湖北鹤峰太坪隧道特大溶洞发育特征及稳定性评价

王章琼，柯茂东，张 兵，李元松，王亚军

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430073；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052)

0 引言

我国西南山区碳酸盐岩广泛分布，属于典型的岩溶发育区。岩溶发育导致岩体完整性、连续性遭到破坏，且岩溶具有较强的隐蔽性，常规勘察手段难以准确查明岩溶的位置、规模和性质[1]，导致隧道开挖过程中普遍存在突水、围岩失稳风险，给工程建设造成诸多不良影响[2]。在岩溶地区开展的各类隧道工程建设易遭遇岩溶地质灾害，处治不当则可能造成延误工期、人员伤亡等严重后果，如重庆S202通渝隧道[3]、渝怀线圆梁山隧道[4]、兰渝线桐子林隧道[5]、广渝高速华蓥山隧道[6]、宜万铁路野三关隧道[7]和齐岳山隧道[8]、沪蓉西高速乌池坝隧道[9]、吉莲高速钟家山隧道[10]、沪昆高铁朱砂堡二号隧道[11]、贵广高铁坪山隧道[12]等。在以往的大量工程实践中，针对隧道岩溶的分析、评价、处治等问题，开展了大量有益的探索和尝试，积累了丰富的经验[13-18]。

太平隧道位于湖北省鹤峰县太平乡龙潭村西部约1 km处，长625 m，最大埋深145 m，为一中隧道。隧道建筑限界净宽4.5 m，净高5 m；二衬采用C30钢砼，厚45 cm。左幅起讫里程桩号为ZK56+855～ZK57+466，右幅起讫里程桩号为YK56+820～YK57+445。溶洞沿隧道走向长约139 m，宽约79 m，高约60 m，溶腔体积约4.3×105m3，且横穿左、右两幅隧道。本文依托宜来高速太平隧道特大型溶洞，通过对岩溶地质条件、发育特征的系统研究，评价溶洞围岩稳定性，分析和预测溶洞演化趋势，为溶洞稳定性综合评价及处治方案设计提供依据。

1 隧址区工程地质条件

太平隧道所在区域属构造剥蚀岩溶峰丛低山地貌，海拔高程一般约为935～1 065 m，相对高差约130 m。隧道横穿一座浑圆状山体及垭口，路线方向与山体长轴方向基本一致。隧道进口位于山体东侧，进口坡度较陡，为直线型斜坡，坡向为108°，坡度34°；出口位于浑圆状山体西侧，出口为直线型坡，坡向为290°，平均坡度30°。

隧址区基岩主要为三叠系下统嘉陵江组下段二段(T1j2)灰岩，风化程度为中风化-微风化，呈青灰色、深灰色，中厚层状，节理裂隙发育，岩石质地坚硬，性脆，抗风化能力强，力学强度高。

溶洞位于鹤峰向斜北翼，临近鹤峰向斜核部，岩层呈陡倾状单斜构造，产状140°∠62°。隧址区岩体节理裂隙发育，主要有3组优势节理：80°～125°∠56°～81°、156°～180°∠40°～68°、282°～355°∠49°～55°。节理多呈微张-紧闭状，裂隙间多有灰黄色薄层状或薄膜状黏土充填。溶洞围岩溶蚀裂隙发育，在长期溶蚀作用下，岩体内部构造应力基本释放(图1)。

图1 太平隧道岩溶水文地质简图Fig.1 Karst hydrogeologic map of Taiping Tunnel

区内地下水主要有松散层孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水三大类。松散层孔隙水主要赋存于第四系松散堆积层，零散分布在山体斜坡沟谷及岩溶洼地，主要由大气降雨补给，径流途径短。碎屑岩类裂隙水主要赋存于构造裂隙及风化裂隙中，埋藏较浅，接受岩溶地下水补给。碳酸盐岩类岩溶水主要赋存于碳酸盐岩地层岩组，即嘉陵江组地层(T1j)，地层岩溶强烈发育，暴雨期间会产生较大径流，但可通过地下暗河快速排出。

太平隧道周围地表水体不发育，离太平隧道最近的地表河流为吊沙河，在四坪村二组南东侧(太平隧道出口西侧约1 km处)进入地下，向溇水河排泄，溶洞整体处于地下水位以上，为干溶洞。地下水的补给主要为大气降雨，该区域山高谷深，基岩裸露，有利于雨水地表径流排泄，雨水入渗量有限，基本不影响溶洞稳定性。

2 溶洞发育特征及成因

2.1 溶洞形态特征

溶洞起于ZK57+29 m处，止于ZK57+168 m处，沿隧道方向(长轴方向)长139 m，宽(短轴方向，ZK57+125 m处)79 m，平面上近似呈火炬状(图2)。

图2 溶洞平面形态Fig.2 Plane form of karst carven

溶洞整体呈椭圆形、漏斗状，斜向下发育；洞顶呈穹窿状，高出隧道底板20～30 m，局部有钟乳石。岩溶发育深度约从830～960 m高程处，深度约130 m(图3、图4)。溶洞顶板与山体表面垂直距离较小，最薄处约50 m。

图3 溶洞立面形态Fig.3 Facade form of karst carven

图4 溶洞内部状况Fig.4 Internal status of karst cavern

为确定溶洞规模，在详勘阶段钻探基础上，增加了4个钻孔，同时布置了4条高密度电法物探剖面测线，基本圈定了溶洞规模。在此基础上，结合洞内现场测量得到溶洞空间形态参数，其与隧道关系如图5所示。

