《隧道复杂岩溶形态的分类与处治技术》

《隧道复杂岩溶形态的分类与处治技术》发布时间：2021-08-04T15:19:23.697Z 来源：《建筑实践》2021年第9期作者：刘春雨1，韩兆军2，于洋2-1，李忠阳3，李贺群4 ，宋战平
[导读] 为了应对在喀斯特地区修建铁路隧道所面临的复杂岩溶形态的处治困难问题刘春雨1，韩兆军2，于洋2-1，李忠阳3，李贺群4 ，宋战平5 （1.中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司哈尔滨 150000；2.西安建筑科技大学土木工程学院西安 710055）摘要：为了应对在喀斯特地区修建铁路隧道所面临的复杂岩溶形态的处治困难问题，通过调研岩溶隧道结构分析方法的发展现状，综述了当前岩溶隧道的主要处治技术方法。

以商合杭高铁工程太湖山隧道为工程实例，通过统计施工和勘察中遇到的各种形态的溶洞几何参数，以隧道与溶洞的相对位置关系对复杂形态溶洞进行分类，并对其中典型的三种类型溶洞，从围岩塑性区的分布和经济指标两个方面来说明岩溶处治方案的选择应遵循安全、经济的原则。

最后，针对当前岩溶隧道的建设趋势，总结了岩溶处治是一项复杂的技术，应因地制宜，综合处治；注浆加固技术是仍是目前处治岩溶最为有效的措施，应当作为首要的考虑方法。

关键词：岩溶；处治技术；综述；围岩塑性区；经济指标；注浆加固中图分类号：U451 文献标识码：A
0 引言
岩溶是地球上十分常见的地质现象，从高山到地壳几千米深的岩石均有发育。

我国地域辽阔，东西地形、地貌差别大，区域地质情况非常复杂，岩溶地质是其中典型的复杂地质情况之一。

我国是世界上岩溶地质分布最广的国家之一，在全国万国土面积960万平方公里上，可溶岩层分布面积近350万平方公里，占国土面积的1/3。

岩溶地质分布遍及我国各省、市和自治区，尤其以我国西南的云、贵、桂地区为甚，另外山西、广东、台湾、湖南、浙江、鄂西、四川、陕南以及华北地区亦有大量分布[1]。

岩溶对隧道结构的稳定性主要体现在若溶发育导致的围岩应力场、位移场的非常规变化。

目前岩溶隧道的稳定分析方法主要有三种。

第一种为数值解析法，该方法对围岩应力、位移的分析主要利用弹塑性力学、断性力学等，采用复变函数计算围岩应力与变形，从而得出弹性解析解。

该方法适用于规则圆形断面，能得出较精确的解，而且参数也容易获得。

而非圆形情况则需要进行适当转换，把复杂形状的边界变换为简单形状的边界来进行求解[2-7]。

但解析法分析围岩应力和变形一般局限于深埋地下工程，对于一些受地表边界和地面荷载影响较大的浅埋随道围岩分析在数学方法上尚存在一定的困难。

当岩体应力、应变超过峰值应力、极限应变，围岩进入全应力应变曲线的峰后段，即达到刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适宜。

另外，在实际工程中经常遇到的多孔、非均质及各向异性等问题，目前解析方法几乎是无法解决的。

第二种方法为物理模型试验法，该方法基于相似理论，选择相似的材料、尺寸和相同的边界条件建造比例模型，通过布置应力、应变传感器来监测不同形态和位置的溶洞对隧道结构位移和应力的影响[6-9]。

但物理模型试验中的关键问题在于如何选择相似比例、相似材料和边界条件。

如何调试模型参数，通过比例模型真实的反应出工程现场复杂系统各组成部分的工作情况是物理模型试验急需要解决的问题。

第三种方法为数值模拟法，随着计算机技术的迅速发展，该方法在隧道围岩稳定性分析中的应用越来越广泛，数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、离散单元法等。

不同的数值模拟手段有着不同的求解优势，可用以求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题[8-11]。

数值模拟方法考虑了一定的地下结构和岩体非均质和不连续性，对具有该特征的介质有良好的适应性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制[12-15]。

但在岩溶地区数值模拟的有效性取决于地质、围岩物性性质、溶洞填充物、溶洞边界等参数的准确性。

在岩溶灾害的处治技术方面，目前已总结出针对不同类型岩溶的常规处理方法，这些方法在现场隧道设计施工中发挥了一定作用[16-22]。

但是存在着岩溶分类模糊，没有形成统一的分类指标，处治对策针对性不强、设计保守、成本高昂，需要多种方法反复尝试等问题，目前岩溶的处治技术方面尚没有形成一套系统的原则和规则性的指导方法，多数岩溶隧道的施工陷于被动处理岩溶灾害中。

