徐劍飛 梁睿斌 陳洪春

(江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

巖溶隧道不僅有一般隧道存在的風(fēng)險(xiǎn)，而且還有特殊的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。從兩個(gè)方面來分析：第一，裂隙水的存在大大降低了隧道圍巖的物理強(qiáng)度,使其在相同壓力強(qiáng)度下更容易破壞；第二，隧道受周邊溶洞的影響，各個(gè)部位的受力發(fā)生了極大變化,致使隧道在某些部位極易發(fā)生破壞。當(dāng)隧道存在溶洞時(shí)，隧道受力不再對(duì)稱，支護(hù)結(jié)構(gòu)也不再均勻受壓,局部存在高壓狀態(tài)，所以在這種情況下,隧道圍巖穩(wěn)定性難以保證,建成的隧道壽命也將減小。隧道在開挖爆破震動(dòng)、機(jī)械影響下將產(chǎn)生變形。如果這種影響未及時(shí)處理，隧道穩(wěn)定性將降低，當(dāng)位移超過極限位移時(shí)，這種變化將隨時(shí)帶來災(zāi)害，如隧道塌方、突水突泥等，從而威脅施工人員的生命安全，影響施工進(jìn)度[4]。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者大都結(jié)合工程實(shí)際,采用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)巖溶隧道穩(wěn)定性進(jìn)行專門研究[5-15]，但對(duì)中小隱伏溶洞的處理范圍與處理原則，尚未有較明確的技術(shù)方案和結(jié)論。

本文采用Flac3D軟件，從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，研究了不同大小和距離的溶洞對(duì)句容地下廠房圍巖穩(wěn)定性的影響，并研究已揭露溶洞的回填處理時(shí)機(jī)，預(yù)測(cè)了后續(xù)開挖過程中溶洞重點(diǎn)探查范圍，提出了切實(shí)可行的工程建議，為地質(zhì)條件類似地下洞室工程提供參考。

1 已探明溶洞概況

句容地下廠房工程區(qū)域巖溶、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，巖溶腔(溶洞)往往沿著長(zhǎng)大斷層或者長(zhǎng)大裂隙分布，圖1為地下廠房在廠右0+94.5斷面開挖揭露的溶洞，溶洞內(nèi)充填紅色黏土或棕黃色泥質(zhì)物，溶蝕泥化物存留在巖容腔內(nèi)，附近巖體往往伴生不同尺度的斷層及節(jié)理裂隙，使得隱伏溶洞及溶蝕裂隙帶四周巖體的強(qiáng)度總體較低，當(dāng)發(fā)育距離地下廠房結(jié)構(gòu)距離較近時(shí)，影響洞室圍巖的穩(wěn)定。由于工程現(xiàn)場(chǎng)巖脈及節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)復(fù)雜，部分結(jié)構(gòu)面存在走向不同于洞段的變化特征，因此在開展溶洞影響分析時(shí)，可以結(jié)合具體問題分析需要，綜合考慮巖溶腔及伴生的巖脈及節(jié)理裂隙這些特性。圖2為地下廠房區(qū)溶洞及部分結(jié)構(gòu)面三維空間示意圖，根據(jù)超聲物探結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)錨桿鉆孔結(jié)果，在廠右0+94.5斷面和廠右0+120斷面廠房上游側(cè)第一層開挖底板高程附近發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)直徑在3～5m之間的中小型溶洞，形狀為長(zhǎng)橢圓形，長(zhǎng)軸方向均與廠房軸線方向近似平行，距離廠房拱肩2～4m，溶洞底部高程尚未探明。

圖1 地下廠房開挖揭露的溶洞照片

圖2 地下廠房區(qū)溶洞及部分結(jié)構(gòu)面三維空間示意圖

另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描資料，整理了溶洞揭露的廠房洞段范圍內(nèi)的小型節(jié)理裂隙，根據(jù)溶蝕巖脈fx4以及結(jié)構(gòu)面f37走向，推測(cè)了廠房上游側(cè)邊墻的半確定性塊體以及可能存在隱伏溶洞的范圍，見圖3。在廠房后續(xù)層的開挖過程中，通過錨桿鉆孔可以探測(cè)是否存在溶洞以及溶洞范圍，及時(shí)制定處理方案，避免對(duì)廠房圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

圖3 地下廠房區(qū)溶洞洞段半確定性塊體以及溶洞可能存在范圍

2 溶洞處理范圍研究

針對(duì)潛在溶洞對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響進(jìn)行初步分析，建立二維數(shù)值計(jì)算概化模型，按Ⅲ類圍巖低值計(jì)算(f=0.9,C=0.8MPa)，并且不考慮系統(tǒng)支護(hù)加固效果和潛在溶洞與結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系。主要考慮了三種溶洞尺寸：1.5m、3m以及5m，分析溶洞尺寸與溶洞距廠房的距離對(duì)廠房圍巖的影響。

