大溶腔小跨度公路隧道溶洞處理方案研究

朱丹暉 聶 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

引言

我國中西部公路、鐵路山嶺隧道在修建過程中常面臨巖溶地質災害。 由于巖溶發育特征,溶洞具有不確定性、不規則性、復雜性等特點,導致隧道修建過程中突水、突泥風險大幅增加,若處置不當,將嚴重影響隧道工程的穩定性與安全性。

諸多學者對隧道穿越溶洞段的處治方案進行研究。 崔炫等通過數值模擬發現溶洞回填可有效抑制隧道圍巖變形[1];李元海等研究發現,溶洞回填和注漿加固可有效降低圍巖位移和塑形區范圍[2];李雄周等提出在地表和隧道內分別設置不同的加固措施來處治隧道巖溶發育段[3];李錕采用回填、橋跨和拱形防護等處治措施成功穿越巖灣隧道特大型溶洞段[4];王少輝等針對那丘隧道特大型溶洞段采用“承載樁基+縱橫框架梁板+鋼筋混凝土擋墻”組合結構與回填的綜合處治方案,取得了良好的處治效果[5];曾蔚等采用大管棚超前支護與注漿加固結合的方法,解決了圓梁山隧道穿越高壓富水深埋充填粉細砂層溶洞問題[6];李勇亮采用主被動防護、防護棚架措施保證了營盤山隧道的安全施工,采用混凝土回填進行溶洞處治取得了較好的經濟社會效益[7];聶信輝針對蘭花隧道巖溶發育段,采取預留過水通道及回填混凝土的處理方案成功通過巖溶發育段[8];羅文藝依托駝馬店隧道,系統總結了巖溶突涌水系統辨識的方法和技術,為隧道襯砌設計提供參考[9];柴春陽等以麗香鐵路為背景,總結分析巖溶發育規律及對隧道工程的影響,為隧道設計提供科學依據[10]。 還有學者依托巖溶隧道工程實例通過理論計算、數值模擬等方法對巖溶隧道變形控制技術開展研究[11-13],并對襯砌支護參數進行優化[16-19]。

由于隧道與巖溶空間相對位置關系、巖溶空間形狀尺寸、巖溶范圍內地下水賦存及滲流通道均有不同,溶洞處置方案較為復雜,仍需進一步研究隧道穿越溶洞段的施工技術。 以貴州舒家巖隧道為研究對象,利用工程類比法,綜合考慮地質條件、技術、經濟等因素,采用空腔回填、預留過水通道、隧拱+梁板的方式進行巖溶區跨越,并利用數值模擬軟件分析隧拱結構的受力特征及變形,以期為后續類似情況下隧道跨越巖溶段提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧址區位于貴州黔北高原地帶,場區屬巖溶-侵蝕地貌單元,采用雙向四車道高速公路設計標準,設計速度100 km/h,為分離式特長隧道,隧道主洞限界凈寬10.75 m,凈高5.0 m,隧道左右線凈距為13.9~17.6 m,隧道最大埋深363.3 m,隧道左線長3089 m,右線長3157 m。 隧道采用復合式襯砌結構,初期支護采用型鋼拱架+噴錨支護,二次襯砌采用模筑混凝土結構,隧道典型斷面見圖1。

圖1 隧道襯砌典型斷面(單位:cm)

溶洞于隧道右線揭露,隧道左線并未揭露溶洞,溶洞揭露處隧道埋深46.4 m,圍巖為強-中風化石灰巖,巖質較硬,地表為斜坡地形,坡度為15°~25°,地表植被較茂密,以灌木為主,地表未發現落水洞及巖溶通道等。

1.2 溶洞概況

隧道出口右洞上臺階進洞142.2 m 時,里程為YK41+003.8,發現右側存在垂直巖溶通道,巖溶與隧道相交于YK41+002.5,夾角約20°,溶洞沿隧道縱向寬6.4~8.6 m,開挖面以下溶洞深20~35 m,開挖面以上洞高約12 m,溶洞橫向寬約22 m。 此處巖溶通道的1/5 位于線路內,其余處于線路外。

洞內可見石筍、石鐘乳等,洞壁存在濕痕及水滴,洞底有其他溶洞或巖溶裂隙管道相連通,為其水流下滲通道。 溶洞處圍巖為中風化石灰巖,穩定性較好。開挖斷面出露中風化石灰巖,青灰色,中厚層狀,局部薄層,節理較發育,巖層近水平發育,巖體較完整,掌子面較干燥,溶洞實景見圖2、圖3。

