句容抽蓄地下厂房隐伏溶洞处理范围与措施研究

徐剑飞 梁睿斌 陈洪春

(江苏句容抽水蓄能有限公司，江苏 镇江 212400)

岩溶隧道不仅有一般隧道存在的风险，而且还有特殊的地质灾害风险[1-3]。从两个方面来分析：第一，裂隙水的存在大大降低了隧道围岩的物理强度,使其在相同压力强度下更容易破坏；第二，隧道受周边溶洞的影响，各个部位的受力发生了极大变化,致使隧道在某些部位极易发生破坏。当隧道存在溶洞时，隧道受力不再对称，支护结构也不再均匀受压,局部存在高压状态，所以在这种情况下,隧道围岩稳定性难以保证,建成的隧道寿命也将减小。隧道在开挖爆破震动、机械影响下将产生变形。如果这种影响未及时处理，隧道稳定性将降低，当位移超过极限位移时，这种变化将随时带来灾害，如隧道塌方、突水突泥等，从而威胁施工人员的生命安全，影响施工进度[4]。目前，国内外许多学者大都结合工程实际,采用数值计算手段对岩溶隧道稳定性进行专门研究[5-15]，但对中小隐伏溶洞的处理范围与处理原则，尚未有较明确的技术方案和结论。

本文采用Flac3D软件，从数值模拟的角度出发，研究了不同大小和距离的溶洞对句容地下厂房围岩稳定性的影响，并研究已揭露溶洞的回填处理时机，预测了后续开挖过程中溶洞重点探查范围，提出了切实可行的工程建议，为地质条件类似地下洞室工程提供参考。

1 已探明溶洞概况

句容地下厂房工程区域岩溶、溶蚀裂隙等岩溶现象较发育，岩溶腔(溶洞)往往沿着长大断层或者长大裂隙分布，图1为地下厂房在厂右0+94.5断面开挖揭露的溶洞，溶洞内充填红色黏土或棕黄色泥质物，溶蚀泥化物存留在岩容腔内，附近岩体往往伴生不同尺度的断层及节理裂隙，使得隐伏溶洞及溶蚀裂隙带四周岩体的强度总体较低，当发育距离地下厂房结构距离较近时，影响洞室围岩的稳定。由于工程现场岩脉及节理裂隙等结构面交错复杂，部分结构面存在走向不同于洞段的变化特征，因此在开展溶洞影响分析时，可以结合具体问题分析需要，综合考虑岩溶腔及伴生的岩脉及节理裂隙这些特性。图2为地下厂房区溶洞及部分结构面三维空间示意图，根据超声物探结果以及现场锚杆钻孔结果，在厂右0+94.5断面和厂右0+120断面厂房上游侧第一层开挖底板高程附近发现了两个直径在3～5m之间的中小型溶洞，形状为长椭圆形，长轴方向均与厂房轴线方向近似平行，距离厂房拱肩2～4m，溶洞底部高程尚未探明。

图1 地下厂房开挖揭露的溶洞照片

图2 地下厂房区溶洞及部分结构面三维空间示意图

另外根据现场地质素描资料，整理了溶洞揭露的厂房洞段范围内的小型节理裂隙，根据溶蚀岩脉fx4以及结构面f37走向，推测了厂房上游侧边墙的半确定性块体以及可能存在隐伏溶洞的范围，见图3。在厂房后续层的开挖过程中，通过锚杆钻孔可以探测是否存在溶洞以及溶洞范围，及时制定处理方案，避免对厂房围岩稳定性产生较大影响。

图3 地下厂房区溶洞洞段半确定性块体以及溶洞可能存在范围

2 溶洞处理范围研究

针对潜在溶洞对地下洞室围岩稳定的影响进行初步分析，建立二维数值计算概化模型，按Ⅲ类围岩低值计算(f=0.9,C=0.8MPa)，并且不考虑系统支护加固效果和潜在溶洞与结构的空间关系。主要考虑了三种溶洞尺寸：1.5m、3m以及5m，分析溶洞尺寸与溶洞距厂房的距离对厂房围岩的影响。