本文以安六铁路施工中遇到的典型的三座岩溶隧道为例，通过统计复杂岩溶的形态特征，运用数值模拟和原位试验方法总结不同类型的岩溶处治方法，为岩溶区隧道的设计施工提供参考。

1 工程概况1.1 太湖山隧道
新建铁路商丘至合肥至杭州铁路太湖山隧道位于安徽省巢湖市含山县境内，进口位于林头镇关口水库一侧，穿越太湖山，出口位于含山县东关镇，起点里程DK468+662，终点里程DK472+280，全长3618m。

隧道最大埋深258m。

隧道进出口附近均有公路通过，交通较便利，016县道盘绕太湖山穿过。

隧道内设人字坡，隧道进口～DK469+820设置1.372%的上坡，DK469+820～DK472+060设置0.34%的下坡，DK472+060～+280设置1.4%的下坡。

隧道进口～DK470+780.01位于左偏曲线上，DK472+231.392～隧道出口位于右偏曲线上。

隧道进口、出口均采用帽檐斜切式洞门。

1.1.1 工程地质
隧道进口～DK468+675、DK468+960～DK469+143为二迭系栖霞组（Pa）灰岩，局部夹碳质灰岩，碳质页岩，深灰色，强~弱风化。

其中，弱风化灰岩岩石较硬，节理裂隙发育，溶蚀现象严重，岩层产状345°∠60°，工程性质较差。

隧道DK468+675～DK468+950、DK470+580~DK471+100泥盆系上统五通组细砂岩，夹粉砂岩，粉砂质泥岩：灰褐色，浅灰色，砂质结构，中厚~厚层构造，岩质较软。

隧道DK471+580～隧道出口段为砾岩、含砾砂岩，局部为泥质砂岩，褐红色，全风化～弱风化，全风化岩芯呈砂土状，强风化岩芯呈碎块状，夹少量短柱状，弱风化岩芯主要呈柱状，短柱状，其中全～强风化厚8-25m，下为弱风化。

隧道DK470+360～DK470+580为志留系上统茅山组（Sm）石英砂岩、岩屑杂砂岩、泥质粉砂岩：灰至紫红色，砂质结构，中厚层构造，地层产状，岩质较硬，属硬质岩，工程性质较好。

出露于隧道DK469+150～DK470+360为志留系中统坟头组（Sf）泥质粉细砂岩，粉砂质泥岩：灰黄~灰绿色，砂质结构，薄~中厚层构造，受太湖山高角度倒转背斜影响，节理裂隙发育，岩体破碎，工程性质较差，出露于一带。

1.1.2 水文地质
隧道区地表水以北北东向山脊为分水岭，向南东、北西两侧排泄。

区内冲沟水系不甚发育。

隧道进口左侧约100m为一小型水库，坝顶标高约62.5m，高于设计轨顶标高8.0m。

隧道区地下水类型有孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水、岩溶水，受大气降水补给，向低洼处排泄。

由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水径流途径较短，受大气降雨影响较大。

孔隙水主要分布于坡残积土及岩石的全～强风化岩中，较发育；基岩裂隙水分布于弱风化岩裂隙中，弱～中等发育，地下水量较贫乏。

灰岩区局部存在岩溶水，较发育。

构造裂隙水：隧址区的断层在地貌上顺冲沟分布。

岩体破碎，节理裂隙发育，导水性较好，地下水较丰富。

地下水的补给、径流和排泄条件受地形、地貌岩性和地质构造控制。

地下水的径流方向基本与地表水－致，斜坡洼地地带为地下水的补给、径流区，河谷地带为其排泄区。

地下水的水位由深变浅，富水性由弱变强。

区域内未见泉涌。

地下水的补给来源主要为大气降水，其补给量的多少受降水强度、降水持续时间、地形及地表节理裂隙的发育程度控制。

2 岩溶特征统计
由于溶洞形态变化万千，给溶洞的处治带来较大的困难，应首先对溶洞进行分类，然后对其分类治理。

本文依据溶洞与隧道的相对位置和溶洞填充物的类型将上述三条隧道施工开挖出现的不同类型的溶洞分为6类，溶洞特征统计与分类如表1、表2-1、表2-2所示。

其中地宗隧道岩溶发育最广泛，岩溶特征分别为拱部K1、侧部K2、底部K3和K4，为空腔型溶洞。

隧道岩溶特征为K5，隧道与溶洞正交，整个隧道被岩溶充填物包裹，溶洞纵向最大延伸长度达57.5m，通过室内土工试验表明填充物为软塑状淤泥质粘土，并具有一定的膨胀性，属于中等压缩性土。

