陳文尹

(中國中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 232000)

0 引 言

中國幾乎各省區(qū)都有不同面積的石灰?guī)r的分布，廣西地區(qū)出露的面積最大，達12萬km2，約占廣西全區(qū)總面積的60%。新建南崇(南寧-崇左)鐵路是中國與東盟半島的交通大動脈的重要組成部分，具有巨大的戰(zhàn)略、社會和經(jīng)濟價值。南崇鐵路途經(jīng)我國巖溶最為發(fā)育的廣西中西部地區(qū)，分布著連綿成片、形態(tài)各異、挺拔峻峭的石灰?guī)r山峰，如圖1所示，隧道施工過程中隱伏溶洞數(shù)量多、規(guī)模大、分布無規(guī)律、施工難度大，給施工進度帶來巨大的影響[1,2]。

圖1 廣西巖溶發(fā)育山峰圖

由于溶洞的不可預(yù)見性，巖溶對洞室穩(wěn)定性的影響是多方面的，巖溶的大小、位置及填充狀況對隧道位移場、應(yīng)力場和隧道支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的影響及對隧道施工都會產(chǎn)生影響。國內(nèi)外不少學(xué)者對地下溶洞的穩(wěn)定性進行了研究。一般都將溶洞看做是已經(jīng)存在的天然洞室，隧道的施工可認為是近接施工，通過位移、塑性區(qū)、能量突變等穩(wěn)定性判據(jù)得到相應(yīng)的安全距離或研究隱伏溶洞與隧道間巖層厚度的承載力，由此判定溶洞與隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。然而對于施工過程中揭示的溶洞，大多采用“先治理后通過”的方式，即先對溶洞進行處治，使其穩(wěn)定后再開挖掘進，此施工方法在溶洞處治過程中停滯了隧道的開挖，嚴(yán)重制約了隧道的向前掘進速度，施工效益較差。

基于以上的背景，如何通過快速處治或有效快速臨時加固溶洞，保證施工掘進不間斷，然后再對溶洞進行處治，加快施工速度，是施工單位面臨巖溶溶腔施工時面臨的重要問題。

1 依托工程及溶洞分布形態(tài)

南崇鐵路渠那隧道位于廣西自治區(qū)扶綏線境內(nèi)，全長1 345 m，隧址區(qū)地表可見洼地、溶洞、巖溶漏斗發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育。施工過程中深埋段已經(jīng)揭露或者探明的溶洞多達121個，雖然每個溶洞大小、位置、形態(tài)各異，但仍然存在著一定的規(guī)律，分析如下。

1.1 巖溶溶腔所處位置及發(fā)育走向

通過對渠那隧道深埋段已經(jīng)揭露或探明的121處隱伏巖溶的相對位置和發(fā)育走向進行統(tǒng)計結(jié)果見表1和2。

表1 溶腔相對位置統(tǒng)計表

表2 溶腔發(fā)育走向統(tǒng)計表

通過巖溶溶腔相對位置與發(fā)育走向的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：溶腔主要集中在隧道的拱頂(37.2%)、拱腰(32.3%)和拱肩(11.5%)處，拱腳和仰拱處相對較少；同時溶腔的發(fā)育主要沿隧道縱向(85.1%)，即大部分隱伏溶洞平行于隧道中心線或者溶腔主發(fā)育線與隧道中心線所形成的的夾角小于10°。

1.2 巖溶腔形態(tài)、大小及填充情況

溶腔的形態(tài)和大小進行統(tǒng)計結(jié)果如表3和表4所示。

表3 溶腔形態(tài)統(tǒng)計表

表4 溶腔大小統(tǒng)計表

溶腔形態(tài)主要表現(xiàn)為圓柱形(79.3%)；同時并不發(fā)育，主要集中在0-10 m(98.3%)，即大部分溶腔是小于0.8倍隧道跨度(跨度D為14.3 m)。

在匯總統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)占比90%以上的溶腔是干溶洞，且無填充，少于10%的溶腔會存在一些松散性填充物質(zhì)，但均未發(fā)現(xiàn)該區(qū)段有富水承壓型巖溶存在，溶腔整體的穩(wěn)定性較好。

2 施工工藝原理

通過對于渠那隧道巖溶溶腔的調(diào)查分析，表明溶腔的整體穩(wěn)定性較好，通過一定的快速處治，以拱蓋的方式進行跨越，具備“先通過后治理”的前提條件，基于此提出了相應(yīng)的施工工藝原理。

(1)對于頂部溶洞判別后的干溶洞利用其自身穩(wěn)定較好，采用噴射混凝土進行臨時封閉，確保其穩(wěn)定性。

(2)在頂部空溶腔處，通過上一榀拱架作支承點，通過剛拱架+超前錨桿(管)+網(wǎng)片組合以小角度向外側(cè)懸挑出去，通過噴射混凝土支護后，提前形成拱蓋的方式，先對溶腔進行跨越。

