隧道侧穿巨型溶洞施工处置技术研究

孙 颐，蔡 义

（1、湖北交投建设集团有限公司 武汉 430070；2、湖北交投建设集团有限公司桥隧分公司 武汉 430070；3、湖北交投建设集团有限公司技术研发（信息）中心 武汉 430070）

0 引言

随着西部地区隧道建设逐渐增多，溶洞区隧道施工引起的安全问题越来越引起广大学者的关注［1-3］。溶洞的存在造成严重的围岩稳定性，尤其是隧道穿越大型溶洞群时，如果处理不好，极易诱发坍塌等施工安全问题。因此，研究穿越溶洞区隧道安全施工与处置方法的研究具有重要意义。

关于隧道穿越溶洞区施工安全问题的研究，目前国内外研究学者主要从数值模拟和模型试验两方面展开了初步研究，并且取得了一定的研究成果。龙禹［4］依托于玉京山隧道实际工程，针对隧址区域瓦斯、岩溶和暗河等不良地质情况高发的特点，提出了“移改暗河、充填空腔溶洞+洞顶施加支护+巨型溶洞连续梁桥跨越”的综合处理方式，长期监测结果表明提出的综合处置措施能够切实保障复杂地质区隧道结构的安全性；王军等人［5］利用相似模型试验（相似比1∶5）的方法研究了巨型溶洞超厚回填体，试验研究表明采用回填、注浆的综合处置方式，并采用3 m厚的钢筋混凝土路基板进行隔振处置能够有效避免振动荷载引起的沉降。于丽［6］结合Hawker Brown强度准则和极限分析理论，建立了深埋岩溶隧道在上覆岩洞条件下的坍塌机制，并给出了不同条件下的隧道坍塌形状，结果表明，上伏溶洞与隧道之间的高度H越大施工越安全；刘伟等人［7］通过正演实验的方法再现了地质雷达分辨掌子面前方溶洞填充物的分析过程，利用雷达图像的不同动力学特征确定大型溶洞的几何、位置和填充物等特征；何翊武等人［8］基于温克尔弹性地基梁理论，对下伏溶洞地层隧道结构进行了简化理论分析，分析溶洞尺寸及溶洞距隧道顶部距离对隧道塌落的影响；李志义等人［9］以宜万铁路齐岳山隧道为依托，利用数值模拟对掌子面前方不同规模溶洞诱发施工灾变机理进行了系统研究，研究发现围岩破坏规律与掌子面距溶洞间距密切相关，并对其影响机理给出了系统性分析；王薇等人［10］在既有研究的基础上，考虑了下伏溶洞对衬砌结构的影响，基于Pasternak弹性地基梁理论建立了下伏溶洞条件下衬砌结构力学解析模型，获得了结构在溶洞界面出存在显著的弯矩反弯点，溶洞填充物越软弱对衬砌结构的受力越不利；方勇等人［11-13］依托某三车道公路隧道实际工程，基于模型试验针对降雨引起的溶洞内压增大对隧道施工安全的影响展开了系统研究。研究结果表明在靠近带压溶洞的位置，溶洞内压将造成隧道变形、受力等响应的增大，并且距离越小该影响越大。此外，溶洞的存在将造成隧道支护结构受力不均现象。黄明利［14］提出来一种将隧道外水压转化为内水压的研究方法，据此建立了新型衬砌抗水压试验方法，验证了穿越高水压溶洞地层时衬砌结构的承载能力。

综上可知，既有关于穿越溶洞隧道施工安全问题的研究主要关注于下伏溶洞对结构的影响，并且对于巨型等溶洞处理的研究相对有限。为此，本研究基于恩施来凤县某隧道，利用数值模拟和现场监测等手段对隧道侧穿巨型溶洞施工过程中的安全问题进行研究。

1 工程背景

拟建隧道位于恩施来凤县三胡乡，设计为分离式隧道（见图1）。隧道走向由297°至304°逐渐变化。左线起讫桩号ZK19+630～ZK22+350，长2 720 m；右线起讫桩号YK19+660～YK22+395，长2 735 m。最大埋深218 m。隧道进、出口均位于直线上，进、出口纵坡均为2.00%。进洞口洞门拟采用端墙式，出洞口洞门拟采用端墙式。隧道出口右线掌子面（YK22+256）实际揭露围岩为中风化灰岩夹页岩，岩体呈块状结构，呈深灰色、局部土黄色，岩体较完整，属较坚硬岩。岩块锤击声清脆，稍震手，较难击碎，节理裂隙发育，掌子面整体较干燥，围岩自稳性一般。

