岩溶洞穴对隧道的稳定性影响及处理措施

庄旭峰,肖鸿峰,周强军,司洪涛

(1.成都理工大学环境与土木工程学院,成都610059;2.江西省赣西土木工程勘测设计院,宜春336000)

1 工程概况

213国道川主寺隧道为双线公路隧道,隧道起讫里程为K1+090～K1+590,全长500 m。采用地质雷达电磁波法和掌子面地质素描相结合的措施进行超前地质预报。按新奥法原理进行开挖与支护。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

根据地质勘察资料,隧址区位于龙门山脉北段,山脉近SN向展布,地貌属中等切割的低高山侵蚀—堆积地貌。隧址区位于岷江一级阶地。

2.2 地层岩性

隧址区内主要地层为:(1)第四系全新统崩积层(Qcol4):含砾粉质黏土,主要分布于隧道进口表层。(2)第四系全新统坡积层(Qdel4):砾质粉土,主要分布于隧道出口表层。(3)石炭系下统略阳组(C1l):中薄—中厚层状结晶灰岩,夹薄层状钙质千枚岩和细砂岩。隧道洞身段岩性主要为中风化结晶灰岩夹钙质千枚岩和细砂岩。

2.3 区域构造

西起川主寺,东抵黄龙乡,中更新世(Q2)以来存在一条近东西走向的左行走滑断层。沿川主寺—黄龙左行走滑断层的位移在切错了近SN走向的岷山隆起后,黄龙乡前方北侧派生出一系列NE走向的左行剪切断裂。

3 工程地质问题

3.1 溶蚀破碎岩体

隧道整个里程段上,靠河侧掌子面岩体较破碎,局部地段呈散体状,岩体微湿,残留许多溶蚀孔。里程K1+309段靠河侧中导部位出现填满溶蚀岩屑的溶穴(图1)。里程K1+318～K1+322段开挖过程中,顶部出现溶洞,爆破进尺过大,溶洞底板塌落(图2),超前小导管失效,洞顶塌落。

图1 侧壁溶穴

图2 顶部塌方

3.2 残留岩溶洞穴

隧道在进行K1+440段下导开挖时,在隧道靠河侧侧下方出现1#残留洞穴,溶洞向靠河侧延伸7.7 m,深8 m(图3),洞内干燥,顶部呈拱形未造成严重坍塌,具有一定自稳能力,对施工安全未构成大的影响。但对围岩应力调整和隧道的长期稳定存在潜在威胁。

图3 1#洞穴洞口照片

图4 2#洞穴洞口照片

在进行K1+338段中导开挖时,靠山侧洞壁出现2#残留洞穴,溶洞洞口面积约7.9 m2,并向洞顶延伸,延伸9.6 m,洞内岩溶碎屑塌落,岩屑约20 m3(图4),清除塌落碎屑后洞内仍有碎屑不断塌落,支护好的上导型钢有明显错动,洞顶有拉张裂缝,洞顶素喷砼偶有掉块,洞顶变形约3～5 cm,随着岩溶碎屑塌落变形加剧。

4 洞室稳定性数值分析

4.1 模型的建立

川主寺隧道为浅埋隧道,围岩类型为Ⅴ级,模拟洞穴出现在拱肩与拱角对洞室的稳定性影响,其网格化如图5所示。计算模型的范围取开挖断面3～5倍最大洞径。计算区域划分成302 011个离散单元,计算模型如图5所示。为预测岩溶洞穴对隧洞开挖稳定性的影响,模拟中未加载锚杆和钢架提供的初期支护力。其约束条件:两侧边界水平方向约束,竖直方向自由;底部边界竖直方向约束,水平方向自由;顶部为自由表面。

4.2 参数的选取

模拟数值的选取,围岩材料模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型;洞石模拟采用FLAC3D中的Null模型。岩体的初始地应力场只考虑自重应力。所需参数如表1所示。

表1 围岩物理力学指标

4.3 模拟结果分析

从图6应力云图可以看出,洞室开挖后围岩应力重新分布,洞顶出现较大压应力0.5～0.6 MPa,在隧洞的肩部出现压应力集中0.6～0.7 MPa,仰拱部位应力较小。若在洞室肩部有洞穴出现则最易坍塌,需要先进行超前支护处理而后短进尺开挖。

图6 应力云图

从图7位移云图可以看出,洞室顶部位移最大,出现完美的塌落拱,由于闭合支护,仰拱部位位移较小。但由于洞顶坍塌对开挖造成很大的安全隐患,则需要小导管超前注浆支护而后开挖。

图7 位移云图

5 防治措施和变形实测分析

5.1 防治措施

(1)K1+309溶穴采用C15浆砌片石换填,喷射砼封闭后进行初衬支护;K1+318～K1+322段先喷射砼固顶,然后初衬支护并预留注浆孔,带初衬凝固后二次衬砌前进行高压注浆封填;K1+327段在超前支护时注浆量不够,待初衬支护后预留孔喷射砼封闭。

(2)1#洞穴用C20喷射砼四周护壁,C15浆砌片石回填溶洞,洞口用水泥砂浆封闭;2#洞穴封闭洞口,阻止顶部的坍塌恶化,在上导侧壁梅花状打孔间距2 m,灌注水泥砂浆,防止一次性压力过大砂浆从洞口挤出,分两次灌注,间隔1周。

5.2 监控检测

根据监控测量规范要求,Ⅴ级围岩地段收敛、拱顶下沉测点20 m 1个,在特殊地段需要加密。拱顶下沉监测主要采用水准仪定点观测,洞壁收敛监测主要采用钢尺式周边收敛计。测点埋设后15 d内每天量测1次,15～30 d,2～3 d量测1次,一月后3～7 d量测1次。

对岩溶洞穴加固段进行加密,在出露溶洞的整个断面布置监测点。从加固段的监控量测累计变形曲线图(图8、图9)得出洞室经过略微的变形之后趋于稳定。说明洞穴的处理效果良好,为类似隧道岩溶洞穴问题提供可行的参考措施。

图8 K1+318拱顶沉降曲线

图9 K1+338边墙收敛曲线

6 结语

(1)洞室肩部为应力集中区,拱顶为变形量最大区。若超前地质预报或超前探洞在肩部发现有溶洞发育,需要先对溶洞灌浆封填,然后才能开挖,若在拱顶有溶洞发育,则需小导管超前注浆支护。

(2)对岩溶段加强监控量测,关注重点区段重点部位的变形收敛情况,对变形加剧地段需要及时加强支护,阻止变形恶化。

[1]四川省交通厅交通勘察设计研究院.G213线川主寺至汶川段公路灾后复建工程LJ1合同段工程地质勘察报告[R].2009:10-17.

[2]田四明,张民庆,黄鸿健.齐岳山隧道进口背斜地段岩溶发育特征分析与治理[J].现代隧道技术,2006(4):27-33.

[3]林本涛.干溪沟隧道岩溶整治分析[J].铁道工程学报,2006(7):54-58.

[4]康勇.浅埋岩溶隧道灾变机制及其防治[J].岩石力学与工程学报,2010(7):149-154.