(3)通過對揭示溶洞的判別分析，在巖溶溶槽中周邊選擇較穩(wěn)定的巖體采用砂漿錨桿進行固定，利用砂漿錨桿的黏結(jié)作用將圍巖與穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起而產(chǎn)生懸吊效果、組合梁效果、補強效果，在已插打的錨桿上掛設(shè)鋼筋網(wǎng)進行錨噴加固。

(4)隧道開挖初支完成后對初支背后的溶洞進行回填混凝土和回填緩沖層砂層處理，同時做好隧道防排水系統(tǒng)。

(5)通過對隧道底部溶洞的洞渣回填處理，采用樁板結(jié)構(gòu)跨越隧底溶洞并進行加固。

3 施工流程及技術(shù)要點

3.1 施工流程

巖溶溶腔侵入隧道先通過后治理的施工流程詳如圖2所示。

圖2 施工流程圖

3.2 技術(shù)要點

3.2.1 施工準(zhǔn)備

通過地質(zhì)調(diào)查分析和地質(zhì)雷達掃描推測開挖工作面前方可能揭示地質(zhì)情況，地質(zhì)鉆孔法對掌子面前方及周邊的圍巖地質(zhì)情況探測，綜合檢測確定溶洞的范圍、大小及有無填充物等情況。

3.2.2 超前支護

上臺階開挖前，采用單排Φ42×3.5 mm@500 mm小導(dǎo)管對拱腰以上進行超前支護。首先采用風(fēng)動鑿巖機鉆孔，鉆孔長度為4.5 m，外插角一般為10°～15°，可根據(jù)實際情況作調(diào)整。將超前小導(dǎo)管在加工廠制作完畢后，運至掌子面并插入鉆孔，安裝完畢后采用1:1水泥漿進行注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿完畢后采用錨固劑進行封堵，至此上臺階注漿預(yù)加固處理完畢。

3.2.3 溶洞類別判定

通過開挖洞身后揭示溶洞位置情況(隧頂或隧底)，對溶洞類別進行判斷，制定快速處理措施。

3.2.4 溶洞臨時處理

(1)拱部溶洞。先揭示溶洞周邊破碎圍巖應(yīng)采用機械排除，并對填充物進行清除。對溶洞內(nèi)壁噴射10 cm厚的混凝土封閉溶洞，然后在溶洞內(nèi)打設(shè)砂漿錨桿固定巖體，掛鋼筋網(wǎng)片錨噴加固。采用多功能作業(yè)臺架在隧道掌子面溶洞處施工超前支護鋼管孔、安裝錨桿，在溶洞處架立型鋼拱架支撐及鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片。預(yù)埋回填3 m長的混凝土管和5 m長的中粗砂泵管，并在初支背后預(yù)埋直徑100 mm的PVC管，管口接入集中出水點，末端直接彎入中心水溝，縱向間距1 m。最后采用濕噴機濕噴混凝土形成拱蓋支護。

(2)底部溶洞。初期支護加強：對其鋼架的C型接頭附近位置增設(shè)6m長鎖腳錨管(Ф42)，錨管與型鋼骨架采用Ф22U型鋼筋焊接，每榀鋼架4根，左右各2根。鎖腳全部施工完畢后，在縱向每排樁基的中間位置(樁間距中心大小里程側(cè)各3 m)增加臨時仰拱，并完成初噴作業(yè)。在隧底位置的溶洞回填洞渣處理，回填至標(biāo)高后采用壓路碾壓平整。

2.2.5 開挖支護

采用光面爆破方式對上下臺階掌子面進行鉆孔爆破開挖。

開挖完成后對洞身進行初噴，施作拱頂Φ22砂漿錨桿、Φ8鋼筋網(wǎng)片、工字鋼、縱向連接鋼筋，對拱架拱腳處施作3.5 mΦ22鎖腳錨桿，最后進行噴射混凝土封閉施工。

3.2.6 溶洞后處理

拱部溶洞：采用高壓泵送回填混凝土，對于溶洞高度大于5 m的，回填C20素混凝土+中粗砂。如圖3所示。

圖3 預(yù)埋混凝土管和砂管示意圖

①采用地質(zhì)雷達掃描儀對已處理完成的初支面進行地質(zhì)雷達掃描，驗證混凝土和中粗砂回填的質(zhì)量。

②通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、分析，掌握和預(yù)測施工中圍巖、支護的力學(xué)狀態(tài)及穩(wěn)定程度，驗證支護結(jié)構(gòu)施做效果，確認支護參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性。

