鸡口山岩溶隧道处治方法适用性模拟对比分析

张建国

(中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)

鸡口山岩溶隧道处治方法适用性模拟对比分析

张建国

(中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)

结合鸡口山隧道工程，针对该溶洞隧道分别采用开挖回填法、超前注浆法和超前管棚支护法3种方法施工时，采用数值模拟分析对围岩变形情况进行了研究分析。研究结果表明：采用超前注浆法开挖时隧道围岩的变形最小，开挖回填法次之，超前管棚支护法最大，超前注浆法控制围岩变形的效果优于开挖回填法和管棚支护法。说明在开挖过程中，超前注浆法使开挖范围内的围岩稳定性得到了加强，有效地减小了溶洞对隧道围岩变形的影响，因此在鸡口山隧道中采用超前注浆法施工比较适宜。

岩溶隧道；开挖回填；超前注浆；超前管棚支护；模拟分析

0 引言

我国岩溶地带分布广泛，岩溶等不良地质条件的存在给隧道施工和运营安全造成了严重威胁[1]。由于溶洞的存在，不但加大了施工风险，而且由于建筑物全部或部分悬空，极大地降低了隧道的使用可靠度[2]；岩溶水的流通将会侵蚀隧道结构，影响其使用寿命[3]；溶洞中的堆积物因松软易坍塌下沉，改变洞穴周边的应力分布形态，影响隧道围岩的稳定性，从而严重影响隧道施工的安全。目前，国内对于岩溶隧道施工技术的研究，仅有少数学者对岩溶隧道围岩的稳定性进行了分析探讨。如：杜世回[4]基于稳定性概念对岩溶隧道围岩分级进行了研究；蒋颖[5]定量分析了不同分布的溶洞对隧道围岩位移场、应力场、塑性区分布规律及支护结构受力特征的影响；徐长金等[6]重点研究了溶洞位于隧道底部时对隧道稳定性的影响；阳跃朋[7]针对大断面客专岩溶隧道，基于有限元分析软件FLAC3D模拟了大断面六郎岩溶隧道在台阶法、全断面法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法4种工法施工过程中，围岩和支护结构的力学性状，揭示了大断面岩溶隧道在各种工况时围岩位移和支护结构力学分布规律，优化了大断面岩溶隧道施工工法。但很少有学者对岩溶隧道施工处治方法的适用性进行对比分析，本文结合鸡口山隧道工程，分析了开挖过程中不同处治方法对隧道围岩变形的影响，确定了适宜该隧道溶洞段的处治方法，以期为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

鸡口山隧道是杭瑞高速公路湖北阳新至通城段最长的隧道，是杭瑞高速公路HRTJ10合同段的控制性工程，也是整个杭瑞高速公路湖北阳新至通城段的控制性工程之一。该隧道位于湖北通山县，进口位于黄沙铺镇中通村，出口位于大畈镇鸡口山村，呈近东西向展布，为上、下行分离的4车道高速公路分离式隧道，其左洞起讫桩号为ZK81+920～ZK84+889，长2 969 m，其右洞起讫桩号为YK81+923.5～YK84+907.7，长2 984.2 m。隧道穿越的山体最高海拔高程约为486.5 m，隧道最大埋深约319 m。隧道进出口均采用端墙式洞门。

鸡口山隧道进口左洞掌子面掘进至ZK82+127处，距洞口207 m，桩号ZK82+122～+127段未支护，出现灰色中厚层灰岩夹细方解石脉，弱风化，中厚层状，碎屑及块状构造。岩石强度较高，抗软化性与抗风化性能较好，岩层产状为345°～360°∠78°～83°，层厚0.07～2.0 m，可见长度11～220 cm，层面较平整，层间结合较好，岩层走向与隧道轴线交角接近45°，对隧道稳定性影响一般，受结构面切割，岩体为块状。隧道拱顶及侧壁未见掉块，拱顶有滴水，且掌子面和侧壁有渗水现象。

ZK82+127处距拱顶右侧1.21 m发育有一溶洞，宽约2.5 m，可见长度约3.5 m，初步估计该溶洞深度超过14 m。洞内可看见的部分已基本掏空，时有黄色泥块掉落，泥块呈淤泥状，紧贴洞壁有小股水流出。掌子面右侧紧挨侧壁处可见一底边长1.32 m，腰边长1.37 m呈三角形的小溶洞，洞底覆盖一层厚约10 cm的黄色淤泥，淤泥中有水渗出，洞顶时常有黄色泥块掉落。根据现场观察，大小溶洞沿洞轴方向向前相连，开挖2日后，2个溶洞口之间一块约1.5 m×2.0 m的立方体石块滑落，大小溶洞连成了一个整体。