圖2 隧道前方溶洞情況

圖3 溶洞與隧道相對位置關系

溶洞相對穩定,可通過人工探查、測量對顯露的溶洞進行揭示。 在右線掌子面進行地質超前預報及超前鉆探,在溶洞附近以及已開挖通過的左線隧道中利用地質雷達、鉆探孔(深度≮5.0 m)等方法進行探查,以探明周圍是否還有溶洞。 通過對探測資料的綜合分析,確定溶洞范圍,結果見圖4、圖5。

圖4 溶洞規模橫斷面示意(單位:cm)

圖5 溶洞規模平面示意(單位:cm)

2 工程措施

2.1 工程方案

當隧道施工遇到溶洞時,一般采取跨越、加固洞穴、引排、截流巖溶水、清除充填物、填充物加固、回填夯實、封閉地表塌陷、疏排地表水等綜合治理措施。

對于中大型溶洞,一般采用跨越處理方案。 對于發育形態各異和發育規模不等的溶洞,跨越結構可采用橋梁、地基梁、管梁、涵洞等形式,對于縱向范圍較大的空溶洞,跨越結構可采用多跨連續梁或多跨簡支梁結構。

溶洞處置原則是防止溶洞坍塌對隧道結構產生破壞,并保持溶洞內既有的水力聯系通道的暢通。 舒家巖隧道右線YK41+003.8 處溶洞已穩定,洞內無明顯流水,僅有少量滲漏水,但不排除雨季滲漏水加大的情況;周邊巖體相對較好,綜合考慮技術、經濟因素,采用隧拱+梁板跨越、空腔回填、預留過水通道的方案,溶洞沿隧道軸向跨度相對較小,隧道基礎部位設置縱梁跨越溶洞,縱梁和隧拱共同承擔回填混凝土及地層壓力,梁板承擔車輛荷載,處理措施見圖6、圖7。

圖6 溶洞處理橫斷面(單位:cm)

圖7 溶洞處理縱斷面 (單位:cm)

2.2 處理措施

(1)隧道結構下應回填密實,隧道底縱梁下3 m及兩側開挖外輪廓兩側2 m 采用C20 混凝土回填,回填混凝土層下3.0 m 范圍內,回填碎石料粒徑不宜大于150 mm,碎石料回填層孔隙率不應大于23%,確保不會出現塌陷、不均勻沉降等情況。

(2)為避免溶腔頂部落石對隧道結構形成沖擊荷載,于隧道兩側及頂部位置采用分次泵送C20 混凝土回填,并于混凝土上鋪設1.0 m 厚緩沖層。

(3)為避免后期回填洞渣由于溶蝕、回填密實度不足等原因導致沉降,使得隧道兩側回填混凝土重量作用于隧道襯砌結構,嚴重危害隧道襯砌結構安全,隧道兩側混凝土分次泵送,且在隧道結構外側設置外傾1:0.1 木模板,于模板內側設雙層防水板,可形成有效滑動面,結構受力較為明確,有利于結構安全。

(4)為構造有效過水通道,于回填頂面預埋斜向排水管(?100 mm),沿隧道軸向間距3.0 m 設置,斜向排水管與隧道環向、橫向排水盲管相連。 并于隧道縱向下預埋?300 mm 過水通道,過水管沿隧道軸向間距3.0 m 設置。

(5)隧拱初期支護采用型鋼拱架,間距60 cm,二次襯砌采用50 cm 厚C35 模筑混凝土,二襯主筋為?20 mm 三級鋼,間距20 cm。

3 數值模擬

3.1 模擬方案

為驗證溶洞段隧道支護方式及參數的安全合理,對溶洞段隧道襯砌進行三維計算分析。 依據溶洞段隧道襯砌施作順序進行模擬,依次為溶洞底部洞渣回填,隧道兩側模板外混凝土回填,隧道初期支護及背后混凝土回填,底縱梁及二次襯砌施作,梁板施作。

由于回填洞渣后期可能存在進一步溶蝕、回填密實度不足等原因,計算不考慮洞渣支撐作用,僅計算底縱梁支撐作用下襯砌結構的強度及安全性。

3.2 模型建立

將回填混凝土按圍巖考慮,假定圍巖為連續性介質,在不考慮構造應力場的情況下進行模型建立,圍巖采用M-C 模型,復合式襯砌分別采用shell 單元與實體單位進行模擬。

隧道跨越溶洞范圍內沿軸向設置兩道變形縫,模型尺寸為90 m×80 m×16.1 m(X×Y×Z),隧道相對位置關系及開挖支護模型見圖8、圖9。

圖8 隧道與溶洞相對位置關系模型(單位:m)