底部溶洞：根據(jù)底部承載力情況進行樁基加固施工，保證基底的承載力。

4 施工安全數(shù)值分析

4.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)實際情況模擬隧道所處的地形、隧道埋深及隧道開挖的開挖過程，模擬計算采用FLAC 3D有限差分元通用程序。為充分模擬隧道的空間效應(yīng)，計算模型所取范圍是：根據(jù)實際工程情況沿橫向取120 m，深度取隧道仰拱下方25 m，拱部以上40 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層采用彈塑性實體單元模擬，初期支護、加強初期支護采用彈性實體單元模擬。三維數(shù)值計算模型見圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分圖

分別選取了先治理后通過和先通過后治理兩種工況開挖模擬分析。

4.2 計算參數(shù)

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)和混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和地勘結(jié)果選取，所確定的計算參數(shù)見表5和表6。

表5 圍巖計算參數(shù)表

表6 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 圍巖位移分析

變形的數(shù)據(jù)主要采集了拱頂和邊墻初期支護的變形量。分別如圖5和圖6所示。

圖5 拱頂沉降對比圖

圖6 右邊墻變形對比圖

4.3.2 圍巖應(yīng)力分析

邊墻部位的豎向應(yīng)力的數(shù)值對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有重要表征作用，左右邊墻的豎向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律如圖7所示。

圖7 左右邊墻的圍巖豎向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律

從圖7中可以得到如下的規(guī)律：

(1)由于拱腰部位存在溶洞，受溶洞的影響，整體隧道及圍巖承受明顯的偏壓影響，右側(cè)的應(yīng)力要明顯高于左側(cè)應(yīng)力的情況；

(2)豎向應(yīng)力明顯大于水平向應(yīng)力，邊墻的豎向應(yīng)力最大，拱部水平應(yīng)力較大；

(3)先通過后治理的圍巖應(yīng)力要小于先治理后通過的情況，但是二者數(shù)值差別并不大。

4.3.3 初期支護變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

初期支護在施工中將承擔(dān)主要的荷載，因此其變形和受力情況對于隧道結(jié)構(gòu)的整體安全有著至關(guān)重要的影響。分別取豎向變形數(shù)據(jù)和豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析，如圖8～圖11所示。

圖8 先治理后通過的初期支護豎向變形圖

圖9 先通過后治理的初期支護豎向變形圖

圖10 先治理后通過的初期支護豎向應(yīng)力圖

圖11 先通過后治理的初期支護豎向應(yīng)力圖

從圖8～圖11中可以得到如下規(guī)律：

(1)初期支護的變形中，拱部的豎向變形是最大的，右側(cè)的水平向變形是最大的；

(2)先治理后通過的情況下，變形及應(yīng)力均小于先通過后治理的情況，但是二者差別不大；

(3)初期支護的應(yīng)力最大值為3.2 MPa，遠小于材料的容許應(yīng)力，表明結(jié)構(gòu)有較大的安全冗余。

5 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在南崇鐵路隧道開挖完成到DK58+395斷面時，由于隧道的擴挖，發(fā)現(xiàn)拱肩處存在一個大溶洞，溶洞大小為洞徑7 m(約0.5D)，位置相互關(guān)系如圖12所示，距離隧道輪廓線1 m，沿隧道縱向發(fā)育10 m無水無填充的溶洞，如圖13所示現(xiàn)場情況。

圖12 隧道與溶洞相對位置圖

圖13 隧道現(xiàn)場圖

埋設(shè)壓力盒和應(yīng)變計，其埋設(shè)位置和編號如圖14所示。

圖14 監(jiān)測元件埋設(shè)示意圖

測得的圍巖壓力最大值的分布規(guī)律如圖15所示，鋼架的彎矩和軸力如圖16和圖17所示。

圖15 測點圍巖壓力分布圖

圖16 鋼架彎矩圖

圖17 鋼架軸力圖

基于現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：溶洞位于隧道拱部時，圍巖壓力、初期支護的彎矩和軸力在靠近溶洞一側(cè)都比另外一側(cè)大，通過初步處治快速通過后，結(jié)構(gòu)的安全仍然是滿足要求的，表明先通過后處治的施工方法是安全且適用的。

6 結(jié) 論

本文以南崇鐵路渠那隧道實際工程為依托，對該工程采取的施工方法進行分析，得到了如下的研究結(jié)論。

(1)渠那隧道巖溶溶腔數(shù)量多，規(guī)模大，以縱向分布為主，多圓柱形，不發(fā)育，以干溶洞為主，整體穩(wěn)定性較好；(2)提出了先通過后處理的工藝原理和技術(shù)要點，數(shù)值計算及現(xiàn)場實測表明，在溶洞半徑為5 m以下時，先通過后處理的方案安全性是滿足要求的；

(3)先通過后處理施工技術(shù)有效減少了溶洞處理對隧洞掘進的影響，具有施工速度快，安全可靠的優(yōu)點。