大溶腔小跨度公路隧道溶洞处理方案研究

朱丹晖 聂 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

引言

我国中西部公路、铁路山岭隧道在修建过程中常面临岩溶地质灾害。 由于岩溶发育特征,溶洞具有不确定性、不规则性、复杂性等特点,导致隧道修建过程中突水、突泥风险大幅增加,若处置不当,将严重影响隧道工程的稳定性与安全性。

诸多学者对隧道穿越溶洞段的处治方案进行研究。 崔炫等通过数值模拟发现溶洞回填可有效抑制隧道围岩变形[1];李元海等研究发现,溶洞回填和注浆加固可有效降低围岩位移和塑形区范围[2];李雄周等提出在地表和隧道内分别设置不同的加固措施来处治隧道岩溶发育段[3];李锟采用回填、桥跨和拱形防护等处治措施成功穿越岩湾隧道特大型溶洞段[4];王少辉等针对那丘隧道特大型溶洞段采用“承载桩基+纵横框架梁板+钢筋混凝土挡墙”组合结构与回填的综合处治方案,取得了良好的处治效果[5];曾蔚等采用大管棚超前支护与注浆加固结合的方法,解决了圆梁山隧道穿越高压富水深埋充填粉细砂层溶洞问题[6];李勇亮采用主被动防护、防护棚架措施保证了营盘山隧道的安全施工,采用混凝土回填进行溶洞处治取得了较好的经济社会效益[7];聂信辉针对兰花隧道岩溶发育段,采取预留过水通道及回填混凝土的处理方案成功通过岩溶发育段[8];罗文艺依托驼马店隧道,系统总结了岩溶突涌水系统辨识的方法和技术,为隧道衬砌设计提供参考[9];柴春阳等以丽香铁路为背景,总结分析岩溶发育规律及对隧道工程的影响,为隧道设计提供科学依据[10]。 还有学者依托岩溶隧道工程实例通过理论计算、数值模拟等方法对岩溶隧道变形控制技术开展研究[11-13],并对衬砌支护参数进行优化[16-19]。

由于隧道与岩溶空间相对位置关系、岩溶空间形状尺寸、岩溶范围内地下水赋存及渗流通道均有不同,溶洞处置方案较为复杂,仍需进一步研究隧道穿越溶洞段的施工技术。 以贵州舒家岩隧道为研究对象,利用工程类比法,综合考虑地质条件、技术、经济等因素,采用空腔回填、预留过水通道、隧拱+梁板的方式进行岩溶区跨越,并利用数值模拟软件分析隧拱结构的受力特征及变形,以期为后续类似情况下隧道跨越岩溶段提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

隧址区位于贵州黔北高原地带,场区属岩溶-侵蚀地貌单元,采用双向四车道高速公路设计标准,设计速度100 km/h,为分离式特长隧道,隧道主洞限界净宽10.75 m,净高5.0 m,隧道左右线净距为13.9~17.6 m,隧道最大埋深363.3 m,隧道左线长3089 m,右线长3157 m。 隧道采用复合式衬砌结构,初期支护采用型钢拱架+喷锚支护,二次衬砌采用模筑混凝土结构,隧道典型断面见图1。

图1 隧道衬砌典型断面(单位:cm)

溶洞于隧道右线揭露,隧道左线并未揭露溶洞,溶洞揭露处隧道埋深46.4 m,围岩为强-中风化石灰岩,岩质较硬,地表为斜坡地形,坡度为15°~25°,地表植被较茂密,以灌木为主,地表未发现落水洞及岩溶通道等。

1.2 溶洞概况

隧道出口右洞上台阶进洞142.2 m 时,里程为YK41+003.8,发现右侧存在垂直岩溶通道,岩溶与隧道相交于YK41+002.5,夹角约20°,溶洞沿隧道纵向宽6.4~8.6 m,开挖面以下溶洞深20~35 m,开挖面以上洞高约12 m,溶洞横向宽约22 m。 此处岩溶通道的1/5 位于线路内,其余处于线路外。

洞内可见石笋、石钟乳等,洞壁存在湿痕及水滴,洞底有其他溶洞或岩溶裂隙管道相连通,为其水流下渗通道。 溶洞处围岩为中风化石灰岩,稳定性较好。开挖断面出露中风化石灰岩,青灰色,中厚层状,局部薄层,节理较发育,岩层近水平发育,岩体较完整,掌子面较干燥,溶洞实景见图2、图3。

