周曉松， 陳浩然， 王岑真， 梁斌， 李文杰*

(1中鐵十五局集團第三工程公司， 成都 610097； 2河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 洛陽 471000)

中國巖溶地貌分布廣泛，特別是在滇南地區(qū)尤為集中。隨著高速鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，在巖溶地區(qū)修建鐵路隧道也越來越多，但鐵路隧道在開挖過程中難免遇到各種巖溶地質(zhì)問題，其中充填型溶腔成為隧道施工過程中的一大難點。當隧道穿越巖溶地區(qū)時，由于溶腔位置和充填情況的不確定性以及地質(zhì)預(yù)報反饋不及時，在開挖過程中極易發(fā)生突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]，影響隧道施工進度和威脅施工人員安全，若處治不當支護措施不到位，也會對隧道后續(xù)施工造成諸多影響。

文獻[4]通過有限元軟件建立溶洞及隧道三維模型，以圍巖應(yīng)力和孔隙水壓力為主要研究對象，分析了充填溶洞對隧道施工的影響。文獻[5]依據(jù)現(xiàn)場不良地質(zhì)地質(zhì)條件，針對掌子面前方出現(xiàn)貫穿性溶洞的實際狀況，提出管棚跟管施工技術(shù)，雖然保證了施工安全，但缺少相應(yīng)的理論支持。文獻[6]通過收集和總結(jié)巖溶地區(qū)各種類型溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響，針對性地提出了各種處治方案，為隧道施工提供參考。文獻[7]從隧道支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移以及圍巖塑性區(qū)分布狀況等方面對隧道下穿充填型溶洞的技術(shù)措施進行了對比分析選出最佳方案，但缺少現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作支持且區(qū)域性較強難以為本工程提供指導(dǎo)。文獻[8]通過有限元軟件對隧道左側(cè)存在串珠型溶洞的實際工程特征進行分析，分析對比了三種超前加固方案，并驗證了三種方案的有效性。文獻[9]運用有限元軟件，結(jié)合工程實際參數(shù)，分析了處治結(jié)構(gòu)在特大巖溶隧道開挖過程中的力學(xué)特性及圍巖的變形特征。文獻[10]基于雙參數(shù)彈性地基梁理論，對隧道開挖過程中，管棚的力學(xué)特性進行分析，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，驗證計算結(jié)果的可靠性。文獻[11]在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上運用突變理論，建立相應(yīng)模型分析了巖溶隧道與溶洞間的安全距離，并通過工程實例驗證了改理論的可行性，對巖溶隧道施具有一定的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)階段中國學(xué)者從各種角度，對巖溶地區(qū)各種不良地質(zhì)體對隧道的影響，以及針對各種巖溶災(zāi)害的處治方法進行了研究[12-17]，但針對富水巖溶地區(qū)充填溶腔對下穿隧道穩(wěn)定性的影響，以及充填溶腔處治措施的研究相對較少且缺少針對性，因此對于富水巖溶地區(qū)隧道下穿充填溶腔的施工措施及力學(xué)分析研究十分必要。

現(xiàn)以云南玉磨鐵路巴羅二號隧道為研究對象，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[18]選取相關(guān)力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)值模擬方法研究隧道開挖過程中充填型溶腔對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，分析充填溶腔與隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，提出運用超長管棚加固溶腔處圍巖的技術(shù)措施，為今后類似工程提供指導(dǎo)。

1 工程背景

中鐵十五局集團有限公司承建的中國“一帶一路”重要項目，玉磨鐵路位于云南省南部地區(qū)，以昆玉鐵路玉溪西站為起點至終點達磨憨。YMZQ-20標段巴羅二號隧道(圖1)位于云南省西雙版納自治州勐臘縣境內(nèi)(關(guān)累—勐遠區(qū)間)，為設(shè)計時速160 km/h單線鐵路隧道，全長5 817 m，最大埋深260 m。項目所處地區(qū)巖溶地貌分布廣泛，隧道開挖過程中易遭遇巖溶、涌水(圖2)等地質(zhì)災(zāi)害影響。