廠房圍巖完整，不存在潛伏溶洞影響時(shí)的塑性區(qū)分布見圖4。頂拱塑性區(qū)深度約4m，邊墻塑性區(qū)深度約11m，拱肩塑性區(qū)深度約3.5m。

圖4 完整廠房洞室開挖塑性區(qū)分布

不同位置3m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖5。頂拱3m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時(shí)，塑性區(qū)深度由4m增加到5.3m，溶洞周圍巖體塑性程度加深，塑性區(qū)集中分布在溶洞周圍巖體，對(duì)廠房圍巖穩(wěn)定性有不利影響；拱肩6m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時(shí)，溶洞周圍巖體的塑性區(qū)與廠方圍巖的塑性區(qū)連通；邊墻腰部9m處存在1.5m洞徑的隱伏溶洞時(shí)，溶洞尚在廠房圍巖塑性區(qū)內(nèi)，溶洞周圍巖體塑性程度加深，可能影響廠房邊墻腰部的圍巖強(qiáng)度。

圖5 不同位置1.5m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

不同位置3m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖6。頂拱6m處隱伏溶洞周圍巖體的塑性區(qū)連通了廠房頂拱圍巖塑性區(qū)，而9m處溶洞對(duì)廠房圍巖的塑性區(qū)無影響；拱肩9m處溶洞周圍巖體的塑性區(qū)以兩條貫通路徑的模式與廠方圍巖的塑性區(qū)連通，而12m處溶洞左側(cè)與下側(cè)的貫通路徑不再連通；邊墻腰部15m處溶洞周圍巖體的塑性區(qū)與廠方圍巖的塑性區(qū)以一條貫通路徑的模式連通，20m處溶洞右側(cè)塑性區(qū)貫通路徑消失。

不同位置5m洞徑的廠房開挖塑性區(qū)分布見圖7。相較于圖6，頂拱12m處的塑性區(qū)雖尚未連通但有一定的連通趨勢(shì)；拱肩處9m處塑性區(qū)的貫通路徑更寬，12m處溶洞右側(cè)和下側(cè)均出現(xiàn)了貫通路徑的趨勢(shì)；邊墻腰部20m處溶洞的塑性區(qū)也出現(xiàn)了貫通路徑。

圖6 不同位置3m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

圖7 不同位置5m洞徑溶洞的廠房開挖塑性區(qū)分布

根據(jù)上述分析，提出溶洞建議處理原則，見圖8。頂拱和拱肩的排查范圍錨桿鉆孔可覆蓋，邊墻的排查范圍可結(jié)合錨索鉆孔和探地雷達(dá)成果推測(cè)。確定溶洞位置后，結(jié)合斷層、巖脈及裂隙產(chǎn)狀等，分析溶洞成因，制定針對(duì)性的處理方案。對(duì)于小于1.5m洞徑的溶洞，除開挖揭露外建議不處理；對(duì)于1.5m≤D≤3m的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離3m、6m、9m范圍內(nèi)進(jìn)行處理；對(duì)于3m≤D≤5m的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離6m、9m、15m范圍內(nèi)進(jìn)行處理；對(duì)于5m≤D的溶洞，分別在頂拱、拱肩、邊墻距離8m、12m、20m范圍內(nèi)進(jìn)行處理。

圖8 地下廠房溶洞處理建議覆蓋范圍概化圖

3 處理措施

句容廠房已探明隱伏溶洞均充填密實(shí)黏土，僅依靠鉆孔水槍無法沖洗，須人工進(jìn)行開挖后沖洗，因此，建議采取以下處理方案(見圖9)：

圖9 地下廠房溶洞處理措施方案示意圖

a.以最大可能減少對(duì)廠房施工影響為原則，從排水廊道或者廠房向隱伏溶洞開挖導(dǎo)洞。

b.挖機(jī)或人工清理完溶洞內(nèi)充實(shí)黏土，用水槍將巖面清洗干凈。

c.C25混凝土回填，頂部回填灌漿。

d.在溶洞范圍內(nèi)按3～5m間距增加無黏結(jié)錨索支護(hù)。

e.結(jié)合溶洞附近地質(zhì)特征，采取數(shù)值計(jì)算等手段復(fù)核廠房圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

句容地下廠房圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，為了保證圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)隱伏溶洞進(jìn)行合理的探查并針對(duì)性地制定處理方案。本文根據(jù)已發(fā)現(xiàn)隱伏溶洞及溶洞附近巖脈及斷層產(chǎn)狀，推測(cè)廠房上游側(cè)邊墻第一層地板高程以下溶洞可能存在范圍，另外通過二維概化數(shù)值模型計(jì)算，給出了廠房整體溶洞處理的建議范圍，頂拱和拱肩溶洞的處理范圍錨桿鉆孔可覆蓋，邊墻處理范圍內(nèi)的溶洞可結(jié)合錨索鉆孔和探地雷達(dá)成果推測(cè)確定，提出隱伏溶洞處理措施，供類似工程參考。