图5 隧道与溶洞空间形态Fig.5 Space form of the tunnel and karst carven

2.2 溶洞堆积物特征

洞底为溶洞堆积物，厚度约30～40 m。堆积物主要为灰岩岩块，块径为15～80 cm不等(图6(a))。局部堆积物表面可见渗滴水形成的石窝，石窝深达0.01～0.05 m，部分堆积物已被钙华固结(图6(b))，表明洞内崩塌堆积物系早期形成。

图6 溶洞堆积物特征Fig.6 Characteristic of accumulation body in karst cavern

2.3 溶洞成因分析

隧址区溶洞的发育大体上经历了2个阶段：第一阶段为震旦纪至侏罗纪，鹤峰境内基本处于沉降过程，该区域形成了一套以碳酸盐岩为主的海相沉积岩层，厚度巨大，富含碳酸钙，以寒武系、三叠系分布最广，为后期岩溶形成奠定了物质基础。第二阶段为中生代后期至今，侏罗纪-白垩纪发生燕山运动，研究区由海相转为陆相，并一直处于间歇性抬升之中，形成高低不平的高山峡谷地貌。同时发生强烈的挤压，形成一系列NE-NNE向褶皱山地。

太平隧道位于鹤峰向斜近核部北翼，受构造影响该区域碳酸盐层节理裂隙十分发育，鹤峰又属亚热带大陆性季风湿润气候，具有降雨充沛、雾多、蒸发小、湿度大等特点，有利于岩溶发育。隧址区山体石灰岩裸露，顺山坡发育溪谷、河流，地表水沿灰岩节理裂隙入渗，长期作用下在透水性较好的嘉陵江组灰岩中形成溶洞。

第三纪中期，发生喜马拉雅运动，鹤峰境内主要表现为差异性的升降作用，太平隧道所在山体缓慢抬升，成为鹤峰西部区域地势相对较高处，该溶洞位于当地地下水位以上，形成目前半充填状态的干溶洞。

3 溶洞稳定性评价及演化分析

3.1 溶洞稳定性数值模拟计算

(1)数值分析模型及边界条件

采用FLAC3D进行稳定性计算，数值分析模型平行于隧道轴线方向长400 m，垂直于隧道轴线方向长300 m，模型底部距溶洞底部140 m，共242 951个节点，1 448 143个单元体(图7)。

图7 隧道溶洞数值分析模型Fig.7 Numerical analysis model of karst carven

对模型4个侧面约束水平方向位移，底面约束垂直方向位移。因山体岩溶较发育，水平构造应力大部分已释放，计算时不考虑水平构造应力。

(2)材料参数及本构模型

根据室内岩石试验、现场地质调查等结果，采用Hoek-Brown准则估算出隧道山体岩体力学参数，同时考虑到长期风化作用下岩体力学参数的劣化(变形模量及强度参数折减约10%)，得到现状、长期运营条件下围岩物理、力学参数建议值(表1)。

表1 材料物理力学参数

(3)计算结果及分析

基于强度折减法，得到隧道开挖前、开挖后及长期运营条件下的洞室围岩稳定性系数(表2)。结果表明，隧道在自然条件及开挖爆破影响下，围岩稳定性系数均>1.5，基本稳定；但受节理裂隙影响，隧道与溶洞结合部等局部可能出现掉块、垮塌。长期运营工况下，因围岩溶蚀劣化，导致稳定性系数降低至1.24，安全储备较低，顶板存在整体失稳的可能。

表2 洞室围岩稳定性系数计算结果

3.2 溶洞演化分析

太平隧道ZK57+168 m处揭露溶洞为“古溶洞”，系地层抬升后原岩溶管道顶部围岩崩塌形成。溶洞周围地表水体不丰富，整体处于地下水位以上，为干溶洞。地下水的补给主要为大气降雨，该区域山高谷深，基岩裸露，有利于雨水地表径流排泄，雨水入渗量有限，基本不影响该溶洞的稳定性。

溶洞处于地下河补给、径流区，但汇水范围小，仅洪水期有较大水量通过硐体下方。洞底为溶洞堆积物所充填，厚约30～40 m，堆积物块径较大，过水能力强；洞顶呈穹隆状，有利于顶板自稳；洞身围岩垂直方向岩溶发育，洪水期溶洞顶板会出现渗水、滴水或小股状水流。整体而言，自然状态下溶洞相对较稳定。

在隧道施工过程中，由于开挖卸荷、爆破震动等因素的影响，可能导致局部出现掉块。此外，在隧道长期运营过程中，由于山顶地表水沿岩溶裂隙向洞内渗透，必然促进溶洞围岩，特别是溶洞顶板的进一步溶蚀，导致岩体力学性质劣化，从而增大了顶板整体失稳破坏的风险。

4 结论及建议

(1)太平隧道ZK57处溶洞洞底为灰岩岩块堆积物，其表面可见渗滴水形成的石窝，部分堆积物已被钙华固结，表明洞内崩塌堆积物形成时间较早，该溶洞系早期岩溶发育过程中围岩溶蚀、崩落而成。

(2)溶洞周围地表水体不丰富，整体处于地下水位以上，为干溶洞。洪水期可能有较大水量通过溶洞下方，但洞底为大块径堆积物所充填，洞身围岩垂直方向岩溶发育，过水能力强，地表水、地下水对溶洞及隧道影响较小。

(3)自然条件及开挖爆破工况下，顶板基本稳定，但隧道与溶洞结合部等可能存在局部掉块、垮塌现象，建议对上述薄弱部位进行锚喷支护。长期运营工况下，围岩安全储备较低，顶板可能发生整体失稳，建议采用预应力锚索对顶板进行支护。

(4)根据溶洞围岩稳定性现状及发展趋势预测结果，建议隧道采用明洞(崩塌堆积体上修筑二衬)+半填充(顶部缓冲层)的方式通过，并做好防排水措施，加强施工及运营期的监控量测。