公路隧道浅埋充填岩溶段开挖变形与控制技术研究

黄诗洪，卢超波，姜洪亮，张 伟

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；3.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西 南宁 530007；4.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

0 引言

对特殊地质、岩溶或特殊环节隧道开挖围岩变形，大量学者进行了细致系统的研究[1-10]。由于岩溶区隧道受岩溶发育程度、岩溶位置、岩溶大小、施工开挖等影响，围岩变形特征存在较大区别。本文结合数值方法，对贵州省德江至习水高速公路正安至习水段羊角垴隧道进口左幅浅埋充填岩溶隧道施工开挖监测数据的变形机制进行研究分析，提出控制技术措施，取得了良好的技术经济效果，为其他类似隧道工程设计与施工提供参考。

1 工程背景

贵州省德江至习水高速公路正安至习水段是贵州省规划的“6横7纵8联4环线”高速公路网6横中第1横(德江至习水)的重要组成部分，为东西向运输重要通道。其中的羊角垴隧道进口位于遵义市习水县仙源镇骑龙村，出口位于遵义市习水县温水镇群英村。隧道按左、右线分离式设计。左线隧道里程桩号为ZK116+770～ZK117+837，长1 067 m；右线隧道里程桩号为K116+712～K117+823.9，长1 111.9 m。设计左洞进洞浅埋段上覆少量第四系残坡积粉质黏土，下伏基岩为Pm灰岩，隧道围岩主要为强-中风化灰岩，节理裂隙发育，完整性差，埋深较浅，为2～30 m，围岩稳定性较差。左线实际进洞里程为ZK116+775，设计采用超前支护为长管棚28 m+超前小导管；衬砌为马蹄形断面(见图1)，S-Va级衬砌，开挖断面净宽为12.86 m，断面面积为107.6 m2。隧道开挖至ZK116+804处，揭露黏土充填型溶洞，该溶洞充填物为潮湿的黄色黏土，拱顶出现持续性掉块、垮塌并形成突发性冒顶，塌坑形成边坡外延，发生地表错台开裂，冒顶区域地表开裂。冒顶塌腔上口直径为8.3 m，下口直径约5 m，深8 m。

图1 隧道进洞浅埋段纵断面图(m)

2 开挖变形机制分析

根据现场开挖施工情况，在揭示溶洞前，围岩岩性主要为弱风化-中风化灰岩，节理裂隙发育，完整性一般，超前支护为长管棚28 m+超前小导管，衬砌为S-Va级衬砌，隧道开挖后掌子面稳定性较好。在里程ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795断面分别布置地表沉降、洞内初期支护变形监测点，如图2所示。其中，ZK116+775的地表沉降、洞内初期支护变形监测曲线如图3～5所示。

图2 监测断面测点布置示意图

图3 ZK116+775断面累计地表沉降变化曲线图

图4 ZK116+775断面洞内累计拱顶沉降变化曲线图

图5 ZK116+775断面洞内收敛变化曲线图

从图3～5的监测结果看，各断面稳定累计变形值均较小。如表1、表2所示，ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795最大地表沉降稳定值分别为8.7 mm、3.2 mm、6.2 mm。洞内ZK116+775、ZK116+785、ZK116+795监控断面拱顶沉降稳定最大值分别为16.8 mm、8.7 mm、9.5 mm，收敛稳定最大值分别为15.1 mm、6.7 mm、7.8 mm。

表1 各断面地表变形稳定累计沉降数据表

表2 各断面洞内拱顶沉降和收敛稳定累计变形数据表

揭示岩溶充填物后，前期雨水下渗软化岩溶充填物，掌子面开挖揭露岩溶充填物导致边界约束条件发生变化，软化后充填物向隧道开挖引起的临空面塌落，临空面因作业安全无法及时进行有效封闭，塌腔不断外延扩大，拱顶岩溶充填物不断塌落继而引发岩溶充填物塌落直至地表。从冒顶区域外露的地质条件情况踏勘，冒顶塌落物主要为覆盖层与下伏岩溶充填物，岩溶充填物正常情况下存在较高的自稳定性。

3 数值试验

3.1 数值试验模型

图6 数值分析模型云图

为进一步探索该段岩溶充填物开挖变形机制，建立如图6所示的岩溶充填物隧道围岩数值模型，模型采用以走向中心对称的半隧道围岩模型，长、宽、高分别为80 m、30 m、40～51 m(对应地表埋深4～15 m)，模型网格单元与节点数分别为175 500、181 944，模型采用的物理参数如表3所示。在数值试验中，隧道围岩采用M-C本构模型，初次支护采用实体单元，本构模型为弹性，围岩的初始地应力场为自重场，计算平衡后进行隧道开挖。

表3 模型围岩参数表

由于前期在进行冒顶处治过程中将洞内超前支护，超前小导管长度由原设计的4 m调整为6 cm，环向间距由0.4 m调整为0.15 m，布设范围与原设计相同，纵向间距由原设计的1.2 m调整为1.0 m，并在超前小导管内部穿φ18 mm螺纹钢筋后注水泥浆。根据采取的超前加固措施，将上台阶临近洞内初期支护掌子面前方6 m、围岩300 mm厚设置为超前支护参数。见下页图7。

