海德隧道浅层岩溶发育特征及影响分析

黄 彬，杨新安，刘卫星，李 淮

(1.同济大学 交通运输工程学院，上海 201804；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804;3.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032)

浅层岩溶是指基岩表面溶沟、溶槽或基岩面以下浅层溶隙、溶洞发育的地质现象。罗小杰[1]发现武汉地区浅层溶洞以小规模溶洞为主，溶洞充填方式是自上而下充填。赵瑞等[2]统计了研究区内各岩溶类型的基本发育特征，总结了岩溶发育的高程分带以及岩溶管道流循环特征。郭佳奇等[3]、李鸣冲等[4]通过对宜万铁路隧道所揭示的溶洞进行数理分析，将岩溶发育特征概化为4种基本模式并根据岩溶发育特征和工程结构特点提出岩溶规模划分标准。韦举高[5]阐述了武陵山隧道岩溶的位置、范围、深度和形态特征，并从岩性、构造、地貌等方面分析了岩溶发育特征及分布规律，对测区岩溶发育强度进行分级，对岩溶空间分布与隧道的关系作出初步评价。莫阳春等[6-7]通过现场监测，研究了溶洞位于隧道侧部及底部时隧道不同部位围岩的受力及位移。赵明阶等[8]研究了不同尺寸溶洞对隧道围岩稳定性的影响。宋战平等[9]通过现场施工动态监测及数值模拟分析，研究了不同位置及尺寸的溶洞下的隧道围岩受力、变形规律。

目前对浅层岩溶的研究仍相对较少，本文依托宣曲高速公路海德隧道，统计分析浅层岩溶发育特征，揭示浅层岩溶的发育机理、特点，通过监测数据探讨有溶洞的隧道围岩变形特征，分析其对隧道开挖的影响。

1 海德隧道浅层岩溶发育特征

海德隧道位于云南省曲靖市境内，是一座两车道分离式隧道，左线最大埋深约为139 m，右线最大埋深约为143 m，累计总长 4 286.1 m。隧道围岩以二叠系下统茅口组中风化灰岩为主，岩体相对较完整，多呈块(碎)石状镶嵌结构，侧壁稳定性相对较好。土体富水性较强，开挖时可能存在渗水现象。施工中共揭示溶洞205个，岩溶发育率为每21 m 1个，浅层岩溶十分发育。

海德隧道的地质条件极为复杂，主要表现为：①隧道两端洞口段为全断面红黏土地层，松散，稳定性极差，进洞难；②洞身大部分位于浅层岩溶中，溶洞极为发育，溶洞大小与发育部位多变，充填类型多样，导致围岩及上覆地层易松动、坍塌、冒顶，围岩压力大，变形控制难度大；③设计阶段勘察工作欠缺，施工图设计未对岩溶发育特征与部位等给予说明，导致施工阶段风险等级高，单靠超前地质预报难以完全探明隧道施工前方地质条件，隧道施工难度极大。

1.1 浅层岩溶发育规模

目前，国内外尚没有明确的岩溶大小划分标准，本文按岩溶发育体积大小将岩溶划分为小型(小于50 m3)、中型(50～200 m3)、大型(200～1 000 m3)、特大型(大于 1 000 m3)4个等级，对海德隧道施工中揭示的岩溶情况进行统计，结果见表1。可见，海德隧道浅层溶洞多为中、小型溶洞，大型及特大型溶洞较少。

考虑到大型溶洞与特大型溶洞所占比例较小，但其体积对统计造成的误差影响较大，故仅统计体积小于200 m3的溶洞。左线与右线溶洞体积变化趋势见图1，其中溶洞按里程由小到大依次编号。

表1 溶洞规模统计

图1 溶洞体积变化趋势

由图1可知：①左线溶洞体积平均值为77.45 m3。小里程一侧的前26个溶洞的体积平均值为68.31 m3，中间的51个溶洞体积平均值为99.40 m3，大里程侧的26个溶洞体积平均值为43.55 m3，即左线出口端溶洞体积<进口端溶洞体积<中间溶洞体积。②右线溶洞体积平均值为82.64 m3。右线小里程一侧的前17个溶洞的体积平均值为86.85 m3，中间的17个溶洞体积平均值为128.88 m3，大里程侧28个溶洞的溶洞体积平均值为54.66 m3，即右线出口端溶洞体积<进口端溶洞体积<中间溶洞体积。