当掌子面开挖至YK22+200 处，隧道线路右侧揭露一处溶洞，溶洞呈近似漏斗状，竖向发育，上小下大，走向与隧道路面竖向垂直，经现场测量上口截面直径约7.6 m，采用测绳实测深度约145 m（见图2）。经测量，沿隧道纵向侧面有约7.8 m 范围侵入隧道洞身，侵限最大约1.2 m。通过现场观测，溶洞腔壁附着黄泥、腔内有滴水、淋雨状流水，水量大小随降雨量而变化，溶洞腔壁上部表面光滑，下部较为破碎。经观察溶洞上方有小股状流水往下泄流，雨停，水量变小，呈滴水状。该段超前地质预报和底板岩溶探测结果，推断YK22+200～YK22+170段为中风化灰岩，块状-块碎状结构，节理裂隙较发育，雨季可能有渗水或滴水现象，夹泥，自稳性较差，其中YK22+197～YK22+195段推测存在岩溶发育；YK22+203～YK22+231 段隧底深度10 m 范围未见影响其稳定性的大型岩溶空腔。当掌子面开挖至YK22+195处时，隧道拱顶揭露溶洞，目测溶腔沿隧道横向发育，与YK22+200 处揭露的溶洞连接，与YK22+200 溶洞呈“Y”字型相交，已揭露的溶腔纵向长度约8 m，里程约为YK22+198～YK22+190，竖向高度约为11 m，溶腔与隧道拱顶之间岩石厚度约1 m，溶洞腔壁附着黄泥、岩石较为破碎，腔内有滴水、溶腔中部和顶部各夹有一块大孤石，孤石直径约3 m。当掌子面开挖至YK22+190处时，于2021年7月14日拱顶揭露溶洞继续向前方发育，其延伸长度约为7 m，里程约为YK22+190～YK22+183，隧道线路左侧拱顶揭露溶洞，溶腔沿隧道横向与拱顶溶洞相连，竖向高度约18 m，横向宽度约8 m，纵向长度约10 m。溶洞腔壁附着黄泥、岩石较为破碎，腔内有积水（见图3）。

图2 溶洞截面横断面及平面Fig.2 Cross and Longitudinal Section of Cavern

图3 现场揭示溶洞Fig.3 Cavern on the Side

2 巨型溶洞处置方法研究

2.1 溶洞处置方案比选

根据现场溶洞尺寸、位置、岩体特征等实际工程情况，文章提出改线饶避、内部桥梁跨越、溶洞回填等3 种处置方法，并从安全性、工艺复杂程度和经济学角度对3 种不同处置方法进行了全方位的对比分析。

3种处置方法的具体内容如下：

⑴方案1：改线方案。小幅度改变线路，使线路向右侧绕行，避开巨型溶洞。

⑵方案2：溶洞内部桥梁跨越。溶洞上部设置简支梁桥或上承式空腹拱桥跨越。

⑶方案3：溶洞回填处置。溶洞使用透水性材料回填；泵送C15 混凝注浆；增强支护结构参数，设置排水设施增强排水效果。

显然，上述3 种处置方法各有优劣。改线方案可以避免跨越溶洞，但存在地形条件复杂，工程建设风险大，耗费严重等缺点。并且线路穿过溶洞高发区，在接下来的施工过程中无法避免再次穿越溶洞情况，将造成施工过程中多次改线，耗费巨大经济代价，废弃工程量较多等问题。溶洞内部桥梁跨越可以避免回填方案中的巨大空腔回填工程量，但对桥梁基础的承载能力要求较高，并且内部空间狭小，施工难度大，对围岩稳定性与施工人员的安全性都是巨大的威胁。溶洞回填处置方法利用透水性回填体减小溶洞空间，能够为隧道支护结构提供支撑，施工工艺简单直接，能够显著缩短工期。在安全性和经济性等方面方案3 较其他两种方案具有显著优势。经过综合比选，最终选择方案3作为现场处置方案。

2.2 溶洞处置方案实施

具体施工工序如下：

⑴溶洞底部至隧道底板标高范围内（145 m）采用隧道开挖洞渣透水性材料进行回填，并竖向埋设3×φ30 cm双壁打孔PE管（长20 m）；

⑵溶洞范围内沿隧道初支外侧布设3道φ30 cm波纹管至拱顶，纵向间距2 m/道，下口与已埋设的3×φ30 cm双壁打孔PE管连接，双壁打孔PE管四周采用沙袋码砌，在洞身初支施工后，从边墙往拱顶分次泵送C15 混凝土，拱顶C15 混凝土最小厚度为2 m，布设的3道φ30 cm波纹管管口较拱顶混凝土高0.5 m，其波纹管和沙袋码砌形成的通道作为过水通道（见图4）；

