六月田隧道岩溶坍塌地段洞内管棚支护稳定性分析*

时间：2024-08-31

张军，李洪瑶，樊斌

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2.上海隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235)

六月田隧道位于湖南湘西自治州，设计标准为Ⅰ级公路隧道，双向四车道，行车速度80 km/h，左线长1 010 m，右线长1 015 m。左线施工到ZK10+803处时，在隧道右侧壁出现被大量黏土夹砾石填充的溶洞，溶洞内的黏土呈软塑状，很快从掌子面喷涌而出形成突泥，地表下陷近30 m，并呈现长25 m、宽20 m的椭圆形空洞。施工中采用洞内管棚支护穿越岩溶坍塌地段，方法是在隧道内部掌子面后方开挖管棚工作室，将隧道洞身拱部开挖断面加大，在掌子面上安设管棚孔口定位拱架，拱架上下掌子面喷射砼，在孔位处钻孔安装带注浆孔的钢管，再灌注砂浆。洞内管棚工艺复杂，端部不设套拱，根据需要可能进行钢管搭接、管棚接长。由于管棚支护与围岩相互作用复杂，尤其是在岩溶坍塌地段，围岩压力无法确定，管棚支护设计目前主要采用经验类比法，支护稳定性难以评价。该文根据该隧道围岩类型、漏斗形溶洞位置和处治方法、管棚支护参数等条件建立三维数值计算模型，分析围岩类型、管棚支护参数、溶洞处治及溶洞位置对隧道变形的影响，揭示影响隧道洞内管棚支护稳定性的因素及规律。

1 工程概况

六月田隧道(见图1)位于风化溶蚀山地，山的海拔高、坡度陡峭，地形起伏大。地面高程为430～567 m间有隧道轴线通过，相对高差约137 m，隧道最大埋深125.30 m。基岩多露于地表，山坡覆盖层较薄，植被发育。地层结构分布依次为：1)黏土。灰褐色、褐黄、褐红色，呈可～硬塑状，含少量砾石，主要分布于隧道进、出口的山坡低洼处。2)瘤状泥质灰岩。紫红色夹灰绿色，瘤状构造，隐晶质结构，薄～中层状，节理裂隙部分发育，与灰岩交界处岩溶较发育，主要分布于山顶。3)灰岩。灰、灰白色，块状构造，隐晶质结构，中厚层状，岩质硬实，微侵蚀，节理裂隙局部发育，局部发育溶蚀裂隙，岩层较完整，岩芯多呈柱状，少量呈半边状，块状。地质勘察结果表明，隧道ZK10+798—830段发育有天然漏斗形岩溶，隧道围岩为可塑状的黏土夹砾石，围岩破碎松散，自稳能力极差(见图2)。

图1 六月田隧道带仰拱衬砌内轮廓断面示意图

图2 六月田隧道左线(地质)纵断面(单位：m)

为避免溶洞继续坍塌，使隧道施工顺利进行，施工方施作管棚工作室，沿隧道外轮廓线以5°仰角施作长24 m、间距33 cm的φ108 mm管棚。由于洞身围岩为塌方堆积体，管棚下方与隧道开挖面形成一个三角形空腔，开挖后即对该空腔喷射砼作回填处理。

2 三维数值分析模型的建立

2.1 计算模型

以隧道为中心，模型尺寸为60 m×60 m×30 m，隧道建筑限界尺寸为高5.0 m、宽10.25 m，采用三心圆拱结构，隧道施工采用上下台阶法。以高10 m、上下半径分别为5、3 m的圆锥嵌入围岩模拟漏斗形岩溶发育，溶洞位于沿隧道方向14～17 m处，分别距底部、拱腰右侧、拱顶1 m，溶洞填充材料为M7.5号浆砌片石。模型的边界约束条件为上部自由，侧面水平约束，底部完全约束。假定围岩为均质各向同性弹塑性介质，采用莫尔-库伦准则，将围岩注浆区视为弹性体，定义为实体单元；管棚注浆支护假设为弹性体，定义为壳体单元；锚喷支护也假设为弹性体，定义为平面板单元(见图3)。

图3 隧道三维分析模型

2.2 计算参数

根据勘察报告、设计规范中Ⅴ级围岩参数，采用工程类比法确定模型各单元的物理力学参数(见表1)，其中初期支护包括钢拱架、锚杆和砼，管棚支护包括钢管、注浆材料和围岩，计算时分别将初期支护及管棚支护视为一个整体，单元参数按等效原则折算得到。

表1 模型单元及力学指标

2.3 影响因素与施工过程模拟

影响洞内管棚支护稳定性的因素很多，主要因素为管棚支护参数、施工方法、注浆情况及溶洞位置、大小、处治情况。为研究这些因素对洞内管棚支护作用的影响，建立数值计算模型时将管棚支护状态分别设定为无管棚、无注浆管棚支护、注浆管棚支护，将溶洞状态设定为无溶洞、溶洞未填充、溶洞已填充，溶洞位置分别为拱顶、底部、右侧拱腰处。施工流程为原地层—隧道开挖—初期支护—施作衬砌。Ⅴ级围岩采用上下台阶法开挖，先开挖上台阶并及时施作锚杆和喷砼，待围岩稳定后进行下台阶开挖并对下部进行支护。顺着隧道轴线方向，通过数值计算，分别提取沿隧道拱顶、拱腰、底板三轴线上的点，分析拱顶、地表、底部的竖向位移，拱腰的水平向位移、竖向主应力的变化及分布状况。

