隧道大型溶洞安全稳定性分析及综合处理技术研究
摘 要：本文结合吕临铁路车赶隧道，使用有限元ANSYS分析软件及DP标准，实现了隧道的二维数值模拟分析，进而分析了隧道顶部溶洞的位置、规模对隧道应力及安全性的影响，并且对此类型溶洞中的综合处理措施及技术进行了研究。通过实践结果可以看出来，隧道顶部溶洞的距离和大小与隧道顶底板的应力具有一定的联系，如果隧道顶部溶洞的距离和大小改变，那么顶底板的应力也会改变，并影响到溶洞顶板稳定性和施工安全，本文经过溶洞安全稳定性分析评价和施工技术合理选择，制定的综合处理技术是可行的。
关键词：隧道大型溶洞；安全稳定性；综合处理
岩溶地质在我国的分布较为广泛，不少隧道都会穿越岩溶不良地质区域，在形成岩溶地质条件的过程中，还会出现冲蚀、侵蚀、坍塌及崩塌等一系列危险的地质现象，从而导致隧道在施工过程中出现涌水、岩溶突泥和地表坍塌等一系列的灾害。那么，分析溶洞位置和大小对隧道安全性及稳定性的影响，通过合适的综合处理技术解决问题，能够提高隧道施工过程中的安全性，并且指导隧道岩溶地段的设计和施工具有重要的现实意义。
1工程概况
车赶隧道位于山西省吕梁市方山县大武镇与临县湍水头镇之间，隧道最大埋深293m，除出口段落因设置湍水头车站设计1244m双线隧道外，其余段落设计为单线。隧道进口里程为DK14+626，出口里程为DK26+444，全长11818m。隧道区位于山西台地吕梁复背斜的次级构造王家会～王老婆山背斜东翼，近南北向构造较发育，隧址区岩溶发育。具体表现为波及全调查区的由褶皱和断裂组成的NNE向构造带。
2计算模型和模拟方案
2.1几何模型和位移边界条件
在施工过程中进行DK16+642段上台阶爆破开挖之后，上台阶拱腰左侧揭示出大型溶洞，溶洞口长3.5m，宽1.5m，经此洞进去，实测前方溶洞纵向发育长度为90m，横向发育宽度为40m，溶洞顶和底板之间的距离为3～13m，溶洞顶板为石灰岩，岩体完整，顶板可见多处沿节理裂隙方向发育的落水洞，其中分布危石，洞内总体无水，局部有少量渗水。因为在隧道开挖没有进行永久衬砌时候的稳定性就会较低，那么，结合模型的使用并没有充分考虑隧道的永久衬砌。隧道的支护参数详见表1：
2.2材料的模型和参数
通过混凝土的实体单位对底板和岩石进行模拟，通过混凝土喷层对钢纤维进行模拟，通过等效材料对锚杆进行模拟。在对开挖隧道溶洞进行模拟之前，要全面对溶洞进行研究，主要包括溶洞揭示的大小、形态等，之后根据相关力学参数，现场工程的地质和围岩力学参数，通过相关软件实现力学参数朝着围岩力学参数的转变，【3】详见表2：
2.3模拟的措施
简单来说，模拟就是分析隧道顶板溶洞对围岩的稳定性影响，主要包括溶洞的大小和位置，溶洞的位置处于创建模型的中间【4】。
溶洞的位置变化：选取溶洞大小为5*1*4m2，距离拱顶的距离分别为1m、1m、5m，创建的模型分别为M1、M2、M3；
溶洞的大小变化：固定溶洞的位置在隧道拱顶，溶洞和底板之间的距离为3～13m，溶洞的大小分别为3*1*4、3*1.2*3.5、1.5*1*6m2，创建模型分别为M4、M5、M6【5】。圖2为岩溶隧道的敏感性有限元分析剖面位置图。
3数值的计算和分析
3.1主应力和模拟开挖的关系
模型在溶洞位置发生变化的时候，隧道主应力值也会产生相应的变化。简而言之，在隧道开挖到剖面的位置时，顶板的最小及最大应力都非常大，在开挖的时候，如果开挖的范围超过剖面，那么顶板就会产生一定的应力，最小应力和最大应力都会降低，这个时候隧道的稳定性是最高的。在开挖不断进行的过程中，剖面的主应力并没有太大的变化，这就是为什么要通过混凝土在开挖之后对其支护。那么，在隧道开挖的过程中就要及时支护，从而能够有效提高隧道围岩自身的承载力，避免由于开挖造成顶板稳定失衡。在溶洞的大小出现变化的时候，顶板主应力和溶洞的位置也会发生变化，并且变化的情况大致相同【6】。
3.2主应力和岩溶位置及大小的关系
3.2.1溶洞大小相同时候溶洞距离顶板的距离影响顶板主应力值的情况。首先，在隧道开挖并没有达到溶洞两侧位置的时候，那么就不会影响到顶板的稳定性。如果溶洞和顶板之间的距离逐渐缩短，这个时候顶板就具有较大的拉应力值，那么隧道顶板的稳定性也是最差的，在顶板最小主应力值不断降低的过程中，压应力值在不断的提高。在隧道开挖的时候，顶板最大主应力会由之前不同的初期値越来越相同，最小主应力仍然和开挖时候的值具有较大的差距【7】。
