浅埋岩溶隧道大型岩溶漏斗稳定性分析及处理措施

韩兆军 刘春雨 于洋 李忠阳 李贺群 宋战平

[内容提要] 浅埋岩溶隧道岩溶发育以岩溶漏斗或充填型溶腔为主，受地表水和地下水作用，隧道開挖时，易发生充填物坍塌及突泥等地质灾害，影响施工进度，危机施工安全，本文通过典型漏斗式充填溶腔，对其稳定性进行分析，确定合理的施工方案，总结施工经验，为类似工程提供借鉴参考。

[关 键 词]浅埋   填充容腔  稳定分析  处理措施

1 工程概况

商合杭铁路太湖山隧道位于安徽马鞍山市含山县境内，隧道全长3618米，为双线单洞高铁隧道。其中进口段DK468+662～DK469+440段为长距离浅埋段，且发育三条断层破碎带，F2断层至F3 断层之间为浅埋灰岩段，埋深5～25米。DK468+920～DK468+960为Pq灰岩与Sf粉细砂岩岩性接触带，围岩级别为Ⅴ级，岩体破碎，岩溶发育，稳定性差，地下水较发育。隧道开挖至DK468+930时，掌子面拱顶揭露一个充填型溶洞，揭露口直径1.2米，充填物为粉质黏土，棕红色，软塑状、在爆破振动及重力作用下，充填物塌落形成3m×2m×2.5m塌腔，如图1 。溶洞内有地下水渗出，拱部继续掉块坍塌进一步扩大，为了防止突泥发生，掌子面进行反压回填。

2 溶洞探测

探明溶洞发育情况是处理溶洞的关键。首先采用地质雷达初步探测溶洞范围，在掌子面在开挖轮廓周边布设一条测线，在上台阶中部和底部各布设一条测线，通过图像分析初步判断溶洞发育形态。在雷达物探异常区域布设3个水平钻孔，通过钻孔取芯判断溶洞边界和充填物组成。通过地表地貌，结合物探和钻探成果，综合判断，该溶腔为垂直发育漏斗，且与地表联通，在隧道开挖范围纵向发育长度12.2米，横向宽度贯穿掌子面并向左下角发育，岩溶发育如图2a和图1b。

3 溶洞稳定性分析

隧道填充物为可塑状粘土，爆破开挖后受自重发生塌落，充填粘土中掺杂着少量大小不等的砂砾石，隧道开挖后主要承受隧道土压力作用。

现场取溶洞内充填粘土，按照《土工试验规程》SL237-1999进行土样在不同含水率下的抗剪强度试验，通过粘聚力大小的变化来分析溶洞内填充的粘土对隧道稳定性的影响。经过含水量实验得到原状土天然含水率为33.5～37.8%。试样的风干含水率为3.3%，压实后要求干密度为1.2g/cm3，含水率为15%，25%，35%，45%，55%，65%的土样，每一种含水率的土样制作四个环刀试样，得到充填粘土的粘聚力与含水率之间的关系图。

从图3可见，随着试样含水率的增加，粘土的粘聚力急速上升，在35%达到峰值峰值18kpa，而后下降，所以当地表水渗入溶腔时，一方面导致粘土自重增加，一一方面导致充填粘土黏聚力下降，自稳能力下降。

采用MIDAS NX软件对溶腔进行模拟分析，该处埋深30.5米，隧道跨度14.6米，将溶洞简化为位于隧道拱部椭圆，其长轴16米，短轴6米，短轴以下部分位于隧道拱顶断面内，为了保证隧道建模产生的误差在允许范围内，左右边界分别取至距离隧道轴线50米的位置。

围岩按照Ⅴ级围岩进行取值，充填粘土参数参考直剪试验结果进行取值，围岩以及充填粘土参数如表2所示，初支支护按照设计Ⅰ22工字钢拱架，间距0.6米，喷射混凝土厚度25厘米，锚杆采用直径25*7mm中空锚杆。

施工图设计三台阶开挖法，由于溶洞位于上台阶拱部，故模拟计算时，着重分析上台阶开挖后各部位的位移以及初期支护的受力情况。

图4a为上台阶开挖之后围岩的位移图，可以看到拱顶位移值达到3.8米，如开挖充填溶腔将全部塌方，甚至塌方至地表。 图4b 为初期支护承受的弯矩图，整个支撑承受较大弯矩，做大弯矩值达到108.9KN.m。

4  施工方案确定

4.1塌方处理

掌子面采用洞碴回填至拱顶，回填之前预埋混凝土泵管3根，掌子面100mm厚网喷混凝土封闭，兼做超前预注浆止浆墙，拱顶塌腔采用C25混凝土分层回填密实。

4.2 超前注浆

上台阶拱部采用3m超前周边预注浆加固，共布置注浆孔37个，如图5a。采取一次全孔注浆，注浆浆液扩散半径按照1.5-2.0米计算，注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液水灰比为0.6：1—0.8：1，注浆压力不小于2.0MPa。采取钻孔取芯验证充填物注浆情况，经取芯检查，粘土含水率23.1%，剪切强度提高35%，泥土中加水泥石脉，围岩得到加强，如图5b所示。

4.3 超前支护

隧道拱部120°范围设置，采用φ89洞身管棚超前预支护，管棚间距40mm，管棚长度15m，外插角3°，在边钻孔边安装钢管，边注浆。

4.4 隧道开挖支护

采用三台阶核心土法施工，每次开挖进尺0.5m，开挖后立即初喷混凝土封闭，安装Ⅰ 22工字钢拱架，间距0.5m，拱脚设置2根5m锁脚锚管。中、下台阶每次开挖进尺1.0m，安装2榀钢架，左右错开施工，拱脚设置锁脚锚管，并安装临时Ⅰ18工字钢临时仰拱。隧道仰拱封闭成环20米。

4.5 径向注浆加固

DK468+920～DK468+947段调整为5米径向注浆加固，孔间距纵向2.0m*环向1.2m，梅花型布置，孔深3.0米，注浆压力0.5～1.5mpa。

4.6 隧道衬砌

浅埋岩溶段及时进行二次衬砌，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，衬砌厚度60厘米。二次衬砌距掌子面控制在60米内。

5 溶洞处理变形观测及评价

为了评价溶洞段处置方案效果，分别从位移和拱架应力两个方面进行评价，在溶洞段布置2的断面观测拱顶沉降和洞身收敛，如图6，拱顶沉降随时间的变化趋于稳定，拱顶下沉在10天累计变形做大。通过钢架内力测设，钢架内力在开挖支护距掌子面6米时，拱部内力最大450KPa， 其他部位压力小于200KPa，故判断受力较稳定，结构较安全。

6  结束语

太湖山隧道F2断层接触带发育溶腔，在溶腔范围进行局部超前经济合理，辅以超前管棚加强有效控制隧道变形，保证隧道施工安全和结构稳定，方案科学经济合理，对类似工程具有一定借鉴意义。

参考文献

王作举    龙麟宫隧道容腔处理施工技术     铁道建筑技术     2010（5）：31—35

李勇良    云桂客专营盘山隧道穿越巨型溶洞初支技术研究    铁道建筑技术     2016（2）：57—60

李学东    朱家岩隧道特大型容腔处置方案探讨     中外公路    2007，27（5） 179-183

高速铁路隧道工程施工技术规程  中国铁路总公司  Q/CR 9603-2015

中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 哈尔滨 150000

西安建筑科技大学 土木工程学院 西安 710055