圖9 隧道開挖支護模型

溶洞段隧道埋深46.4 m,模型上部不進行約束,四周及底部采用位移約束。

隧道初期支護中,假定鋼拱架與噴射混凝土變形協調,從而對鋼拱架與初期支護進行剛度等效,有

式中,E0為C20 噴射混凝土的彈性模量;Eg為鋼拱架鋼材的彈性模量;Ac與Ag分別為初期支護橫截面中噴射混凝土與鋼拱架的截面面積。 等效后剛度與計算所用參數見表1。

表1 隧道開挖支護模擬參數

3.3 模型過程

(1)溶洞模擬

隧道施工前溶洞已穩定,利用Null 模型進行模擬開挖。

(2)隧道施工模擬

依據實際施工順序,首先進行洞渣回填模擬,即臨時恢復隧道結構下模型單元,然后利用實體單位模擬回填混凝土,利用shell 結構單位模擬隧道初支,利用實體單元模擬底縱梁及二襯結構,隧道結構模擬完成后,將隧道下方洞渣利用null 模型清除,不考慮洞渣支撐作用,進行隧道結構計算分析。

3.4 計算結果與分析

(1)位移分析

沿隧道開挖方向,對襯砌施作后隧道拱頂、拱腰位移及縱梁位移進行監測,分析拱頂及縱梁的豎向位移及拱腰的水平位移,計算結果見圖10~圖13。

圖10 隧道施作后襯砌結構豎向位移云圖(單位:m)

圖11 沿隧道軸向拱頂豎向位移曲線

圖12 沿隧道軸向拱腰水平位移曲線

圖13 沿隧道軸向縱梁豎向位移曲線

隧道襯砌支護后豎向變形及水平收斂較小,拱頂二次襯砌最大沉降量為0.58 mm,縱梁最大豎向沉降量為0.76 mm,拱腰水平位移較小,僅為0.07 mm。

(2)應力分析

依據應力計算云圖,縱梁支點位置縱梁及隧道襯砌結構位置存在壓應力集中,縱梁中心位置存在拉應力集中,見圖14~圖16。

圖14 二襯結構豎向應力云圖(單位:Pa)

圖15 二襯結構X 向水平向應力云圖(單位:Pa)

圖16 二襯結構Y 向水平向應力云圖(單位:Pa)

依據應力云圖,隧道襯砌及縱梁支點位置壓應力最大為4.21 MPa,縱梁中心位置拉應力最大為0.43 MPa,小于混凝土結構抗壓及抗拉強度。

(3)圍巖變形分析

為分析隧道施工過程圍巖的穩定性,對隧道拱頂(原溶洞頂部)沿隧道軸向中心位置圍巖設置監測點,監測施工過程圍巖豎向變形,計算結果見圖17。

圖17 隧道拱頂圍巖隨施工工序豎向位移變化曲線

4 方案應用

針對溶洞體積大,但沿隧道軸向跨度相對較小,且隧道襯砌位于溶腔上部的情況,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式進行巖溶區跨越方案較為合理,通過工程類比與數值模擬計算綜合分析,確定為本項目溶洞跨越最終方案。 目前,該段溶洞處理已完成,對隧道進行監測,于溶洞處置中心位置設置一組監測斷面,具體監測點及監測數據見圖18~圖21。

圖18 觀測點布設示意(單位:cm)

圖19 隧道累積豎向沉降監測

圖20 隧道累積拱腰水平收斂監測

圖21 縱梁累積豎向沉降監測

洞內變形監測結果顯示,結構各部位變形值非常小,隧洞拱頂與縱梁幾乎無豎向位移,隧道水平收斂無位移,隧道處于穩定狀態,隧道二襯表面無滲水現象,處置方案基本合理。

5 結論及建議

(1)經數值計算分析,隧道襯砌施作后,縱梁最大沉降量為0.76 mm,隧道襯砌結構最大沉降量為0.58 mm,隧道水平收斂最大為0.07 mm。

(2)隧道跨越溶洞段襯砌施作后,縱梁支點位置處存在壓應力集中,最大壓力應力為4.21 MPa,縱梁中心位置存在拉應力集中,最大拉應力為0.43 MPa,均小于結構材料強度。

(3)針對溶洞體積大,但沿隧道軸向跨度相對較小,且隧道襯砌位于溶腔上部的情況,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式較為合理。

(4)溶洞處理應綜合考慮溶洞規模、溶腔大小與隧道相對位置關系,結合溶洞段水文地質條件,合理疏導地下水,綜合確定隧道襯砌及防排水措施。