3.2.2溶洞正下部中间计算步数相同的时候，溶洞和顶板之间的距离越短，那么隧道顶板压应力值就越小，隧道顶板稳定性也会越大。相反，压应力值就会越大，隧道顶板稳定性就会越小【8】。
4溶洞稳定性分析评价及施工建议
4.1基于溶洞开挖揭示现状及上述数值计算和结论分析，目前溶洞顶板基本处于稳定状态。
4.2从施工安全角度出发，首先需对隧道施工影响范围内的岩溶洞壁、顶板及时进行主动支护是必要的，特别是顶板节理裂隙发育区，以避免开挖造成顶板稳定失衡。
4.3对于岩溶大厅采用混凝土支顶墙减跨，相对缩小溶洞空间并优化顶板与隧道空间结构关系，利于保证溶洞顶板稳定和施工安全。
5溶洞综合处理技术
通过前述隧道开挖与溶洞稳定性关系研究，根据揭示溶洞的形态、规模及工程地质、水文地质条件，综合考虑隧道施工安全及进度，该大型溶洞采用明挖法施工+溶洞壁主动支护+溶洞大厅混凝土支顶墙减跨+明洞衬砌结构并加强顶部回填处理+强化溶洞前方暗洞支护结构及措施的综合处理技术。
（a）
（b）
溶洞实物图
（c）溶洞平面位置图
5.1综合处理技术
5.1.1溶洞大厅处理
①危石清除及洞壁主动支护
溶洞顶板岩层呈水平层，并可见多处落水洞，洞壁发育石钟乳、石笋、石柱和大面积方解石结晶体，在施工扰动下容易造成危石和节理裂隙发育部位失稳甚至局部塌方，为确保主体工程施工及运营安全，同时尽量减小处理过程对顶板的扰动，从已施工隧道侧采用机械逐段清除溶洞顶部及边墙危石后，在加强监控量测的基础上，对在隧道开挖影响范围内溶洞顶板及侧壁局部地段采用喷锚网防护，具体措施采用：Φ22砂浆锚杆，长6m，梅花形布置，间距1.2m×1.2m，15cm厚C25网喷混凝土，单层Φ8钢筋网，网格间距25cm×25cm。
②混凝土支顶墙减跨
为减小溶洞相对跨度及保证施工安全，隧道开挖之前综合考虑顶板节理裂隙发育情况、落水洞发育情况及周边危石体情况，在衬砌结构两侧设置混凝土支顶墙。经过现场详细勘查及结构分析，溶洞大厅中在隧道衬砌结构（右侧DK16+652～+692.5段（40.5m）、左侧DK16+640～+659段（19m）及左侧DK16+670～+685段（15m））外侧2.0m～6.35m清理溶洞表面孤石、浮土及危石后，设置C25混凝土支顶墙（顶宽为2.0m，底宽为3.0m），具体高度及位置按照实测断面施工，顶部应嵌入石灰岩结构【9】。
5.1.2明洞衬砌结构和顶部处理
溶洞段隧道结构采用明洞结构，明洞结构类型和尺寸根据围岩的级别、地形、地质条件及结构，按照《隧规》的要求通过破损阶段法进行钢筋混凝土结构的裂缝计算及强度的校核，结合实际工程进行确定。明洞的主体使用C35钢筋混凝土，拱墙和仰拱厚度为60cm，洞顶的回填厚度>2m，设置隔水层，其与溶洞顶板之间的空隙使用C20混凝土填充。为了防止明洞背后积水、漏水，在衬砌的背后铺设防水卷材，在明洞衬砌背后设置排水盲沟，在边墙衬砌背后设置排水盲沟，墙低设置泄水管，通过泄水管引入洞内侧沟。明洞衬砌使用外贴式防水层，明洞顶回填土表面设置隔水层，使用粘土隔水层【10】。
5.1.3溶洞影响段暗洞支护结构及措施
受大型溶洞发育影响，隧道前方围岩呈现为断裂破碎带结构，为了确保后续施工安全，加强溶洞影响段前方20m范围暗洞衬砌结构和支护措施。具体采用ф108大管棚超前支护（大管棚长度25m、环向间距40cm）+ф42小导管局部加强+I20b工字钢架、锚网喷联合支护+衬砌结构降级加强。
6 结束语
大型溶洞是隧道工程施工的拦路虎，且岩溶形态各异、情况多变，岩溶发育的不规律性及复杂性对隧道工程的影响又难以一概而论，如何系统分析溶洞规模、形态及与隧道空间结构关系并进行稳定性分析评价对制定岩溶整治方案和施工及运营安全具有重大的现实意义，因此，需把对岩溶特征的深入研究分析和针对性施工处理技术紧密结合，才能安全有效地处理好具体的岩溶形态，确保隧道工程安全顺利实施。
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