圖1 巴羅二號隧道圖Fig.1 The Baluo No.2 tunnel

圖2 巴羅二號隧道突水現(xiàn)場Fig.2 The water inrush scene of the Baluo No.2 tunnel

洞身穿越二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖夾砂巖、碳質(zhì)頁巖，巖性空間交錯展布，于局部段落可能形成不規(guī)則、破碎、含砂含泥囊狀充填型溶腔，加之隧洞頂部附近兩條沖溝交匯，地下水易于富集運移，地表水補給充分并下滲。在掌子面施工過程中散碎狀風化砂巖及顆粒受擾動，在地下水作用下于掌子面左肩部垂直洞身處發(fā)生突水涌泥現(xiàn)象，短時間內(nèi)出水量大，全隧通道被涌水淹沒。災(zāi)害發(fā)生后對突水位置溶腔進行處治，計劃采用超長管棚對溶腔位置圍巖進行加固，并對溶腔注漿回填，以保障后期施工順利進行。

2 有限元計算模型

2.1 管棚受力分析

結(jié)合Pasternak彈性地基梁理論對超長管棚進行理論計算，分析超長管棚加固后工況下管棚的力學(xué)特性。管棚受力情況如圖3所示，將管棚分為4段：有初支段(OA)，無初支段(AB)，開挖面擾動段(BC)，未擾動段(CD)。假設(shè)管棚是作用在Pasternak彈性地基上的承受均布荷載q(x)和地基反力p(x)的梁，根據(jù)假設(shè)建立如圖4所示開挖過程中管棚受力模型，以A點作為坐標原點，隧道開挖高度為h，OA段長度為a，AB段長度為c，BC段長度為d=htan(45°-φ/2)，其中φ為內(nèi)摩擦角，假設(shè)破裂面即為開挖面，45°+φ/2為開挖面與隧道底面間夾角。

圖3 管棚受力圖Fig.3 Force diagram of pipe roof

圖4 管棚計算模型Fig.4 Calculation model of pipe roof

根據(jù)上述假設(shè)及力學(xué)計算模型，由彈性地基梁理論可得管棚的撓曲微分方程為

(1)

式(1)中：b*為Pasternak彈性地基梁的寬度，b為隧道開挖寬度的1/2，b*=b[1+(Gp/k)1/2/b]；E為管棚的彈性模量，MPa；I為管棚的慣性矩；ω(x)為管棚撓度；Gp為地基剪切模量；k為地基彈性系數(shù)。

不同區(qū)段的微分方程為

(2)

kb*ω(x)=bq(x)

(3)

kb*ω(x)=0

(4)

建立方程組求出所有待定系數(shù)，代入微分方程通解后得到管棚各個區(qū)段的撓度方程ωi(x)，根據(jù)公式

(5)

(6)

(7)

能夠分別計算出管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力。

2.2 有限元模型建立

2.2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)巴羅二號隧道地質(zhì)勘查報告，充填溶腔所處區(qū)段隧道圍巖主要為碳質(zhì)頁巖，圍巖等級為Ⅴ級圍巖各項參數(shù)如表1所示。依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[18]選取支護參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖參數(shù)Table 1 Parameters of surrounding rock

表2 隧道洞身支護參數(shù)Table 2 Supporting parameters of the tunnel

2.2.2 模型建立及邊界條件

為了有效分析充填溶腔在施加超長管棚支護措施前后對隧道開挖施工的影響，運用有限元軟件MIDAS-GTS NX分別建立對溶腔處治前后兩個模型，模型橫向和豎向尺寸均為100 m，縱向開挖進尺為40 m，模型上下左右四個面均為非自由面，施加位移約束。模型圍巖為炭質(zhì)頁巖，采用3D實體單元模擬，為莫爾庫倫本構(gòu)模型；初支結(jié)構(gòu)采用2D板單元模擬，為彈性本構(gòu)模型；錨桿采用植入式桁架進行模擬，為彈性本構(gòu)模型；超長管棚采用1D梁單元進行模擬，為彈性本構(gòu)模型。模型共劃分34 980個網(wǎng)格單位，模型施工階段開挖分10個循環(huán)，每個循環(huán)開挖進尺4 m，施加超長管棚加固后模型如圖5所示。

圖5 超長管棚加固后有限元模型Fig.5 Finite element model after reinforcement with ultra-long pipe roof