图4 溶洞处置方案示意图Fig.4 Disposal Programs of Cavern

⑶ YK22+207～YK22+180 段（27 m）原支护参数由Z3 变更为Z5a（见图5），其初期支护中工字钢之间的φ22 连接筋调整为I14 工字钢，环向间距1.0 m；初支增设环向排水管，排水管间距为3 m/道，与隧道两侧纵向排水管连接。

图5 Z5a型支护结构Fig.5 Section of Z5a Lining Structure （mm）

现场注意事项：①加强超前地质预报、超前炮孔与监控量测工作，做好安全技术交底，安排专职安全、技术员负责现场管理，严格控制开挖进尺；②制定回填洞渣和混凝土的安全措施，确保施工安全；施工、监理单位做好相关验收记录工作。

3 现场监测与数值模拟研究

为了进一步研究本文提出的巨型溶洞处置方法的适用性和有效性，文章基于ABAQUS 数值软件对现场实际施工过程进行了模拟分析。模型尺寸为200 m（长）×200 m（高）×100 m（宽），围岩采用摩尔库伦模型，衬砌采用弹性模型。根据勘察资料，围岩、衬砌和回填材料的物理力学参数如表1所示。

表1 数值模拟材料物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameter of the Material

回填处理前后衬砌结构变形和受力情况如图6～图7所示。

图6 溶洞未处置时衬砌结构变形情况Fig.6 Deformation of Lining before Cavern Disposed

图7 溶洞处置后衬砌结构变形情况Fig.7 Deformation of Lining after Cavern Disposed

从图6 和图7 可以看出，溶洞隧道一侧巨型溶洞的存在造成结构存在显著的偏压问题，同时，支护结构顶部和左侧的巨型溶腔造成结构约束缺失，变形显著增大，尤其是衬砌结构左侧的水平变形大约是右侧边墙位置水平变形的4 倍，说明衬砌结构向左侧溶洞隆起变形严重。经过溶洞回填处置后，结构变形受到周围岩体的闭合约束，左右两侧边墙的水平变形显著缩小，拱顶沉降也降低至未处置时的1/3 左右。整体而言结构变形呈现出对称分布的特征，而且结构整体变形显著缩小。溶洞处置前后衬砌结构的最大主应力云图如图8 所示。溶洞处置前，衬砌结构最大主应力出现在拱顶左侧，这主要是由于衬砌左侧存在一个巨型空洞，在右侧围岩压力大作用下，衬砌存在向左侧溶洞变形的整体趋势。溶洞处置后，衬砌结构的受力呈对称分布特点，结构的最大主应力显著降低。

图8 溶洞处置前后衬砌结构受力情况Fig.8 Stress Distribution of the Lining

4 现场监测研究

为了保证施工安全、验证所提出的溶洞处置措施的合理性，施工过程中对结构的变形情况进行了长期监测，主要监测项目包括拱顶下沉和周边收敛情况。施工过程中衬砌结构变形的现场监测结果如图9 所示。可以看出，隧道衬砌结构的变形过程呈现出前期快速增长，后期增长速度逐渐放缓，最后趋于稳定的态势。结构变形稳定后，拱顶沉降值约为9.0 mm，并且结构整体变形整体呈对称分布，14 d 后结构变形速度基本维持在0 mm/d 左右，说明变形呈稳定状态，回填方案的处置效果良好，结构变形可控。

5 结论

⑴文章提出了隧道侧穿溶洞的改线、桥梁和回填等3种处置方案，从处置方法的安全性、复杂程度和经济型的角度对多种处置方式进行了比选研究，确定了“回填+注浆”的综合处置方法。

⑵隧道侧方溶洞造成的衬砌结构受力不均匀以及约束不闭合是威胁结构安全的主要原因。溶洞的存在造成结构承受显著的偏压荷载，右侧围岩压力导致结构向左侧溶洞发生变形。溶洞回填后，衬砌结构变形和受力均呈对称分布特征，结构的最大主应力显著降低。

⑶现场监测结果显示，溶洞回填后结构变形呈现出前期快速增长，后期逐渐趋于稳定的变形规律，整体呈对称分布，说明本文提出的“回填+注浆”的综合处置方法处置效果良好。