顶部溶洞对隧道衬砌结构安全性影响分析

刘申

摘要：本文主要运用数值模拟的方法来研究隧道顶部溶洞对衬砌结构安全性影响，以渝怀铁路涪秀二线某隧道为例进行详细的分析和阐述，并制定出多种溶洞隧道开挖施工防护方案，以此来不断减少或者降低隧道頂部溶洞对衬砌结构安全性影响。

关键词：溶洞；溶腔危石；衬砌结构；安全性；分析

1.工程概况

该隧道全长7248m，位于既有线路左侧，我部负责出口端从斜井（453.76m，坡度10%）进入正洞3448m施工任务，在开挖完成2151m，隧道掌子面爆破后，铁路线路右侧及拱顶揭示岩溶大厅，宽约30m，高约40m，全长约240m。溶洞与线路方向斜交，铁路隧道从溶洞中下部穿过，其中ZDK263+528～498段长30米隧道受溶腔影响成为明洞。隧道大里程侧已支护段（ZDK263+528～568）拱顶为溶洞坍塌物堆积体，堆积体为黏土夹大孤石，厚度2m～15m，上部为空腔，ZDK263+568处有一处向上发育溶洞，有流水；小里程侧为溶洞堆积体，溶洞底部有暗河。新建隧道与既有铁路间距50米。

2.溶洞处隧道溶腔危石掉落安全风险

经过现场研究，隧道洞内已实施径向注浆，临时仰拱等加固措施；隧道洞外设置防护棚洞，溶腔采用高压水枪向高处溶腔壁冲击清理危石。该溶洞隧道施工安全风险主要分为两个方面：（1）溶腔顶部危石掉落。溶腔顶部多次发生危石掉落，其中最严重者高度约30m处掉落长5m，宽6m，厚1.5m危石，重量约70吨。（2）棚洞往小里程方向渐入溶腔岩体，右侧高边坡危石剥落。隧道棚洞里程为ZDK263+514，继续往小里程施工需要弱爆破剥离右侧局部边坡，最小开挖断面宽约2m，高6m，渐进直至隧道全部进入岩体转为暗洞施工。右侧边坡高约35m，该处溶腔腔壁围岩为水平岩层，垂直节理，节理发育夹泥，存在高处危石剥落较大安全风险。

3.溶洞处隧道加固、防护措施

在进行铁路工程施工时，溶洞处隧道加固、防护方案有很多，本文中主要运用的防护方案主要有多层工字钢“门式支架”结构溶洞永临结合防护方案、棚洞顶φ76钢管外伸式悬臂结构作业面临时防护方案以及挖掘机顶棚防落石加固方案。下面对这三种方案进行具体的分析和研究

3.1多层工字钢“门式支架”结构溶洞永临结合防护方案

为防止溶腔空腔及右侧高边坡掉块，保证施工安全，设置永临结合的多层工字钢门式支架结构，减缓危石直接从高处掉落冲击力，并作为施工平台清理危石。

基础换填2.0片石砼，再采用1.0m厚C20混凝土硬化，采用工字钢门式支架，底部两层采用120I字钢，上层采用116工字钢，间距2.0m*2.0m，每4m设置剪刀撑，按钢结构要求施做，搭设至溶腔顶部，搭设宽度隧道拱顶及溶洞空腔侧5m，支架顶部设双层φ16钢筋网片，网格尺寸15*15cm。在溶腔顶部布设监控量测点，加强观测。多层工字钢门式支架搭设完成后再开始进行正洞棚洞施工，对侵入正洞界限的围岩采用控制爆破，逐榀开挖，加强观测。

3.2棚洞顶φ76钢管外伸式悬臂结构作业面临时防护方案

为加固防护棚洞，在棚洞外侧施12m厚C30混凝土护拱。在棚洞护拱顶部，设置@76钢管外伸式悬臂结构：（1）m 76钢管长8～9m，其中4～4.5m锚固在棚洞护拱顶部，另外4～4.5m外悬。（2）φ76钢管外伸式悬臂结构间距0.8m，设8～11根φ76钢管，依护拱顶部弧度形成约5～7m宽、长4m弧形悬臂结构。（3）在洞外提前加工制作φ16钢筋网片，主筋网格间距15x15cm，并在网片上点焊（或打孔绑扎）镀锌铁皮。（4）在φ76钢管弧形悬臂结构上拼装焊接φ16网片，并在网片上完善镀锌铁皮，形成外伸式悬臂临时防护结构。（5）人员在临时防护结构下施工，防止落石。

3.3挖掘机顶棚防落石加固方案

为有效实施基底平整、吊装φ76钢管，拼装焊接φ16钢筋网片，并利用挖斗防护拼装焊接作业工人等，需要挖掘机在大溶腔内作业。挖掘机顶棚采用20～30mm厚钢板加固，并用型钢将厚钢板固定在挖掘机顶棚上，防止溶腔落石伤害挖掘机操作人员。

4.溶洞及迂回洞主要安全施工技术措施

（1）安排专职安全人员24小时跟班作业，溶腔内施工人员不得大于9人；

（2）迂回洞土层中采用非爆开挖，在岩层中采用控制爆破开挖，

（3）迂回洞和溶洞内两个作业面加强联系，爆破作业时，溶洞内作业人员必须全部撤离。

5.结束语

在进行铁路等工程施工过程中，对于隧道底部溶洞要格外注意，在施工中要做好安全防护措施，实施安全防固方案，以此来减少溶洞处隧道溶腔危石掉落安全风险，减少对衬砌结构安全眭影响，提高施工质量以及施工的安全效率。

【参考文献】

[1]李元海，杨苏，喻军，干昆蓉.大型溶洞对隧道开挖稳定性的影响分析[J].现代隧道技术.2016，53（4）：52-60

[2]宋志红.溶岩地区溶洞桩基础施工工法[J].黑龙江交通科技.2017，40（1）：86-86