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圍巖塑性區(qū)分析

超長管棚加固前后，隧道圍巖塑性區(qū)云圖如圖6所示。由圖6(a)可以看出超長管棚加固前，塑性區(qū)主要集中在溶腔與隧道之間，隧道周圍塑性區(qū)與充填溶腔周圍塑性區(qū)出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，溶腔內(nèi)填充物易沿著塑性破壞區(qū)突入，從而發(fā)生突水、涌泥災(zāi)害。由圖6(b)可以看出超長管棚加固后，塑性區(qū)主要集中在兩側(cè)拱腰處。對比超長管棚加固前后圍巖塑性區(qū)分布狀況，可以明顯看出采用超長管棚加固后溶腔與隧道之間貫通塑性區(qū)已經(jīng)消失，證明超長管棚增強了圍巖的穩(wěn)定性。

因巴羅二號隧道位于富水巖溶地區(qū)且圍巖為Ⅴ級軟弱圍巖，因此隧道在開挖過程中，溶腔與隧洞之間的圍巖穩(wěn)定性較差，當隧道與充填溶腔間塑性區(qū)形成貫通時，在隧道頂部極易發(fā)生突水、涌泥、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，所以必須結(jié)合施工具體情況對充填溶腔進行合理有效的處治。通過對比分析加固前后圍巖塑性區(qū)分布狀況，可知超長管棚加固在穩(wěn)定圍巖和限制圍巖塑性區(qū)發(fā)展方面效果顯著。

圖6 圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock

3.2 管棚力學(xué)分析

3.2.1 彎矩分布

選取第一階段和最后階段管棚彎矩進行研究，兩個階段對應(yīng)開挖進尺分別為4 m和40 m，相應(yīng)彎矩M分布云圖如圖7所示。從圖7(a)可以看出隧道第一階段充填溶腔段拱頂右側(cè)彎矩最大，而其他位置處管棚鋼管彎矩相對較小。從管棚受力的縱向分布分析可以看出，管棚的最大彎矩主要集中在充填溶腔位置處，最大值為0.07 kN/m，在臺階法開挖過程中掌子面位置由于還未進行初期支護，充填溶腔處頂部及右側(cè)管棚彎矩集中分布。從圖7可以看出，第一階段和最后階段對應(yīng)彎矩最大值分別為0.07 kN/m和0.23 kN/m，雖然彎矩值逐漸增大但從整體來看彎矩分布逐漸均勻。

圖7 管棚彎矩分布規(guī)律Fig.7 Distribution law of bending moment of pipe roof

從整個開挖過程可以看出，除了在充填溶腔段管棚彎矩有著明顯的變化，其他位置處管棚彎矩變化不大。隨著支護結(jié)構(gòu)的不斷跟進，直至隧道全部開挖完成，管棚將上部承受的荷載均勻的分散到支護結(jié)構(gòu)上，與支護結(jié)構(gòu)共同承擔上部圍巖壓力，進一步證明具有充填溶腔隧道在施工時，采用超長管棚加固措施可有效提高圍巖穩(wěn)定性。

3.2.2 管棚軸力分布

選取第一階段和最后階段管棚軸力進行研究，兩個階段對應(yīng)開挖進尺分別為4 m和40 m，兩個開挖階段下超長管棚軸力分布如圖8所示，其中正值表示拉力，負值表示壓力。從圖8(a)中可以看出，由于充填溶腔在開挖面左上方，在上臺階開挖時，頂部偏左側(cè)臨近充填溶腔范圍內(nèi)的管棚以承受壓力為主，此時最大壓力值為-22.42 kN，兩側(cè)管棚以承受拉力為主，最大拉力值為36.87 kN，并且在頂部接近溶腔位置處有明顯的壓力集中現(xiàn)象。

從圖8兩個開挖階段軸力分布狀況可以看出，隨著隧道開挖進度的不斷推進，頂部管棚受壓區(qū)不斷向前移動，壓力集中區(qū)域逐漸由中間向兩側(cè)移動，直至最后開挖階段隧道全部貫通，管棚軸力分布逐漸均勻。開挖完成后兩側(cè)管棚在充填溶腔位置處拉力最大，最大拉力值為160.09 kN。