考虑到洞内含水量不大，数值模拟时按空溶洞计算，即未考虑岩溶水的影响。通过现场勘察分析可知，掌子面处的大小溶洞是相通的，整个溶洞走向顺洞轴走向略向右偏。整个溶洞介于ZK82+112～+137之间，可见洞口宽4 m，估计深度至少10 m。

2 隧道结构支护参数

对于Ⅴ和Ⅳ级围岩浅埋段及Ⅳ级围岩深埋段，初期支护主要由型钢钢拱架或格栅钢拱架、C20喷射混凝土和φ8 mm钢筋网组成，径向采用φ25 mm中空注浆锚杆或水泥砂浆锚杆加固。每榀钢拱架之间采用φ22 mm钢筋连接，并与径向锚杆及钢筋网焊为一体，与围岩密贴形成承载结构。Ⅲ和Ⅱ级围岩地段初期支护由于围岩的强度较高，其自身具有一定的承载能力，因此，初期支护主要以喷锚支护为主，局部地质条件较差地段采用格栅钢拱架支护。

对于隧道洞口的Ⅴ级浅埋围岩段及洞身Ⅳ级围岩富水段，由于岩体风化严重、节理发育、自稳时间较短，洞室开挖跨度较大，二次衬砌按承担上部土压力覆土荷载计算需采用C25钢筋混凝土结构，二次衬砌要求紧跟开挖面施作。对于Ⅳ级围岩深埋段，Ⅲ和Ⅱ级围岩段，由于该段岩体比较稳定，能够在一定程度上形成稳定的承载拱，因此，结构按承载部分土压力覆土荷载计算采用C25素混凝土结构。其中，Ⅱ级围岩采用 30 cm厚C25素混凝土，Ⅲ级围岩采用35 cm厚C25素混凝土，Ⅳ级围岩采用50 cm厚钢筋混凝土。

3 隧道模型及参数选取

通过模拟隧道穿越溶洞段开挖施工过程，分析隧道围岩位移变化。由于地质的复杂性和不确定性，模型大小选为30 m×30 m×45 m，其中隧道竖向模拟高度为45 m，纵向模拟长度为30 m。模拟溶洞位于ZK82+127～+137范围内，洞口宽4 m，深度10 m(如图1所示)。

图1 隧道溶洞模拟纵断面图

在建模过程中，应用brick，radcylinder实体单元模拟整个隧道围岩结构，采用null模拟开挖效果，采用cshell单元模拟衬砌结构。在进行模拟时，隧道围岩及开挖岩体采用Mohr-Coulomb模型，初衬及二次衬砌采用elastic模型[8-9]。利用图1模型计算ZK82+131、ZK82+134和ZK82+137断面围岩拱顶纵向位移及边墙水平位移。考虑到此处为深埋隧道，边界条件选择选用约束边界，平行于XOZ面的两侧为Y方向约束，平行于YOZ面的两侧为X方向约束，平行于XOY的底面为固定约束。模拟计算过程中，其模型上部岩体用荷载代替，荷载大小通过理论确定，假设地应力从底面到地表呈线性分布。模拟计算时采用的物理力学参数见表1。

表1模拟计算物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters for simulation calculation

材料名称泊松比容重(kN/m3)黏聚力/MPa内摩擦角/(°)弹性模量/GPaⅡ级围岩0．2526．82．15028．0Ⅲ级围岩0．325．31．54010．0Ⅳ级围岩0．3524．10．5303．5喷射混凝土0．2021．0注浆加固区0．400．45352．8管棚59．0松散堆积体0．02313．8

4 溶洞隧道围岩位移特征分析

对该隧道左洞进行了5次开挖模拟，每次开挖2 m，模拟纵向范围是ZK82+127～+137，纵向区域均处于溶洞范围内。在溶洞范围内直接进行开挖，每断面全断面开挖，整个断面开挖完成并喷射混凝土初期支护后，进行二次衬砌支护，随后进行计算模拟，最终得出整个开挖过程中隧道围岩纵向及水平位移。在初始地应力下，不同断面围岩纵向变形图如图2—4所示。

由图2—4可知，在初始地应力下，隧道在开挖过程中，纵向位移呈层状分布，在其横向呈抛物线状分布，抛物线顶点对应在拱顶处，其纵向分布呈勺状，并且已开挖部分线状趋于平缓，在掌子面附近出现变化。随着开挖的进行，隧道围岩纵向变形影响范围逐渐向上下扩展，并且在掌子面附近围岩的变形最大，同时已开挖部分的围岩变形随着时间逐渐趋于稳定。开挖过程中隧道拱顶与边墙位移变化值及最终累计变形值如表2和表3所示。