对门寨隧道岩溶特征为K6，其隧底揭示大型空腔型溶洞，溶洞大厅最大高度为22.9m，最大跨度为56.4m，属于较为罕见的溶洞。

3 岩溶处治
3.1 原设计方案
根据岩溶特征分类结果，施工方采取的不同类型的溶洞处治措施如表3-1、表3-2所示。

表中K1、K2为当隧道顶部或侧部出现小型空腔型溶洞时，对溶洞的处治首先应采取锚网喷支护防止掉块、掉石，然后再进行回填或修筑挡墙。

K3、K4为当隧道底部出现溶洞时，若溶洞体距离隧道底部距离小于3m时，采取混凝土换填措施，若溶洞体距离隧道底部较深或溶洞体较大时可采取桩筏结构来跨过溶洞。

K5为当隧道被溶洞填充物包裹时，为了保证隧道结构物具有足够的刚性，采取桩筏结构跨过。

K6为当隧道底部出现尺寸巨大的溶洞大厅时，为了保证工后运营安全，采取在溶洞边界两侧修筑挡墙，挡墙内进行分层回填，必要时修筑过水通道，以保证岩溶水正常流通。

3.2 建议优化部分
以K1、K5、K6三个典型的岩溶形态作为分析对象，运用有限元方法模拟比较不同的处治方案，通过围岩塑性区和经济指标选择最佳的处治方案。

K1溶洞原处治方案的围岩塑性区主要分布在两侧拱腰和拱肩以上1.5m范围内，根据塑性区的分布特点对原支护方案进行优化，将C20护拱回填厚度由3m降至2m，隧道结构稳定性仍能够满足要求。

从经济指标来看，减少1m高的回填厚度，节约经济成本。

K1溶洞不同处治方案如表4-1所示。

K5溶洞填充物为充填淤泥质软塑状粘土。

从围岩塑性区来看，当采用原处治方案（桩筏结构）时，由于偏压效应使得隧道水平刚度大幅削弱，结构水平、垂直方向刚度差异较大，不利于隧道的长期运营。

在隧道右侧溶洞与围岩接触部分产生狭长的滑移带，岩溶填充物向隧道左侧流动，造成隧道左侧边墙产生较大的应力集中，易造成衬砌的开裂。

当采用优化方案（全范围注浆）时，围岩塑性区对称分布在隧道两侧拱脚和仰拱处，并没有滑移带的产生。

从经济指标来看，采用桩筏结构相对于注浆加固成本较高，因此，建议选择全范围注浆加固措施。

K5溶洞不同处治方案如表4-2所示。

K6溶洞与隧道岩盘厚度最大为14.83m，最小为0m。

从围岩塑性区来看，当采用原处治方案（C25砼挡墙，弃渣和C20砼分层回填）时，塑性区主要分布在挡墙及回填层以上的隧道周边，而塑性区并未沿左下侧未回填的溶洞方向发展，说明溶洞形态的变化改变了围岩塑性区的分布方向。

当采用优化方案（不处治）时，围岩塑性区沿右下方向发展，塑性区边界与溶洞边界接近贯通，隧道结构处于临界稳定状态，此时隧道仰拱与溶洞边界的距离约为1.25倍隧道洞径，因此当K6溶洞与隧道的距离大于1.25倍洞径时可不采取处治。

从经济指标来
看，原设计方案费时、费工，挡墙修筑高度大，有一定的施工风险性。

K6溶洞不同处治方案如表4-3所示。

4 结语
（1）岩溶处治是一项复杂的技术，应因地制宜，综合处治。

处治方案一方面应考虑对周围环境及居民生产、生活的影响，另一方面，应一次根治，不留后患，确保隧道施工和运营安全。

（2）岩溶处治既要考虑安全，也要考虑经济成本。

不能墨守成规，传统老旧的工艺不一定是最安全的，技术上的创新往往会带来巨大的经济效益。

（3）对于岩溶处治不同方案的比选，应综合考虑多种因素的影响，将有限元与现场试验结合起来，有利于节约成本以选出最佳的施工方案。

（4）注浆加固技术是处治岩溶的首要选择，注浆范围和注浆液的选择是岩溶处治效果的关键因素。

参考文献(References)
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京：中国岩石力学与工程学会，2002:518-521.。