图2 隧道前方溶洞情况

图3 溶洞与隧道相对位置关系

溶洞相对稳定,可通过人工探查、测量对显露的溶洞进行揭示。 在右线掌子面进行地质超前预报及超前钻探,在溶洞附近以及已开挖通过的左线隧道中利用地质雷达、钻探孔(深度≮5.0 m)等方法进行探查,以探明周围是否还有溶洞。 通过对探测资料的综合分析,确定溶洞范围,结果见图4、图5。

图4 溶洞规模横断面示意(单位:cm)

图5 溶洞规模平面示意(单位:cm)

2 工程措施

2.1 工程方案

当隧道施工遇到溶洞时,一般采取跨越、加固洞穴、引排、截流岩溶水、清除充填物、填充物加固、回填夯实、封闭地表塌陷、疏排地表水等综合治理措施。

对于中大型溶洞,一般采用跨越处理方案。 对于发育形态各异和发育规模不等的溶洞,跨越结构可采用桥梁、地基梁、管梁、涵洞等形式,对于纵向范围较大的空溶洞,跨越结构可采用多跨连续梁或多跨简支梁结构。

溶洞处置原则是防止溶洞坍塌对隧道结构产生破坏,并保持溶洞内既有的水力联系通道的畅通。 舒家岩隧道右线YK41+003.8 处溶洞已稳定,洞内无明显流水,仅有少量渗漏水,但不排除雨季渗漏水加大的情况;周边岩体相对较好,综合考虑技术、经济因素,采用隧拱+梁板跨越、空腔回填、预留过水通道的方案,溶洞沿隧道轴向跨度相对较小,隧道基础部位设置纵梁跨越溶洞,纵梁和隧拱共同承担回填混凝土及地层压力,梁板承担车辆荷载,处理措施见图6、图7。

图6 溶洞处理横断面(单位:cm)

图7 溶洞处理纵断面 (单位:cm)

2.2 处理措施

(1)隧道结构下应回填密实,隧道底纵梁下3 m及两侧开挖外轮廓两侧2 m 采用C20 混凝土回填,回填混凝土层下3.0 m 范围内,回填碎石料粒径不宜大于150 mm,碎石料回填层孔隙率不应大于23%,确保不会出现塌陷、不均匀沉降等情况。

(2)为避免溶腔顶部落石对隧道结构形成冲击荷载,于隧道两侧及顶部位置采用分次泵送C20 混凝土回填,并于混凝土上铺设1.0 m 厚缓冲层。

(3)为避免后期回填洞渣由于溶蚀、回填密实度不足等原因导致沉降,使得隧道两侧回填混凝土重量作用于隧道衬砌结构,严重危害隧道衬砌结构安全,隧道两侧混凝土分次泵送,且在隧道结构外侧设置外倾1:0.1 木模板,于模板内侧设双层防水板,可形成有效滑动面,结构受力较为明确,有利于结构安全。

(4)为构造有效过水通道,于回填顶面预埋斜向排水管(ϕ100 mm),沿隧道轴向间距3.0 m 设置,斜向排水管与隧道环向、横向排水盲管相连。 并于隧道纵向下预埋ϕ300 mm 过水通道,过水管沿隧道轴向间距3.0 m 设置。

(5)隧拱初期支护采用型钢拱架,间距60 cm,二次衬砌采用50 cm 厚C35 模筑混凝土,二衬主筋为ϕ20 mm 三级钢,间距20 cm。

3 数值模拟

3.1 模拟方案

为验证溶洞段隧道支护方式及参数的安全合理,对溶洞段隧道衬砌进行三维计算分析。 依据溶洞段隧道衬砌施作顺序进行模拟,依次为溶洞底部洞渣回填,隧道两侧模板外混凝土回填,隧道初期支护及背后混凝土回填,底纵梁及二次衬砌施作,梁板施作。

由于回填洞渣后期可能存在进一步溶蚀、回填密实度不足等原因,计算不考虑洞渣支撑作用,仅计算底纵梁支撑作用下衬砌结构的强度及安全性。

3.2 模型建立

将回填混凝土按围岩考虑,假定围岩为连续性介质,在不考虑构造应力场的情况下进行模型建立,围岩采用M-C 模型,复合式衬砌分别采用shell 单元与实体单位进行模拟。

隧道跨越溶洞范围内沿轴向设置两道变形缝,模型尺寸为90 m×80 m×16.1 m(X×Y×Z),隧道相对位置关系及开挖支护模型见图8、图9。

图8 隧道与溶洞相对位置关系模型(单位:m)