图2 ZK82+131 断面围岩纵向变形图(单位：m)Fig.2 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+131 cross-section (m)

图3 ZK82+134断面围岩纵向变形图Fig.3 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+134 cross-section

图4 ZK82+137 断面围岩纵向变形图Fig.4 Longitudinal deformation of surrounding rock at ZK82+137 cross-section

表2 拱顶位移变化值及最终变形值Table 2 Changing value and final value of crown deformation mm

表3 边墙位移变化值及最终变形值Table 3 Changing value and final value of sidewall deformation mm

由表2和表3可知：

1)ZK82+131断面处于溶洞前端，因此在开挖时受到溶洞的影响较小，在开挖过程中，隧道的拱顶以及边墙变形量要比在溶洞范围内的断面拱顶及边墙变形小。拱顶最大沉降为0.348 mm，边墙最大水平位移为1.333 mm。由于围岩拱顶下沉位移为0.077 mm，水平位移为0.002 mm，说明在开挖过程中拱顶下沉变化较大，而水平位移变化较小，故需要对拱顶及时加固以控制其变形。

2)ZK82+134断面的拱顶最大沉降为2.528 mm，而水平最大位移为1.719 mm。由于断面处于溶洞范围，围岩变形受溶洞的影响，且拱顶受到的影响要明显大于边墙。ZK82+137断面的拱顶最大沉降为3.168 mm，而水平最大位移为1.762 mm。断面受到溶洞的影响加大，拱顶处的累积沉降量要大于边墙最终变形量。

3)在隧道溶洞段ZK82+130～+137开挖过程中，随着开挖不断深入，隧道围岩变形受溶洞的影响越来越大，拱顶下沉位移逐渐变大，且变化幅度也在增大，而水平位移变化幅度则较小。由于溶洞处于拱顶附近，所以在开挖时，拱顶的变形量要大于边墙的变形量。在溶洞段开挖时，须采取相应的措施对溶洞地质进行处治，以减小溶洞对隧道围岩变形的影响。

5 不同处治方法模拟对比分析

在岩溶地层中，隧道施工常采用的处治方法主要有3种：开挖回填法、超前注浆法和超前管棚支护法。

开挖回填法：在隧道施工时，先进行隧道开挖，待开挖完成后，对开挖范围内的溶洞进行回填，以控制隧道围岩的变形。

超前注浆法：在进行隧道开挖前，先对开挖范围内的溶洞进行注浆填充，以此加强隧道围岩的稳定性和强度，待填充完成后，开始进行隧道的开挖。

超前管棚支护法：在隧道开挖之前，先在隧道拱顶范围内打入超前管棚，以达到加固开挖围岩的目的，并且作为超前支护以保证隧道在溶洞范围内开挖的稳定性。

本文结合鸡口山隧道工程，先对无处治措施下的开挖进行模拟，得到相应的围岩变形数据，然后对3种处治方法进行数值模拟分析，得到3种处治方法的围岩变形模拟结果，以此对比3种方法的施工效果并对其适用性进行评价。

通过对隧道在4种情况(无处治开挖、开挖回填法、超前注浆法和管棚支护法)下进行开挖模拟，得到相应工况下围岩纵向及水平位移，并将该4种工况下围岩位移进行对比分析，如图5—10所示。

5.1 ZK82+131 断面模拟对比分析

图5 ZK82+131断面拱顶纵向变形曲线图Fig.5 Longitudinal deformation of crown at ZK82+131 cross-section

图6 ZK82+131断面边墙水平变形曲线图Fig.6 Horizontal deformation of side wall at ZK82+131 cross-section

由图5和图6可知：

1)在ZK82+131断面处，无处治开挖工况下隧道围岩纵向及水平位移最大，且每次开挖引起的拱顶纵向位移变化幅度较大，而边墙水平位移变化幅度较小，且变形曲线较为平缓。说明在开挖过程中，隧道围岩的拱顶受到开挖的影响要比边墙大，围岩变形主要体现为拱顶下沉。

2)采用了相应的处治措施后，隧道围岩变形位移得到了很好的控制，拱顶的位移变形控制较为明显，其曲线增幅要比无处治开挖情况下的增幅平缓。另外水平位移的最终变形量也比无处治开挖情况下要小，说明采取了相应的措施后，减小了溶洞对围岩稳定性的影响。