厂房围岩完整，不存在潜伏溶洞影响时的塑性区分布见图4。顶拱塑性区深度约4m，边墙塑性区深度约11m，拱肩塑性区深度约3.5m。

图4 完整厂房洞室开挖塑性区分布

不同位置3m洞径的厂房开挖塑性区分布见图5。顶拱3m处存在1.5m洞径的隐伏溶洞时，塑性区深度由4m增加到5.3m，溶洞周围岩体塑性程度加深，塑性区集中分布在溶洞周围岩体，对厂房围岩稳定性有不利影响；拱肩6m处存在1.5m洞径的隐伏溶洞时，溶洞周围岩体的塑性区与厂方围岩的塑性区连通；边墙腰部9m处存在1.5m洞径的隐伏溶洞时，溶洞尚在厂房围岩塑性区内，溶洞周围岩体塑性程度加深，可能影响厂房边墙腰部的围岩强度。

图5 不同位置1.5m洞径溶洞的厂房开挖塑性区分布

不同位置3m洞径的厂房开挖塑性区分布见图6。顶拱6m处隐伏溶洞周围岩体的塑性区连通了厂房顶拱围岩塑性区，而9m处溶洞对厂房围岩的塑性区无影响；拱肩9m处溶洞周围岩体的塑性区以两条贯通路径的模式与厂方围岩的塑性区连通，而12m处溶洞左侧与下侧的贯通路径不再连通；边墙腰部15m处溶洞周围岩体的塑性区与厂方围岩的塑性区以一条贯通路径的模式连通，20m处溶洞右侧塑性区贯通路径消失。

不同位置5m洞径的厂房开挖塑性区分布见图7。相较于图6，顶拱12m处的塑性区虽尚未连通但有一定的连通趋势；拱肩处9m处塑性区的贯通路径更宽，12m处溶洞右侧和下侧均出现了贯通路径的趋势；边墙腰部20m处溶洞的塑性区也出现了贯通路径。

图6 不同位置3m洞径溶洞的厂房开挖塑性区分布

图7 不同位置5m洞径溶洞的厂房开挖塑性区分布

根据上述分析，提出溶洞建议处理原则，见图8。顶拱和拱肩的排查范围锚杆钻孔可覆盖，边墙的排查范围可结合锚索钻孔和探地雷达成果推测。确定溶洞位置后，结合断层、岩脉及裂隙产状等，分析溶洞成因，制定针对性的处理方案。对于小于1.5m洞径的溶洞，除开挖揭露外建议不处理；对于1.5m≤D≤3m的溶洞，分别在顶拱、拱肩、边墙距离3m、6m、9m范围内进行处理；对于3m≤D≤5m的溶洞，分别在顶拱、拱肩、边墙距离6m、9m、15m范围内进行处理；对于5m≤D的溶洞，分别在顶拱、拱肩、边墙距离8m、12m、20m范围内进行处理。

图8 地下厂房溶洞处理建议覆盖范围概化图

3 处理措施

句容厂房已探明隐伏溶洞均充填密实黏土，仅依靠钻孔水枪无法冲洗，须人工进行开挖后冲洗，因此，建议采取以下处理方案(见图9)：

图9 地下厂房溶洞处理措施方案示意图

a.以最大可能减少对厂房施工影响为原则，从排水廊道或者厂房向隐伏溶洞开挖导洞。

b.挖机或人工清理完溶洞内充实黏土，用水枪将岩面清洗干净。

c.C25混凝土回填，顶部回填灌浆。

d.在溶洞范围内按3～5m间距增加无黏结锚索支护。

e.结合溶洞附近地质特征，采取数值计算等手段复核厂房围岩稳定性。

4 结 论

句容地下厂房围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主，地质条件复杂，为了保证围岩稳定性，应对隐伏溶洞进行合理的探查并针对性地制定处理方案。本文根据已发现隐伏溶洞及溶洞附近岩脉及断层产状，推测厂房上游侧边墙第一层地板高程以下溶洞可能存在范围，另外通过二维概化数值模型计算，给出了厂房整体溶洞处理的建议范围，顶拱和拱肩溶洞的处理范围锚杆钻孔可覆盖，边墙处理范围内的溶洞可结合锚索钻孔和探地雷达成果推测确定，提出隐伏溶洞处理措施，供类似工程参考。