3 计算结果分析

3.1 管棚支护对隧道变形的影响

3.1.1 拱顶沉降

不同支护状态下隧道拱顶竖向位移见图4，拱顶沉降对比见图5。

由图4、图5可知：无管棚、采用无注浆管棚和注浆管棚时，隧道轴向各点拱顶沉降最大值分别为7.01、4.49、3.77 mm，注浆管棚的效果最好，无注浆管棚次之，无管棚最差。采用注浆管棚时拱顶沉降比无管棚时减小43.3%，比无注浆时减小16.5%，管棚支护对改善围岩的自承能力效果明显。无注浆围岩与管棚之间的摩阻力使围岩受到的压力减小，故拱顶沉降小于无管棚情况。注浆管棚的钢管、注浆材料与围岩胶结成一个刚度较大的整体，起到承受围岩压力的支护作用。管棚支护始末两端的拱顶沉降比中部小很多，而无管棚情况下隧道拱顶沉降较大且呈均匀分布，说明管棚支护下围岩整体刚度增大，变形减小。

图4 不同支护状态下隧道竖向位移云图(单位：m)

图5 不同支护状态下隧道拱顶沉降比较

3.1.2 水平位移

如图6、图7所示，隧道两侧向内收缩变形，影响最显著的部位是拱腰，其左侧向位移为正，右侧向位移为负，呈对称分布；无管棚、采用无注浆管棚和注浆管棚时，沿隧道拱腰处周边收敛最大值分别为1.63、1.49、1.46 mm，采用注浆管棚时水平位移比无注浆管棚时减小8.5%，比无管棚时减小10.4%。管棚支护与无管棚相比，隧道开挖后周边位移较小，说明管棚支护对隧道周边收敛有一定控制作用，但与拱顶沉降的控制相比差很多，注浆管棚周边位移与无注浆管棚相差无几。

图6 不同支护状态下隧道水平位移云图(单位：m)

图7 不同支护状态下隧道水平位移比较

3.2 溶洞处治对隧道变形的影响

为便于比较，假设隧道拱顶的正上方1 m处存在溶洞，溶洞状态分别为无溶洞、溶洞未填充、溶洞已填充，分析溶洞处治对隧道变形的影响。

3.2.1 拱顶沉降

如图8、图9所示，无溶洞时隧道开挖引起的拱顶沉降最小，最大值为4.60 mm；溶洞未填充时隧道拱顶沉降值最大，最大值为9.11 mm，溶洞的存在对开挖后隧道拱顶沉降的影响非常明显。对隧道周围的隐伏溶洞作填充处理非常必要，填充后隧道拱顶沉降比未填充时减小31.7%，隧道围岩强度提高，围岩稳定性增强。

图8 不同溶洞处治状态下隧道竖向位移云图(单位：m)

图9 不同溶洞处治状态下隧道拱顶沉降比较

3.2.2 水平位移

如图10、图11所示，隧道开挖后水平位移会因溶洞的存在而增大，呈现由下而上的发展趋势；溶洞填充后，隧道水平位移得到控制，其发展范围及量值明显减小。溶洞未填充、填充及无溶洞时，隧道最大水平向位移分别为1.48、0.77、0.43 mm，溶洞填充时隧道水平向位移比未填充时减小47.9%，隧道周边收敛大幅减小。

图10 不同溶洞处治状态下隧道水平位移云图(单位：m)

图11 不同溶洞处治状态下隧道水平位移比较

3.3 溶洞位置对隧道变形的影响

溶洞位置也考虑3种情况，分别为拱顶溶洞、底部溶洞、右侧拱腰处溶洞，位于沿隧道方向14～17 m处，分别距拱顶、拱腰右侧、底部1 m。

3.3.1 拱顶沉降

如图12、图13所示，溶洞位置不同，隧道竖向位移大小有较大差别，竖向位移受拱顶溶洞的影响最大，底部溶洞次之，拱腰右侧溶洞的影响最小；隧道周围隐伏溶洞的位置不同，对开挖后隧道拱顶沉降的影响有较大差别，拱顶、拱腰右侧、底部存在溶洞时，隧道拱顶沉降最大值分别为6.69、3.53、6.25 mm，拱顶存在溶洞时隧道拱顶沉降比拱腰存在溶洞时增大47.2%，比底部存在溶洞时增加6.6%，拱顶和底部存在溶洞对隧道拱顶沉降的影响显著。

图12 不同溶洞位置时隧道竖向位移云图(单位：m)

图13 不同溶洞位置时隧道拱顶沉降比较

3.3.2 水平位移

如图13、图14所示，拱顶存在溶洞时，与其他两种位置溶洞相比，隧道掌子面处水平位移增大，上台阶和上下台阶分界处都表现出对称发展的较大水平位移，说明隧道掌子面的稳定性受拱顶溶洞较大的负面影响；拱顶、拱腰右侧、底部存在溶洞时，隧道水平位移最大值分别为1.34、0.61、1.33 mm，拱顶和底部存在溶洞对隧道水平位移的影响较明显。

图14 不同溶洞位置时隧道水平位移云图(单位：m)

图15 不同溶洞位置时隧道水平位移比较