3)3种方法中，超前注浆法引起的围岩位移最小，并且超前注浆法和开挖回填法控制水平位移的效果要优于管棚支护法，因为管棚支护法中管棚的支护作用主要在拱顶范围，而对边墙的位移控制影响较小。由于该断面上最终水平位移要大于纵向位移，因此在开挖过程中要注意采取措施对隧道的水平位移加以控制。

5.2 ZK82+134 断面模拟对比分析

图7 ZK82+134断面拱顶纵向变形曲线图Fig.7 Longitudinal deformation of crown at ZK82+134 cross-section

图8 ZK82+134断面边墙水平变形曲线图Fig.8 Horizontal deformation of side wall at ZK82+134 cross-section

由图7和图8可知：

1)在ZK82+134断面处，无处治开挖情况下隧道围岩纵向及水平位移最大，且每次开挖引起的纵向及水平位移都要比ZK82+131断面处的大。说明随着开挖的深入，在进入溶洞后，隧道围岩明显受到了溶洞的影响，其围岩变形量增大。

2)在采用相应的处治措施后，围岩变形位移得到了很好的控制。其中，超前注浆法位移最小，超前注浆法和开挖回填法控制水平位移的效果要优于管棚支护法。该断面上最终的水平位移小于纵向位移，说明在溶洞地质中，拱顶最终的累积沉降量要大于边墙的变形量，这与断面ZK82+131的情况有所不同，因此在开挖过程中要注意采取措施对隧道的纵向位移加以控制。

5.3 ZK82+137 断面模拟对比分析

由图9和图10可知：

1)在ZK82+137断面处，无处治开挖情况下隧道围岩纵向及水平位移最大，且在此断面上的位移比ZK82+131和ZK82+134断面的位移都要大，每次开挖引起的纵向位移和水平位移变化幅度也比ZK82+131和ZK82+134断面的变化幅度大。

2)通过比较可知，在无处治开挖情况下，由于未对溶洞进行处治，围岩稳定性较差，使得在开挖过程中围岩易发生变形，而在采取有效的处治措施后可以明显减小围岩变形。

3)隧道在3种处治方法开挖过程中，随着掌子面不断深入溶洞，围岩变形受到溶洞的影响越来越大，变形逐渐增大，且变形曲线的增幅也在不断加大。因此，要求尽快通过溶洞段施工，以减小溶洞对隧道围岩变形的影响，同时在开挖后及时对拱顶及边墙进行衬砌支护，以控制围岩变形，保证隧道安全施工。

图9 ZK82+137断面拱顶纵向变形曲线图Fig.9 Longitudinal deformation of crown at ZK82+137 cross-section

图10 ZK82+137断面边墙水平变形曲线图Fig.10 Horizontal deformation of side wall at ZK82+137 cross-section

6 结论与讨论

针对鸡口山隧道工程，采用数值模拟分析方法，对该溶洞隧道采用开挖回填法、超前注浆法和超前管棚支护法3种处治方法隧道围岩变形进行了研究和分析。结果表明：

1)在隧道溶洞段ZK82+130～+137开挖过程中，随着开挖不断深入，隧道围岩变形受到溶洞的影响越来越大，拱顶下沉位移逐渐变大，且变化幅度也在增大，而水平位移则变化幅度较小。由于溶洞处于拱顶附近，所以在开挖时，拱顶的变形量要大于边墙变形量，在溶洞段开挖时，须采取相应的措施对溶洞地质进行处治，以减小溶洞对隧道围岩变形的影响。

2)在开挖回填法、超前注浆法、超前管棚支护法3种处治方法下，采用超前注浆法开挖，隧道围岩的变形最小，开挖回填法次之，超前管棚法最大。说明在该溶洞隧道中，超前注浆并对溶洞进行部分填充后，开挖范围内围岩的稳定性得到了加强，有效地减小了开挖过程中溶洞对隧道围岩变形的影响，所以在鸡口山隧道中采用超前注浆法施工比较适宜。

通过数值模拟分析对溶洞地质采用3种处治方法的隧道围岩变形情况进行了分析研究，并得到工程实例验证，但由于建模时将溶洞放在模型的端部，具有边界效应，该模型还需进一步改进，且对于在3种处治方法下隧道围岩的应力分布过程及拱顶、边墙、墙脚等特征位置的位移还有待深入研究。

[1]易介民.岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析[D].广州：华南理工大学土木与交通学院，2011.(YI Jiemin.Numerical simulation in of the stability of subway tunnel karst regions[D].Guangzhou：School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,2011.(in Chinese))