左线与右线的溶洞体积具有相似的变化规律，可知溶洞体积与隧道埋深及地质条件有关。由于右线靠近山脚处，地质条件更差，隧道埋深较浅，右线溶洞体积大于左线。

1.2 浅层岩溶充填介质

根据填充程度及填充成分物质的不同，将海德隧道岩溶的主要类型分为无充填型、泥土充填型、碎石和块石填充型3种。

无充填型溶洞对掌子面稳定性影响有限，对施工人员、设备危害较小。泥土充填型溶洞是指填充物质以泥、土为主(80%以上)的溶洞，其中可能夹部分碎石和块石。泥土充填型溶洞的稳定性与其含水状态有密切关系，在含水率较大时溶洞内的物质可以转变为流态。碎石和块石充填型溶洞是指填充物质以碎石、块石为主的溶洞，碎石、块石表面附着有少量泥土。这类溶洞多在节理密集发育的岩体中出现，形成过程中伴随着围岩自身的重力失稳，其失稳后的形态与隧道揭露突泥口的大小关系较为密切。

海德隧道左线、右线分别共统计116，89处的充填介质情况，见表2。可知，左线和右线充填型溶洞分别占87%，88%，无充填介质的溶洞分别仅占13%，12%。

表2 海德隧道充填介质情况

综上所述，海德隧道溶洞充填介质有如下特征：①左、右线的充填物“红黏土、大块孤石，含少量水”占较大比例，均约为87%；剩余约13%为无充填介质的空腔。②左、右线充填介质在空间分布上具有一定连续性特征，小里程侧集中分布红黏土、大块孤石，含少量水。例如左线ZK118+652—ZK119+630的前76个溶洞均有填充介质；大里程侧则较集中地出现无介质的空腔。

1.3 浅层岩溶发育部位

针对海德隧道的溶洞发育部位集中于拱腰以上的特征，传统的拱腰、拱顶部位的定义方式无法精确地表示溶洞的部位及其在隧道断面内的宽度，故使用如图2 所示的方式划分溶洞部位，将溶洞上部从“左拱腰-拱顶-右拱腰”依次划分为7个区域。

图2 溶洞部位划分示意

海德隧道左线、右线溶洞部位统计结果见表2，其中比例表示统计的溶洞包含此部位的概率。可知，左线与右线90%以上的溶洞皆出现在拱腰及以上部位，其中溶洞拱顶左、右(3—4拱顶—5)的区域出现的溶洞概率远大于其他区域，左线达到30%以上，而右线达到40%以上；而且左线与右线拱顶偏右的区域(5区)出现溶洞的概率接近1/2。

综上所述，溶洞较集中出现在拱顶左、右区域，且分布趋势偏向右边；右线溶洞较左线溶洞位于拱腰以上的概率较大，位于拱顶部位附近概率更大，这与海德隧道的地质条件吻合。靠近右方的围岩埋深较小，围岩条件变差，裂隙及地下水较发育，岩溶作用较强。溶洞在隧道中、边墙与底板处均有出露，但出现概率较小。其中溶洞出现在隧道以下(即仰拱以下)的概率仅有1%，其余包含隧道中的溶洞均出现在边墙以上。岩溶发育有明显随深度变化的特征，随着围岩深度的增大，溶洞出现的概率减小。并且，溶洞的分布部位在空间上具有较大的连续性，相近区域的溶洞均位于断面内相似部位；溶洞截面范围基本一致，在空间上具有相似性。例如ZK118+983—ZK119+125里程内的9个溶洞均位于拱顶与右拱腰间区域(连续性)，且溶洞截面范围大小基本一致(相似性)。

表2 海德隧道溶洞部位统计结果

2 浅层岩溶对围岩变形的影响

2.1 岩溶充填介质的影响

海德隧道左线监测断面ZK120+537无溶洞发育现象，监测断面ZK120+586为红黏土填充溶洞，监测断面ZK120+619处溶洞无填充介质，不同溶洞介质断面围岩的拱顶下沉与洞周收敛见图3。