3.2.3 應(yīng)變分布

超長管棚的作用是為了保護和加固圍巖，限制其塑性變形與松動，一旦圍巖有大的塑性變形或者松動，超長管棚將會產(chǎn)生很大的彎矩。如果管棚受力較小說明其發(fā)揮了較好的加固和保護圍巖的作用，安全儲備較大。管棚軸力對其應(yīng)力應(yīng)變發(fā)揮了決定性作用，提取第1～10步開挖管棚軸應(yīng)力并折算為應(yīng)變，根據(jù)文獻[10]中彈性地基梁模型計算方法，結(jié)合本項目實際工程參數(shù)進行管棚應(yīng)變計算得到縱向應(yīng)變分布圖，如圖9所示。在開挖進入第10步時，側(cè)向管棚全程受拉，為正應(yīng)變，頂部管棚除第1步外均為壓應(yīng)變。解析解與數(shù)值解應(yīng)變分布規(guī)律類似。

圖8 管棚軸力分布規(guī)律Fig.8 Distribution law of axial force of pipe roof

圖9 管棚縱向應(yīng)變分布規(guī)律Fig.9 Longitudinal strain distribution law of pipe roof

3.3 圍巖穩(wěn)定性分析

隧道開挖完成后，圍巖豎向位移狀況如圖10所示。圖10(a)為未采用超長管棚加固時工況，能夠看到充填溶腔對拱頂豎向位移影響較大，圍巖豎向變形主要集中在溶腔右下方與拱頂左側(cè)之間，此處拱頂沉降最大，沉降值為75.33 mm。圖10(b)為采用超長管棚加固后工況，可以明顯看出圍巖豎向變形分布均勻，在采用超長管棚加固后拱頂沉降最大值為17.84 mm，最大沉降值明顯降低，降幅為76.3%。隧道開挖完成后拱頂實測沉降累計值為18.10 mm，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)吻合度較高，說明模擬分析結(jié)構(gòu)具有一定可靠性。

圖10 圍巖豎向位移分布Fig.10 Vertical displacement distribution of surrounding rock

3.4 左側(cè)拱腰收斂變化

充填溶腔位于左側(cè)拱腰上方，超長管棚加固前后左側(cè)拱腰收斂情況如圖11所示。隧道開挖至第3、4、5步時遇到充填溶腔，在未采用超長管棚加固的工況下，由于隧道左上充填溶腔的存在，隧道周圍圍巖壓力分布不均在隧道左側(cè)產(chǎn)生偏壓，此時左側(cè)拱腰收斂值較大。由圖12可以看出，在充填溶腔位置處左側(cè)拱腰收斂值較大，最大值為50.21 mm，隨著開挖步驟的不斷推進左側(cè)拱腰收斂值開始下降，然后趨于平穩(wěn)，最終穩(wěn)定至47.06 mm。采用超長管棚加固后，隨著開挖步驟不斷推進，開挖至充填溶腔位置時左側(cè)拱腰收斂值較大，最大值為19.17 mm，直至隧道開挖完成左側(cè)拱腰收斂值穩(wěn)定在17.10 mm。對比兩種工況，超長管棚加固前左側(cè)拱腰收斂累計值為47.06 mm，超長管棚加固后左側(cè)拱腰收斂累計值為17.01 mm，降幅63.85%，證明超長管棚加固后隧道穩(wěn)定性得到明顯增強。

圖11 左側(cè)拱腰收斂Fig.11 Convergence of the arch waist on the left

圖12 巴羅二號隧道貫通圖Fig.12 Throughout of the Baluo No.2 Tunnel

4 現(xiàn)場應(yīng)用措施及效果

隧道左上部充填型溶腔對圍巖的整體穩(wěn)定性影響較大，在開挖過程中易發(fā)生突水涌泥等災(zāi)害，因此必須對充填溶腔采取必要的處治。本項目根據(jù)現(xiàn)場實際情況，給出了施工過程中遇突水涌泥的專項措施，專項措施如下：

在里程D1K437+430處設(shè)一環(huán)Ф89 mm大管棚，長25 m，21根，環(huán)間相距0.4 m，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，采用物探結(jié)合釬探的方法探明溶腔發(fā)育情況，對溶腔泵送C20混凝土回填及注漿處理，確?；靥钪灵_挖輪廓線外3 m，同時預(yù)設(shè)Ф100 mm PVC排水管，對排水管局部打孔并包裹無紡布，每延米1根。

