第３８卷第２期 湖南交通科技 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．２ ２０１２年６月 ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２０１２ 文章编号：１００８—８４４Ｘ（２０１２）０２－Ｏ１１１・０６ 隧道拱顶溶洞处治及溶洞对隧道围岩 稳定性影响分析 曹勇 （湖南路桥建设集团公司，湖南长沙４１０００４） 摘要：某高速公路隧道围岩以白云岩、粘土为主，岩溶发育，无充填物溶洞很多，主要分 布在隧道拱顶，这给隧道的施工带来了困难。探讨了隧道拱顶无充填物溶洞的处理，分析了拱 顶溶洞对隧道围岩稳定性的影响，对隧道的施工有一定的借鉴意义。 关键词：隧道；溶洞；拱顶；围岩 中图分类号：Ｕ ４５ 文献标识码：Ｂ １ 岩溶概述 ４ ｍ），且洞内无充填物，应先对洞穴四壁喷一层混 凝土（厚１０ ｃｍ左右），并在溶洞内施做锚杆，锚杆 岩溶是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用 深入围岩不小于１．０ ｍ，间距１．２ ｍ×１．２ ｍ。在溶 与特征的综合地质作用，以及由此产生的现象统称。 洞内预埋泵送混凝土管道，在初期支护完成之后，采 其表现形态主要有两个方面：①地表有石林、溶沟、 用水泥砂浆或Ｃ１０混凝土回填密实，见图２。 溶槽、洼地、漏斗；②地下有溶洞、落水洞、塌陷和暗 河等，见图ｌ。某高速公路大部分隧道处于华夏地 质构造体系，围岩以白云质灰岩、白云岩、粘土为主， 岩溶发育，其主要特征是溶洞、溶槽、溶沟、裂隙、岩 溶管道、岩溶水等均比较发育。在隧道施工过程中， 碰到许多岩溶地质灾害的问题，给隧道的施工带来 很大的困难。 图２无填充物小型溶洞的处治 ２．１．２有填充物小型溶洞 若在隧道拱顶发现小型充填型溶洞，应在溶洞 段采取超前小导管注浆支护，超前小导管（长度为 ６一暗河；７－钟乳石；８－石笋 ６ ｍ，），注浆压力为１．５ ＭＰａ，隧道初期支护要加强， 图ｌ岩溶现象图 钢拱架间距为０．５ ｍ／榀，见图３。 ２．１．３隐伏型岩溶洞穴 ２ 拱顶溶洞的处治 在隧道开挖过程中隐伏溶洞并没有暴露出来， 但它对隧道结构及后期运行安全的稳定带来很大的 ２．１拱顶小型溶洞的处治 隐患，常常会造成隧道衬砌开裂、地表塌陷等地质灾 ２．１．１无充填物小型溶洞 害。如果隐伏溶洞在隧道开挖轮廓线６ ｍ范围内， 如果在隧道拱顶发现小溶洞时（高度小于 那么就应对其进行注浆回填的措施。 收稿日期：２０１２—０５—０７ 作者简介：曹勇（１９７７一），男，工程师，从事路、桥、隧施工技术和管理工作。 １ｌ２ 湖南交通科技 ３８卷 图３有填充物小型溶洞的处治 采用普通水泥砂浆，注浆终压为１．０～１．５ ＭＰａ，水灰比为： ：Ｃ＝０．６：ｌ一０．８：ｌ。注浆管为 ４２ ｎｌｍ焊接钢管，长度以隐伏岩溶深度为准。见 图４。 图４隧道隐伏溶洞处治 ２．２拱顶大型溶洞的处治 ２．２．１无填充大型溶洞的处治 １）混凝土护拱法。 当拱顶出现大型无充填物溶洞，且溶腔壁比较 稳定时，可采用混凝土护拱法通过，护拱厚度１．５— ２．０ Ｉ＇ｌｌ，且要求护拱两侧嵌入岩石内不小于０．５ ｍ， 并用锚杆锁脚，锚杆深人围岩不小于１．