浅埋岩溶隧道变形施工安全控制研究

陆光福

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

近年来，国内修建了越来越多的隧道，遇到的不良地质条件也越来越多。当前，面对岩溶地区浅埋隧道围岩在施工时的变形缺乏行之有效的控制方法[1]。当有岩溶洞存在于隧道围岩中时，不仅会使围岩强度有所降低，还会导致渗透水压力有所上升[2]，给隧道施工造成较大的安全隐患[3]。一般情况下，岩溶隧道围岩稳定性均被看作强度问题，因此在岩溶隧道施工时，需通过数值模拟的方法建立模型，以分析各种施工条件下围岩的变形情况，确保隧道施工安全。

1 工程概况

偏坡寨隧道位于贵州省金沙县长坝乡，设计为两条分离式隧道，设计速度为100km/h。隧道最大埋深104.2m，进口端洞门形式均为直削式，出口端洞门形式均为端墙式，建筑限界为14.5m×5m。左线ZK83+065～ZK84+760 段纵坡为1.66%，右线YK83+055～YK84+745 段纵坡为1.68%。隧道穿越可溶岩地层，岩溶强发育，施工开挖揭露隐伏岩溶易产生涌水、突泥现象，应加强超前地质预报，做好相关措施及应急预案，确保隧道及施工安全。且场区地表分布较多的地表溶洞、岩溶洼地、岩溶泉点，物探岩溶异常，钻探揭露岩溶情况，综合判定场区为岩溶强发育。

2 施工分析

2.1 溶洞填充对隧道变形控制分析

图1 隧道施工方案

结合现有的岩溶治理技术以及该隧道的地质性质，通过混凝土注浆的方式对溶洞进行填充。该种施工技术有较为简单的工艺，且有明显效果。但当前还存在一些不足：因溶洞较为隐蔽，且受限于注浆技术，在项目施工时容易有不充分注浆或注浆过量的情况出现，不充分注浆会导致塌陷等工程事故出现，注浆过量又会导致施工成本有所增加，甚至会加大施工难度。简化隧道的溶洞模型：在隧道底部约3m 的位置有溶洞存在，尺寸约有8m 的跨度。隧道施工步骤如图1 所示。通过模拟，对隧道30m 深度的截面围岩和支护变形与受力情况进行分析。

（1）围岩变形分析

隧道位移在溶洞不同填充程度下有基本一致的变化情况，在0.25 到0.75 的填充程度下，隧道拱顶沉降和底部隆起均有所降低，在0.75 到1.00 的填充程度下，在总变形中，隧道拱顶约有28%的占比，隧道底部约有65%的占比，对比开挖时的变形量可知注浆的完整性非常重要，此外为确保隧道拱顶的稳定应采取超前加固措施。对围岩应力进行分析可知，隧道的水平收敛值随着不断增大的填充程度而不断减小，但变形量仅为0.3mm，表明对于隧道的围岩水平位移而言，通过注浆的方式对隧道底部溶洞进行填充能够发挥控制作用，但影响较小。

（2）支护结构应力分析

从模拟结果可知，隧道支护结构在填充程度不同的情况下有相似的受力，隧道的最大主应力值随着填充程度的不断增加而有所增长，和施工时的变形情况基本一致。从初期支护受力情况上看，应施加一定预防措施，以确保结构处于安全状态。

2.2 围岩加固对浅埋隧道变形控制对比分析

（1）拱顶沉降

对于隧道的拱顶下沉而言，不同的支护方式会产生不同的影响。隧道拱顶在各支护方式下有基本一致的沉降趋势，但对于拱顶下沉而言，不同支护方式下的控制效果也有所不同。采用超前小导管以及大管棚进行支护能够使隧道施工时拱顶沉降和突变均有所减小。

（2）地表沉降

从控制地表沉降的角度上看，支护方式对其有重要影响。隧道施工到隧道中线20mm 的位置时对地表有最大的影响，约有2mm 的沉降值，在20m 的范围之外时，地表沉降均在2mm以内，仅有较小的影响。

（3）水平收敛

隧道拱腰在不同支护方式中有不同的最终收敛值，在无超前支护时该值为7.6mm，在超前小导管支护时该值为7.05mm，在超前大管棚支护时该值为5.35mm，相比于超前小导管，采用超前大管棚的方式进行支护时对拱腰变形的抑制效果约为其四倍多。在具体施工时可结合现场的实测数据合理确定支护方式，确保有经济合理的施工进度。

（4）应力分析

随着不断增加的支护强度，初期支护可承受的最大主应力不断降低。在无初期支护的条件下施工时约有3.13MPa 的最大主应力，比C30 混凝土轴心抗压强度要大，且该应力处于隧道的右拱顶处，超出规范要求。对于初期支护而言，施加小导管支护可使其应力得到约70%的降低，约有0.93MPa 的应力值，使拱顶初期支护应力得到有效降低，使初期支护可有效承受。隧道应力值施加超前大管棚支护的条件下约有82%的减小，对于初期支护上的应力而言，不同的支护方式下有基本相似的变化情况。建议在该隧道施工时，通过小导管支护的方式加固围岩。

2.3 循环进尺对地形变化控制对比分析

对于工程工期以及施工质量而言，循环进尺有重要意义。本文对隧道位移和应力在不同循环进尺条件下的变化情况进行分析，探讨在30cm 初期支护厚度和15GPa 弹性模量的条件下，不同循环进尺所产生的影响。

（1）施工关键节点拱顶沉降

对于隧道的拱顶变形而言，开挖进尺对其有重要的控制作用，通过完工后隧道拱顶沉降的趋势进行分析可知，在完成初期支护施工后，随着不断向前的掌子面，监测点有基本一致的变化情况，导致在具体施工时，开挖进尺是否合理对变形控制效果有较大的影响。

（2）水平收敛

隧道模型拱腰水平收敛的情况，所得结果如表1 所示。

表1 不同循环进尺拱腰水平收敛值（单位：mm）

隧道拱腰收敛值在开挖进尺不同的情况下有着比拱顶更小的数值，并且水平收敛随着不断增加的开挖进尺表现出不断增加的趋势，1.0m 和1.5m 的循环进尺条件下，比起0.5m 的循环进尺有着更大的水平收敛，总体上，拱腰收敛受开挖进尺的影响较小。

（3）应力变化

拱顶和拱腰是初期支护最大主应力所出现的位置。初期支护最大主应力在开挖进尺不同时的变化情况如表2 所示。

表2 不同循环进尺隧道最大主应力表（单位：kPa）

初期支护拱顶在越大的循环进尺条件下，需要承受越大的最大主应力，拱腰则越小。随着不断增加的循环进尺拱顶支护的最大主应力也在不断增加，在较大的循环进尺下，初期支护所产生的最大主应力已经在轴心抗拉强度标准值之上，有破坏产生。因此建议以1.0m 作为隧道的循环进尺。

3 结语

通过以上分析，所得结论为：

（1）在溶洞全填充的情况下有着更好的控制效果，且填充底部溶洞主要是控制隧道的竖向位移。隧道填充难免会增加支护结构应力，因此为确保施工安全，需施加超前支护措施。

（2）超前小导管和大管棚的支护方式能够对围岩变形起到很好的控制作用，且对于隧道拱顶有更为明显的控制作用，能够有效降低隧道沉降值，对隧道初期支护受力进行有效的改善，确保了结构的稳定性。

（3）采用CRD 法进行岩溶区隧道的施工时，随着不断增加的循环进尺围岩的变形也在不断增加，基于安全的角度进行考虑，建议选择以1.0m 作为循环进尺。