图3 不同溶洞介质断面的围岩位移

由图3(a)可知，3个监测断面的拱顶沉降曲线变化规律一致。随着隧道的开挖前期拱顶沉降明显增大；开挖至20 d左右时沉降基本稳定，其中红黏土溶洞沉降最晚达到稳定状态。红黏土溶洞沉降最大，稳定后拱顶沉降为7.9 mm；其次为无填充溶洞，稳定后拱顶沉降为5.9 mm；无溶洞时沉降最小，仅为3.2 mm。

由图3(b)可知，3个监测断面的洞周收敛曲线变化规律一致。随着隧道的开挖前期洞周收敛迅速增加；开挖至20 d左右时，位移变化不大。3处断面的水平位移较小，差别也较小，差值皆在2～3 mm左右。

2.2 岩溶发育形态的影响

2.2.1 溶洞规模的影响

以海德隧道右线K120+400—ZK120+750为研究对象，针对小型、中型、大型与特大型溶洞的断面监测数据进行分析，其中监测断面K120+442无溶洞发育现象，监测断面K120+529处有小型溶洞，监测断面K120+643处有中型溶洞，监测断面K120+633处有大型溶洞，监测断面K120+590处有特大型溶洞。不同规模溶洞的围岩拱顶下沉与洞周收敛见图4。

图4 不同规模溶洞的围岩位移

由图4(a)可知，不同规模溶洞所在断面的围岩拱顶沉降曲线变化规律一致。随着隧道的开挖，前期拱顶沉降明显增大；开挖至20d左右时，沉降变化不大。随着溶洞体积的增大，拱顶沉降增大。无溶洞发育时与中小型溶洞的拱顶沉降无太大差别，沉降约9 mm，大型溶洞的沉降可达到13.9 mm，特大型溶洞沉降达到17.0 mm并仍有缓慢增加的趋势。

由图4(b)可知，不同规模溶洞所在断面的围岩洞周收敛曲线变化规律均一致。随着隧道的开挖，前期洞周收敛逐渐增加并最终趋于稳定。不同规模溶洞所在断面的围岩水平位移均较小，差别也较小，差值皆在2～3 mm左右。

2.2.2 溶洞发育部位的影响

海德隧道左线监测断面ZK118+845处溶洞位于右边墙，监测断面K119+895处溶洞位于右拱腰，监测断面ZK118+845处溶洞位于拱顶，监测断面ZK118+940处无溶洞发育，不同断面围岩的拱顶下沉与洞周收敛见图5。

图5 不同溶洞发育部位的围岩位移

由图5(a)可知，不同发育部位的溶洞所在断面的拱顶沉降曲线变化规律一致。随着隧道的开挖，前期拱顶沉降明显增大；开挖至20d左右时，沉降变化不大。其中，无溶洞时拱顶沉降最小，仅为8.3 mm；其次为拱顶部位的溶洞与拱腰部位的溶洞，沉降约12 mm；在溶洞位于边墙部位时沉降最大，达到19.6 mm。

由图5(b)可知，不同发育部位的溶洞所在断面的洞周收敛曲线变化规律与拱顶沉降规律相似，前期数值逐渐增加并最终趋于稳定。但洞周收敛数值均较小，差别也较小，其中无溶洞、拱腰溶洞与拱顶溶洞约为1.5 mm，边墙溶洞的收敛数值可达到3.3 mm。

3 浅层岩溶对围岩受力的影响分析

左线隧道里程ZK119+475的断面左侧处出现溶洞，溶洞规模和位置如图6所示，隧道围岩级别为Ⅳ级，断面围岩以第四系坡残积黏土及二迭系下统茅口组灰岩为主，岩体极破碎，呈碎石、块状结构，掌子面潮湿，侧壁稳定性差。该洞整体稳定性差，易发生掉块、掉渣、甚至坍塌现象。