[2]李波.岩溶隧道开挖爆破对围岩及溶洞的影响研究[D].长沙：长沙理工大学土木与建筑学院，2009.(LI Bo.A study on the Influence of surrounding rocks and the karst cave by karst tunnel excavation blasting[D].Changsha: School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science &Technology,2009.(in Chinese))

[3]唐浩治，徐成进.公路隧道岩溶涌水处治施工技术研究[J].湖南交通科技，2010，36(4)：80-83.(TANG Haozhi，XU Chengjin.Study on construction technology in treatment of karst water gushing in highway tunnels[J].Hunan Communication Science and Technology,2010,36(4): 80-83.(in Chinese))

[4]杜世回.基于稳定性概念的铁路隧道围岩分级研究[J].铁道标准设计，2012(9): 77-80.(DU Shihui.Research on surrounding rock classification based on the concept of stability in railway tunnel[J].Railway Standard Design,2012(9): 77-80.(in Chinese))

[5]蒋颖.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析[J].铁道标准设计，2009(9): 67-70.(JIANG Ying.Numerical analysis of influence of cavity distribution sites on the stability of the tunnel[J].Railway Standard Design,2009(9): 67-70.(in Chinese))

[6]徐长金，樊浩博，赖金星.溶洞对岩溶隧道稳定性影响的数值模拟分析[J].公路交通科技(应用技术版)，2013，9(6): 175-177.

[7]阳跃朋.大断面客专岩溶隧道围岩稳定性研究[D].长沙：湖南科技大学土木工程学院，2012.(YANG Yuepeng.Research on stability of surrounding rock for high railway karsts tunnel with large cross section[D].Changsha：School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology,2012.(in Chinese))

[8]王皓.顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析[J].中外公路，2010，30(5): 232-236.(WANG Hao.Analysis of the top water filled cave tunnel surrounding rock displacement characteristics[J].Journal of China &Foreign Highway,2010，30(5): 232-236.(in Chinese))

[9]谭代明，漆泰岳，莫阳春.侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(S2): 3497-3503.(TAN Daiming,QI Taiyue,MO Yangchun.Numerical analysis and research on surrounding rock stability of lateral karst cave tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009，28(S2): 3497-3503.(in Chinese))

安徽筹建首条过江隧道将采取BOOT模式

在安徽省发展改革委员会首批28个鼓励社会资本参与建设营运的示范项目中，总投资45亿元的芜湖城南过江隧道工程将是安徽省第一条过江隧道。隧道有望于今年年底开工建设，建设工期约4年半。

芜湖城南过江隧道工程位于芜湖市长江皖江段“大拐弯”处，距离下游的长江大桥约9 km。隧道全长约5 km，全线采用双向六车道方案，按城市快速路标准建设，设计行车速度为80 km/h。

芜湖城南过江隧道是一条纯城市功能的过江通道，不接高速。隧道建成后，将会极大增强芜湖市的过江能力，缓解芜湖长江大桥的通行压力；同时，对芜湖向江北发展，促进长江两岸共同繁荣具有重要意义。

此次，芜湖城南过江隧道工程向社会资本，特别是向民间资本伸出橄榄枝，采用BOOT模式，将有效加快工程的推进速度。

(摘自 中国市政工程网 http://www.zgsz.org.cn/2014/0808/11896.html )

ComparativeSimulationAnalysisonApplicabilityofDifferentKarstCaveTreatmentMethodsinTunneling

ZHANG Jianguo

(ChinaRailway7thBureauGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Karst caves are encountered in the construction of Jikoushan tunnel.The deformation of the surrounding rock of Jikoushan tunnel under 3 karst cave treatment methods,i.e.,excavation and backfilling method,advance grouting method and advance pipe roof support method,is studied and analyzed by means of numerical simulation.The study results show that the deformation of the surrounding rock under advance grouting method is less than that under the excavation and backfilling method,and the deformation of the surrounding rock under the advance pipe roof support method is the largest.The advance grouting method is superior to the excavation and backfilling method and the advance pipe roof support method in terms of control of deformation of surrounding rocks.It proves that it is appropriate to adopt advance grouting method in construction of Jikoushan tunnel.

karst tunnel;excavation and backfilling;advance grouting;advance pipe roof support;simulation analysis

2014-05-03;

2014-06-29

张建国(1964—)，男，河南焦作人，2008年毕业于华东交通大学，交通运输工程专业，硕士，高级工程师，现从事土木工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.004

U 455.49

A

1672-741X(2014)08-0731-06