５ ｍ，同时加 强初期支护，施工时注意预埋 １１ ｃｍ ＨＤＰＥ透水 管并以Ｑ型排水管引出，如图５所示。 ２）长管棚法。 当拱顶出现溶洞，溶腔围岩不稳定时，且溶洞高 度大于２０ ｍ时，可考虑用长管棚通过。 具体处治方法为：①检查地表，用彩布遮盖溶 洞所辖区域，并在溶洞周围施做截水沟，以防雨水进 入溶洞。②施做 １０８ ｃｍ长管棚，环向间距４０ ｃｍ， 管棚长１５～２０ ｍ。为防止溶洞壁掉块砸伤施工人 图５护拱法 员，建议在管棚上放沙袋。③初期支护的喷射混凝 土加厚，如图６。 图６长管棚法 ２．２．２有填充物大型溶洞的处治技术 大型填充型溶洞的处治，有地表注浆法、长管棚 法、小导管法等方法。地表注浆法是在地表埋设注 浆管并对溶洞进行注浆；长管棚法一般是在溶洞充 填物没有自稳能力的情况下使用，在隧道开挖之前 沿溶洞方向施做 １０８ ｍｍ钢花管并进行注浆；而 小导管法通常是在溶洞充填物有一定的自稳能力的 情况下使用，对充填物进行注浆加固。 １）地表预注浆法（隧道埋深较浅）。 如果隧道埋深较浅，可以通过地表注浆对地层 进行加固，用普通水泥单液浆，注浆配比为： ：Ｃ： ０．６：ｌ～０．８：１。进行地表注浆时要注意浆液扩散 范围，防止对隧道周边的井泉、农田造成污染。地表 ２期 曹勇：隧道拱顶溶洞处治及溶洞对隧道围岩稳定性影响分析 １ １３ 注浆的压力一般控制在１．５—２．０ ＭＰａ。为了防止 ３）超前小导管方案。 跑浆，在注浆范围内打一层厚度为１５ ｃｍ的Ｃ２０混 隧道拱部有大型充填型溶洞，且溶洞充填物有 凝土。注浆管外露１ ｍ，间距１．５ ｒｒｌ×１．５ ｍ布置， 一定的自稳能力时，采用超前小导管进行支护并注 长度应具体情况而定（注浆管至少要伸人溶洞内）。 浆。隧道开挖后，采用 ４２ ｃｍ小导管进行径向补 另外，溶洞段隧道初期支护应加强，钢拱架间距为 浆，径向注浆加固范围为开挖轮廓线外３～６ ｍ，施 ０．５ ｍ／每榀，如图７所示。 工中要预埋 １１ ｃｍ ＨＤＰＥ透水管，如图９所示。 图７地表注浆法处治溶洞 ２）超前大管棚预注浆法。 图９小导管法处治溶洞 如果大型溶洞内的充填物没有自稳能力，应采 ３ 拱顶溶洞对隧道围岩稳定性影响 取超前大管棚进行支护并注浆，注浆加固范围为开 研究 挖轮廓线外５—８ ｍ。大管棚直径为 １０８ ｍｍ，外 插角１。～３。，长度应具体情况而定（至少要超过溶 ３．１计算分析的内容 洞２ ｍ），环向间距０．３ ｍ。对管棚进行注浆，浆液 计算分析包含两个方面的内容： 为水泥单液浆，水灰比为：Ｗ：Ｃ＝０．６：１～０．８：１， １）溶洞大小的影响：溶洞简化为圆柱，溶洞直 注浆终压为３．０—４．０ ＭＰａ。为了减小对围岩的扰 径用Ｄ表示，当Ｄ分别为４．５、８、１０ ｍ时，分析不同 动，隧道开挖方法为弧形导坑预留核心土上下台阶 直径下拱顶溶洞对隧道围岩应力和位移的影响。 法。同时加强初期支护，且施工中注意预埋 ２）溶洞分布远近的影响：溶洞距拱顶距离用 １１０ ｍｍ ＨＰＤＥ透水管并以ｎ型排水管引出，如图８ 表示，当 分别为１、２、３、４、５、６、７、８ ｍ时，分析 所示。 拱顶溶洞对隧道围岩应力和位移的影响。 ３．２计算模型与计算参数 以张花高速公路科洞隧道为例，采用ＦＬＡＣ。。数 值计算软件进行计算。