图6 ZK119+475处溶洞位置示意

不同位置处围岩与初期支护接触应力见图7。可知：①左侧拱腰处接触应力逐渐增长至约5 kPa后趋于稳定，右侧拱腰处接触应力迅速增大至20 kPa后应力有所减小并趋于稳定，在10 kPa左右。左侧拱腰处围岩压力逐渐增大，说明开挖对溶洞内的填充黏土有扰动作用，且扰动作用随着开挖面与该断面的距离逐渐增大而消失，最终围岩压力不会对初期支护产生过大影响。对比左侧拱腰(溶洞)和右侧拱腰处围岩与初期支护接触应力发现，右侧拱腰处初期支护接触应力总体上大于左侧拱腰(溶洞)处，但差值逐渐减小，说明开挖扰动、应力释放及初期支护变形的综合变化的过程使得围岩与初期支护接触应力重新分配，从现场监测数据来看这种重新分配是趋于安全的。②拱脚处左侧(溶洞)与右侧围岩与初期支护的接触应力皆呈现波动、略微增大的特征，开挖后30 d应力稳定在2 kPa 左右。由于下台阶未开挖，因此拱脚处围岩压力变化较小，且两侧围岩压力数值相近。

图7 不同位置处围岩与初期支护接触应力

不同位置处钢架内力随时间变化曲线见图8。可知：①右拱腰外侧钢架内力迅速增大到20 kPa以上，但随后减小至13 kPa左右并保持基本稳定，右拱腰内侧同样迅速增大至17 kPa左右，随后减小至7 kPa并保持稳定；左拱腰外侧迅速增大到14 kPa左右并保持基本稳定，左拱腰内侧同样迅速增大至3 kPa左右并保持稳定。左侧拱腰与右侧拱腰内、外侧钢架内力变化趋势均相似，外侧内力稍大于内侧内力。②由于下台阶并未开挖，拱脚处钢架内力较小，在开挖初期钢架内力波动较为明显，随着时间和掌子面推移，钢架内力逐渐减小，均在1 kPa左右或以内，钢架整体上基本不受力。无论左侧还是右侧拱脚，都表现为钢架外侧受压，内侧受拉，这可能是由于锁脚锚杆和洞周收敛综合影响，使得该处钢架呈现向隧道内挤压。

图8 钢架内力随时间变化曲线

无论钢架是在左侧(溶洞)还是右侧拱腰处，钢架内、外侧均承受压力，在两侧拱腰钢架均表现为整体受压状态，钢架结构处于有利的受力状态。左侧拱腰处(溶洞位置)钢架内力整体上小于右侧，结合拱腰处围岩压力变化曲线可以说明，溶洞处围岩处于比较稳定的状态。

4 结论

1)海德隧道岩溶发育率较高，溶洞规模多为中小型溶洞。左线与右线的溶洞体积与隧道埋深及地质条件有关，由于右线地质条件更差，隧道埋深较浅，右线溶洞体积大于左线。

2)隧道左、右线充填介质“红黏土、大块孤石，含少量水”占较大比例，约为87%；剩余约13%为无充填介质的空腔。

3)左线与右线90%以上的溶洞皆出现在拱腰及以上部位，溶洞较集中出现在拱顶附近区域，分布趋势偏向右边。岩溶发育有明显随深度变化的特征，随着围岩深度的增大，溶洞出现的概率减小。并且靠近右方的围岩埋深较小，围岩条件变差，裂隙及地下水较发育，岩溶作用较强。

4)溶洞会增加拱顶沉降，且红黏土溶洞沉降大于无填充溶洞，但有无溶洞及有无填充介质对洞周收敛影响较小；随着溶洞体积的增大，拱顶沉降数值增大，其中无溶洞发育与中小型溶洞的拱顶沉降量无太大差别，溶洞体积对洞周收敛影响较小；溶洞位于边墙部位时的拱顶沉降大于溶洞位于拱顶、拱腰部位时的拱顶沉降，无溶洞、拱腰溶洞与拱顶溶洞的洞周收敛约为1.5 mm，边墙溶洞的洞周收敛可达到3.3 mm。

5)隧道开挖对溶洞内的填充黏土的扰动作用随着开挖面的距离增大而减小直至消失，开挖扰动、应力释放及初期支护变形的综合变化的过程使得围岩与初期支护接触应力重新分配。无论钢架是在左侧(溶洞)还是右侧拱腰处，钢架内、外侧内力变化趋势相似且均承受压力，两侧拱腰钢架表现为整体受压状态，受力较为有利。左侧拱腰处(溶洞)钢架内力整体上小于右侧，溶洞处围岩处于比较稳定的状态。