图7 参数转化示意图

3.2 数值试验结果

图8 无超前支护进洞上台阶开挖进尺29 m变形云图

图9 超前支护上台阶开挖进尺29 m变形云图

如图8所示为隧道采用上下台阶方法进行开挖，上台阶开挖进尺29 m即对应实际隧道掌子面开挖揭露溶洞充填物变形云图。如图9所示为采取超期支护措施后，以上台阶开挖进尺29 m即对应上台阶支护至ZK116+804，超前支护至ZK116+810，初期支护(ZK116+775～ZK116+804)仅开挖上台阶，初期支护未闭合成环前变形云图。对比分析可以得出：采取前期冒顶处治超前支护措施后，岩溶充填物开挖得到了较大的约束控制，变形主要由冒顶垮塌向掌子面垮塌滑移转变。

图10 超前支护、初期支护闭合成环进洞上台阶开挖进尺 29 m变形云图

如图10所示为采取超期支护措施后，初期支护(ZK116+775～ZK116+895)闭合成环，开挖上台阶进尺29 m，即对上台阶支护至ZK116+804变形云图。由图10可知，初期支护闭合成环，对控制开挖卸荷回弹底鼓起到一定程度抑制，开挖的底鼓累计变形从15～20 mm下降至10～15 mm。

图11 超前支护、初期支护闭合成环进洞上台阶开挖进尺 29.5 m变形云图

如图11所示为采取超期支护措施后，初期支护(ZK116+775～ZK116+895)闭合成环，开挖上台阶进尺29.5 m即对上台阶支护至ZK116+804.5变形云图。由图11可以分析得出，采取循环小步距开挖50 cm，掌子面开挖卸荷变形在40～60 mm，可确保现场开挖安全。

4 变形控制方案及效果

4.1 变形控制方案

为安全穿越隧道浅埋段充填岩溶段，控制开挖支护变形，主要采取循环施作超前支护、开挖方法与及时初期封闭成环进行控制。

开挖方法采用环形开挖预留核心土法，每循环进尺为1榀钢拱架间距，即≤50 cm，支护紧跟开挖面。

每循环初期支护完成后立即进行后续仰拱开挖及填充施工，减缩全断面初步支护封闭成环时间，对洞身范围内岩质部分围岩采用局部松动爆破开挖。

开挖初期支护完成后布置监控断面，进行初期支护变形监测。变形监测以拱顶沉降监测为主，收敛变形为辅。

4.2 控制效果

隧道掌子面在推进支护后分别于ZK116+805、ZK116+810、ZK116+820处监测断面，其掌子面在ZK116+810穿过岩溶充填物区域，进入中风化灰岩。ZK116+805处断面布设三个拱顶沉降点及1条收敛测线，ZK116+810、ZK116+820处断面布设三个拱顶沉降点。

ZK116+805处监测数据累计拱顶沉降值、收敛值变化如图12、图13所示，变化速率如图14、图15所示。监测数据显示：结构在未封闭成环前(监测第10 d前)，初期支护结构变形速率较大，拱顶沉降速率在5～25 mm/d，收敛速率在3～7 mm/d；初期支护封闭成环后，初期支护结构变形速率显著下降，拱顶沉降速率在2～14 mm/d，收敛速率在1.5 mm/d以下，并逐步收敛稳定。初期支护总体稳定，结构变形主要以垂直变形为主，收敛变形次之。

ZK116+810、ZK116+820处累计拱顶沉降值如图16、图17所示。监测数据显示，穿越隧道岩溶充填物后，累计沉降值从101～176 mm下降至77～96 mm，进入弱风化-中风化灰岩段后，累计沉降值下降至31～38 mm。

图12 ZK116+805处断面洞内累计拱顶沉降变化曲线图

图13 ZK116+805处断面洞内收敛变化曲线图

图14 ZK116+805处断面洞内拱顶沉降变化速率曲线图

图15 ZK116+805处断面洞内收敛变化速率曲线图

图16 ZK116+810处断面洞内累计拱顶沉降变化曲线图

图17 ZK116+820处断面洞内累计拱顶沉降变化曲线图

5 结语

本文针对高速公路隧道穿过岩溶充填物开挖变形机制进行研究，提出了科学经济的处治方案，取得了良好效果，结论如下：

(1)该隧道浅埋段岩溶充填物开挖地质风险为隧道拱顶坍塌与掌子面坍塌，进行超前支护后，开挖地质风险为掌子面坍塌。

(2)岩溶充填物段隧道初期支护结构变形以沉降变形为主，收敛变形次之。穿越隧道岩溶充填物后，初期支护结构累计沉降值从101～176 mm下降至77～96 mm，进入弱风化-中风化灰岩段后，累计沉降值下降至31～38 mm。

(3)岩溶充填物段隧道开挖初期支护未封闭成环前拱顶沉降速率为5～25 mm/d，收敛速率为3～7 mm/d；初期支护封闭成环后，初期支护结构变形速率显著下降，拱顶沉降速率为2～14 mm/d，收敛速率在1.5 mm/d以下，并逐步收敛稳定。

(4)在隧道内对具有自稳定性岩溶充填物，采用超前小导管内插钢筋注浆作为超前支护，循环小步距开挖，及时支护，后续跟进仰拱闭合成环，取得了良好的技术经济效果。