算过程中改变拱顶上3 m 厚度溶洞充填物特性，从而模拟超前支护注浆效果。提取初支拱顶单元累计竖向位移值，可得到有无超前管棚注浆层计算对比曲线如图9 所示。

图9 有无管棚超前注浆计算结果对比曲线

有管棚超前注浆加固时，溶洞段隧道初期支护拱顶最大沉降量为-22.9 mm；无管棚超前注浆加固时，溶洞段隧道初期支护拱顶最大沉降量为-30.7 mm。采取隧道超前注浆大管棚支护时，溶洞区段初支变形明显小于未采用超前管棚时初支变形。因此可知，隧道超前管棚支护可有效控制溶洞充填物区段初支变形。

4.2 初支厚度影响分析

对溶洞围岩软弱段，可以通过提高抗力以抵抗隧道变形。对于垂直发育充填型溶洞，随着隧道掘进扰动，岩溶堆积物下部抗力消失，岩溶堆积物与灰岩无法形成有效土拱效应，产生蠕动的岩溶堆积物自重较大部分由隧道初支进行承担。因此，加强隧道初期支护是控制围岩变形的方法之一。由图10 模拟计算结果可知，采用单层初支时，溶洞段初支最大竖向位移为-38.8 mm；采用双层初支时，溶洞段初支最大竖向位移为-22.9 mm。对比可发现，采用双初支虽增加了造价和施工周期，但在控制隧道变形方面效果明显，可有效保障隧道围岩软弱段施工安全。

图10 单双层初支计算结果对比曲线

4.3 地质特性影响分析

当溶腔周边的灰岩作为影响因子时，计算结果如图11 所示。当基岩为Ⅲ级围岩时，两侧非溶洞区段拱顶沉降为2.2 mm，中部溶洞段拱顶沉降为21.6 mm。当基岩为Ⅴ级时，两侧非溶洞区段拱顶沉降为9.3 mm，中部溶洞段拱顶沉降为22.9 mm。两种灰岩非溶洞段拱顶沉降差值为7.1 mm，中部溶洞段拱顶沉降差值为1.3 mm。因此可发现，岩溶填充物类型一致时，基岩围岩等级的差异对溶洞软弱区段变形影响较小。

图11 Ⅲ级灰岩与Ⅴ级灰岩计算结果对比曲线

当溶洞填充物为密实黏土时，隧道拱顶最大沉降计算结果为14.0 mm；当溶腔填充物为松散碎石土时，隧道拱顶最大沉降计算结果为22.9 mm。由图12分析溶洞区段计算结果可知，当选择溶腔填充物类型及密实程度为变形因子时，中部区段桩号范围拱顶沉降差异明显。因此可知，溶洞充填物的类型及密实程度对隧道变形影响较大，设计施工采取工程措施，改善溶洞充填物物理性质可有效控制隧道变形。