在后續(xù)施工中隧道開挖至D1K437+509位置處時，超前地質(zhì)預(yù)報探明，在開挖面上方可能存在巖溶空腔。因此為了進一步驗證超長管棚加固措施的可行性和可靠性，在后續(xù)施工中選取D1K437+510～D1K437+570段作為試驗段，采取針對措施開展超長管棚支護試驗。試驗段圍巖級別仍維持V級不變，巖層均為炭質(zhì)頁巖，巖體易破碎強度低，地下水豐富易坍塌，與D1K437+430～D1K437+450段圍巖無明顯差異。

4.1 試驗段加固措施

試驗段施工過程中結(jié)合溶腔段圍巖變形情況，按臺階法施工，必要時設(shè)置臨時橫撐，加強支護采用I18型鋼鋼架，0.6 m/榀，環(huán)向盲管加密至3 m/環(huán)，試驗段支護參數(shù)如表3所示。

表3 試驗段超長管棚參數(shù)Table 3 Parameters of the ultra-long pipe roof in the test section

4.2 試驗段監(jiān)測結(jié)果

采用大管棚加固措施后，統(tǒng)計得到試驗段及充填溶腔處(D1K437+430)圍巖累計變形數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，試驗段圍巖整體變形量值小于充填溶腔處，表明在采用大管棚加固措施后試驗段累計變形量值較小，圍巖變形控制效果較好。

表4 圍巖累計變形數(shù)據(jù)Table 4 Cumulative deformation data of surrounding rock

4.3 變形控制效果

超長管棚加固后，充填溶腔段圍巖變形實測值與計算值數(shù)據(jù)對比如表5所示。結(jié)合圍巖變形特征及表5可知，實測值與計算模擬值吻合程度良好。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以看出，在采用超長管棚加固后，充填溶腔處拱頂沉降及圍巖變形均控制在安全范圍內(nèi)，安全無塌落現(xiàn)象，達到了預(yù)期的效果。

表5 實測值與計算值數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of measured value and calculated value data

4.4 應(yīng)用效果

充填溶腔段D1K437+430～D1K437+450自2017年8月9日開始施工，8月10日上午遭遇充填溶腔后出現(xiàn)突水情況，施工現(xiàn)場迅速組織人員撤離未造成任何人員傷亡，積水積泥清理完成后組織人員分析突水、涌泥原因，給出對溶腔采用C20混凝土回填后應(yīng)用超長管棚加固的專項處治方案，直至加固完成累計共78 d，在后續(xù)施工中加強掌子面前方及周邊超前地質(zhì)預(yù)報工作及處治監(jiān)測工作，加強隧底和周邊探孔，及時收集資料進行分析，預(yù)防溶腔突水等地質(zhì)災(zāi)害，試驗段D1K437+510～D1K437+570共計62 d對比可知，隧道施工效率明顯提高。

目前巴羅二號隧道已成功貫通，對充填溶腔處采用超長管棚加固后，試驗段及在后續(xù)施工中遇此類情況時采用相同加固措施后，未出現(xiàn)異常情況施工效果良好，采用超長管棚加固措施對該地層圍巖變形控制效果較好。

5 結(jié)論

(1)由于富水巖溶地層下地下水豐富，圍巖受侵蝕嚴重，圍巖穩(wěn)定性差，隧道與充填溶腔間塑性區(qū)形成貫通，極易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，發(fā)生突水涌泥等災(zāi)害，因此隧道施工時應(yīng)及時對充填溶腔進行處治和加固。

(2)采用超長管棚加固對圍巖變形進行控制，數(shù)值模擬表明，超長管棚彎矩值和軸力值隨開挖進度不斷增大，但分布逐漸均勻，超長管棚解析解與軟件模擬數(shù)值解應(yīng)變分布規(guī)律基本一致，說明超長管棚增強了圍巖穩(wěn)定性。

(3)采用超長管棚加固后，圍巖豎向位移降低76.3%，左側(cè)拱腰收斂值降低63.85%，證明采用超長管棚加固后隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯增強。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)吻合度較高，說明模擬分析結(jié)構(gòu)具有一定可靠性。

(4)試驗段應(yīng)用結(jié)果表明，在采用超長管棚加固措施后，圍巖變形量值得到有效控制，拱頂沉降值，拱腰收斂值整體低于充填溶腔段，變形量值基本處于安全范圍內(nèi)。試驗段在施工過程中未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，施工效率提高且效果良好，保證了后續(xù)施工的順利進行。