计算采用摩尔一库仑本构关 系，摩尔应力圆见图１０，摩尔一库伦准则的形式为： 丁＝Ｃ一 ｎｔａｎｑ￣或 —— ～＝—— 一ｓｌ： ｓｉｎ ＋Ｃｎ 十 （，ｃｏｓｑ￣ （１）ｌ Ｔｎ＝Ｒｃｏｓｑ￣ （２） ＝了１（盯 ＋ ｙ）＋Ｒｓｉｎ ＝ （ ＋ ，）＋ Ｒｓｉｎ￣ｐ （３） ， 、 图８长管棚法处治溶洞 ‘Ｒ：ｃ。。 一 ｓｉｎ （４） ｌｌ４ 湖南交通科技 ３８卷 ＼ ‘受剪面上的法向应力，以拉为正； 为内摩擦角；Ｒ 是摩尔应力圆半径。 若以不变量 、 、 来表示摩尔一库伦准则，得 到： ｝。 一ｉ ｉｉ ／ 图１０摩尔应力圆 ＝ｏｒｓｉｎ ＋ｃｏｓｏ￣．一 ） 一 Ｃｃｏｓ￣＝０ （６） 式中：一詈≤ ＝了吼ｏｎ－］（二 参）≤詈 （７） 边界条件为左右边界水平（ 向）位移固定、前 后边界纵向（１，向）位移固定、下边界垂直位移固定。 隧道开挖方法为弧形导坑预留核心土上下台阶法。 【÷（ 一 ，，２＋Ｔ 】Ｉ／２＝ １（ 。一 ，） （５） 根据计算结果分析了拱顶溶洞尺寸对隧道围岩位 移、应力的影响；拱顶溶洞离隧道的距离对隧道围岩 位移、应力的影响，隧道围岩参数见表１。 式中：丁为极限抗剪强度；ｃ为岩土的粘结力； 为 表１围岩参数表 ３．３隧道顶部岩溶对围岩应力、位移影响的数值分 析 ＦＬ ４Ｃ３ｎ３ Ｏ０ ４ ４州Ｐ．ｎ ●ｃ¨ ３雠１ ●●＋。口：Ｕ¨ ５ 莲 蕤 ｉ 强ｊ 日 ｍ 在数值计算中，采用ＦＬＡＣ 。数值计算软件进行 建模，模型图和划分网格后的模型图分别见图ｌｌ、 图ｌ２。 咖＝５００ 础恤【ｌＩｌｌＩ ●嚏ｐ ●●Ｅ ■ …＿ ； ！ｊ｛瓣 ｉＩｌ ｊ ｃ；●ｃ湘出ⅢＧｒａｕ￣咻 图１２网格模型图 从图ｌ３、图ｌ４中可以看出隧道周边围岩竖向 应力的特点表现如下： １）最大拉应力产生在隧道底部，最大压应力发 生在隧道拱脚部位，最小压应力发生在隧道顶部，其 值基本不发生变化，在０．２—０．２５ ＭＰａ之间；当Ｌ不 图ｌ１模型图 ３．３．１隧道围岩应力分析 断增大时，最大拉应力、最大压应力都有所减小；当 Ｄ增大时，情况类似。 ２）随着Ｄ的增大、￡的减小，溶洞周围应力有 明显增大的趋势，隧道和溶洞之间的岩层可能会产 生失稳，从而引起隧道塌方，所以当Ｄ增大到一定 的程度和Ｌ减小到一定的程度时，需要对溶洞进行 自身处理。 当 不断增加时，隧道围岩竖向应力会发生变 化，取隧道周边０．５ Ｉｌｌ厚的围岩作为分析的对象，为 了节约篇幅，只列出 ＝３、５ ｍ时隧道围岩竖向应力 等值线图，见图１３和图ｌ４。应力为负时表明围岩 受压，应力为正时表明围岩受拉。 ２期 张爱平，等：对长沙港跨越式发展的建议 １２９ 展的港口物流服务供应链基础上，努力为客户提供 最发达的地区，长沙、株洲、湘潭三港相距较近，服务 柔性化服务，积极推进数字物流港建设和管理数字 腹地范围、港口依托的航道条件大致相同，应利用这 化进程。可在港口推行诸如“看板管理”、条形码技 一得天独厚的区位优势，构建长株潭乃至全省的组 术、自动识别技术、自动分拣技术、卫星定位技术、自 合港，形成以长沙港为核心的区域港口群，并与腹地 动仓库、集装箱电子识别技术、物流仿真技术、辅助 产业形成供应链，实现区域资源的优势互补和协同 决策技术等先进技术与办法，逐步实现港口从传统 发展。 运作到智能管理的转变。 ３．５扩大港口经济服务范围。