图9 隧道开挖支护模型

溶洞段隧道埋深46.4 m,模型上部不进行约束,四周及底部采用位移约束。

隧道初期支护中,假定钢拱架与喷射混凝土变形协调,从而对钢拱架与初期支护进行刚度等效,有

式中,E0为C20 喷射混凝土的弹性模量;Eg为钢拱架钢材的弹性模量;Ac与Ag分别为初期支护横截面中喷射混凝土与钢拱架的截面面积。 等效后刚度与计算所用参数见表1。

表1 隧道开挖支护模拟参数

3.3 模型过程

(1)溶洞模拟

隧道施工前溶洞已稳定,利用Null 模型进行模拟开挖。

(2)隧道施工模拟

依据实际施工顺序,首先进行洞渣回填模拟,即临时恢复隧道结构下模型单元,然后利用实体单位模拟回填混凝土,利用shell 结构单位模拟隧道初支,利用实体单元模拟底纵梁及二衬结构,隧道结构模拟完成后,将隧道下方洞渣利用null 模型清除,不考虑洞渣支撑作用,进行隧道结构计算分析。

3.4 计算结果与分析

(1)位移分析

沿隧道开挖方向,对衬砌施作后隧道拱顶、拱腰位移及纵梁位移进行监测,分析拱顶及纵梁的竖向位移及拱腰的水平位移,计算结果见图10~图13。

图10 隧道施作后衬砌结构竖向位移云图(单位:m)

图11 沿隧道轴向拱顶竖向位移曲线

图12 沿隧道轴向拱腰水平位移曲线

图13 沿隧道轴向纵梁竖向位移曲线

隧道衬砌支护后竖向变形及水平收敛较小,拱顶二次衬砌最大沉降量为0.58 mm,纵梁最大竖向沉降量为0.76 mm,拱腰水平位移较小,仅为0.07 mm。

(2)应力分析

依据应力计算云图,纵梁支点位置纵梁及隧道衬砌结构位置存在压应力集中,纵梁中心位置存在拉应力集中,见图14~图16。

图14 二衬结构竖向应力云图(单位:Pa)

图15 二衬结构X 向水平向应力云图(单位:Pa)

图16 二衬结构Y 向水平向应力云图(单位:Pa)

依据应力云图,隧道衬砌及纵梁支点位置压应力最大为4.21 MPa,纵梁中心位置拉应力最大为0.43 MPa,小于混凝土结构抗压及抗拉强度。

(3)围岩变形分析

为分析隧道施工过程围岩的稳定性,对隧道拱顶(原溶洞顶部)沿隧道轴向中心位置围岩设置监测点,监测施工过程围岩竖向变形,计算结果见图17。

图17 隧道拱顶围岩随施工工序竖向位移变化曲线

4 方案应用

针对溶洞体积大,但沿隧道轴向跨度相对较小,且隧道衬砌位于溶腔上部的情况,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式进行岩溶区跨越方案较为合理,通过工程类比与数值模拟计算综合分析,确定为本项目溶洞跨越最终方案。 目前,该段溶洞处理已完成,对隧道进行监测,于溶洞处置中心位置设置一组监测断面,具体监测点及监测数据见图18~图21。

图18 观测点布设示意(单位:cm)

图19 隧道累积竖向沉降监测

图20 隧道累积拱腰水平收敛监测

图21 纵梁累积竖向沉降监测

洞内变形监测结果显示,结构各部位变形值非常小,隧洞拱顶与纵梁几乎无竖向位移,隧道水平收敛无位移,隧道处于稳定状态,隧道二衬表面无渗水现象,处置方案基本合理。

5 结论及建议

(1)经数值计算分析,隧道衬砌施作后,纵梁最大沉降量为0.76 mm,隧道衬砌结构最大沉降量为0.58 mm,隧道水平收敛最大为0.07 mm。

(2)隧道跨越溶洞段衬砌施作后,纵梁支点位置处存在压应力集中,最大压力应力为4.21 MPa,纵梁中心位置存在拉应力集中,最大拉应力为0.43 MPa,均小于结构材料强度。

(3)针对溶洞体积大,但沿隧道轴向跨度相对较小,且隧道衬砌位于溶腔上部的情况,采用空腔回填、隧拱+梁板的方式较为合理。

(4)溶洞处理应综合考虑溶洞规模、溶腔大小与隧道相对位置关系,结合溶洞段水文地质条件,合理疏导地下水,综合确定隧道衬砌及防排水措施。