构建港口腹地供应链 参考文献： 依托２ ０００ ｔ级航道的建设与长沙市的区位优 ［１］周浩．国外先进港口发展经验对我国的启示［Ｊ］．中国国情国 势，一方面加强岸线利用，发展临港工业；一方面利 力，２０１１（２）． ［２］王祖志，李阳，游涛．湖南省现代物流型内河港口建设研究 用石长铁路与京珠高速、长永高速等区域交通网络， ［Ｊ］．水运工程，２００８（７）． 形成以港口为中心的业务辐射面，实现与社会物流 ［３］李学工，任伟．国外港口物流发展的趋势特征及启示［Ｊ］．中国 资源的全方位整合，并构建货源与港口之间的供应 港口，２００７（２）． 链，强化港口与腹地经济的紧密联系。 ３．６形成区域性组合港。带动全省港口发展 长沙港直接依托的长株潭经济圈是湖南省经济 （上接第ｌｌ６页） 的稳定带来影响，拱腰以上围岩竖向位移与 成反 从图ｌ８可以看出，拱顶溶洞对隧道周边围岩位 比，与Ｄ也成反比；隧道拱脚、隧道底部围岩竖向位 移的影响主要有以下几个方面： 移与 成正比，与Ｄ成反比。隧道开挖最大压应力 １）当溶洞离隧道拱顶的距离超过５ ｍ时，溶洞 发生在拱脚部位，其值与Ｄ成反比，与 关系不大； 对隧道围岩的影响就很小。 而最大拉应力发生在隧道底部，其值与Ｄ也成反 ２）当拱顶有溶洞分布时，拱脚点、隧道地面中 比，与Ｌ成反比；最小压应力发生在隧道顶部，其值 心点在有溶洞分布时竖向位移小于无溶洞时隧道开 基本不变化。 挖时的位移；而隧道拱顶点、拱腰点竖向位移均大于 无溶洞分布时隧道开挖的位移。 参考文献： ３）当 不断增大时，隧道拱脚、底部围岩开挖 ［１］彭川Ｉ．岩溶隧道围岩与结构稳定性分析［Ｄ］．长沙：长沙理工 竖向位移也增大；而隧道顶部、拱腰部位位移随着 大学，２００９． 的增大而减小。当Ｄ不断增大时，隧道顶部位移、 ［２］刘招伟，张民庆王树仁．岩溶隧道灾变预测与处治技术［Ｍ］．北 京：科学出版社，２００７． 拱腰部位位移在减小；而拱脚位移、隧道底部位移却 ［３］史世雍，梅世龙，杨志刚．隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分 随Ｄ的增大而减小。 析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５，１（５）：６９８－７０２． ［４］熊学军．大瑶山隧道病害研究及治理［Ｊ］．中国铁路，１９９７，１０ ４ 结束语 （３）：３９—４２． 在岩溶地区进行隧道的施工，必须坚持”短进 ［５］梁明贵．大瑶山隧道涌水量的控制［Ｊ］．世界隧道，１９９８，６（１Ｏ）： ５Ｏ一５２． 尺、弱爆破、强支护、早闭合”的原则，且要加强监控 ［６］王润福，孙国庆，李治国．圆梁山隧道进口填充型溶洞注浆施工 量测，从而避免安全事故的发生。对隧道拱顶溶洞 技术［Ｊ］．隧道建设，２００３，２３（２）：２８—３０． 的处治，要特别注意溶腔壁掉块，以免砸伤施工人 ［７］庄金波．圆梁山隧道岩溶管道群涌水处理技术［Ｊ］．隧道建设， 员，并结合具体情况，采用恰当的处理方法，倘若处 ２００４，２４（３）：２０—２４． 理不当，则会给施工安全及隧道运营带来影响。拱 ［８］李成源，唐明逢，周永安．南岭隧道岩溶突泥灾害的防治［Ｊ］．水 文地质工程地质，１９９４，２（６）：１Ｏ一１３． 顶溶洞离隧道的距离、溶洞的大小都会给隧道围岩