莊旭峰,肖鴻峰,周強(qiáng)軍,司洪濤

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都610059;2.江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院,宜春336000)

1 工程概況

213國道川主寺隧道為雙線公路隧道,隧道起訖里程為K1+090～K1+590,全長500 m。采用地質(zhì)雷達(dá)電磁波法和掌子面地質(zhì)素描相結(jié)合的措施進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。按新奧法原理進(jìn)行開挖與支護(hù)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,隧址區(qū)位于龍門山脈北段,山脈近SN向展布,地貌屬中等切割的低高山侵蝕—堆積地貌。隧址區(qū)位于岷江一級(jí)階地。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)主要地層為:(1)第四系全新統(tǒng)崩積層(Qcol4):含礫粉質(zhì)黏土,主要分布于隧道進(jìn)口表層。(2)第四系全新統(tǒng)坡積層(Qdel4):礫質(zhì)粉土,主要分布于隧道出口表層。(3)石炭系下統(tǒng)略陽組(C1l):中薄—中厚層狀結(jié)晶灰?guī)r,夾薄層狀鈣質(zhì)千枚巖和細(xì)砂巖。隧道洞身段巖性主要為中風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r夾鈣質(zhì)千枚巖和細(xì)砂巖。

2.3 區(qū)域構(gòu)造

西起川主寺,東抵黃龍鄉(xiāng),中更新世(Q2)以來存在一條近東西走向的左行走滑斷層。沿川主寺—黃龍左行走滑斷層的位移在切錯(cuò)了近SN走向的岷山隆起后,黃龍鄉(xiāng)前方北側(cè)派生出一系列NE走向的左行剪切斷裂。

3 工程地質(zhì)問題

3.1 溶蝕破碎巖體

隧道整個(gè)里程段上,靠河側(cè)掌子面巖體較破碎,局部地段呈散體狀,巖體微濕,殘留許多溶蝕孔。里程K1+309段靠河側(cè)中導(dǎo)部位出現(xiàn)填滿溶蝕巖屑的溶穴(圖1)。里程K1+318～K1+322段開挖過程中,頂部出現(xiàn)溶洞,爆破進(jìn)尺過大,溶洞底板塌落(圖2),超前小導(dǎo)管失效,洞頂塌落。

圖1 側(cè)壁溶穴

圖2 頂部塌方

3.2 殘留巖溶洞穴

隧道在進(jìn)行K1+440段下導(dǎo)開挖時(shí),在隧道靠河側(cè)側(cè)下方出現(xiàn)1#殘留洞穴,溶洞向靠河側(cè)延伸7.7 m,深8 m(圖3),洞內(nèi)干燥,頂部呈拱形未造成嚴(yán)重坍塌,具有一定自穩(wěn)能力,對(duì)施工安全未構(gòu)成大的影響。但對(duì)圍巖應(yīng)力調(diào)整和隧道的長期穩(wěn)定存在潛在威脅。

圖3 1#洞穴洞口照片

圖4 2#洞穴洞口照片

在進(jìn)行K1+338段中導(dǎo)開挖時(shí),靠山側(cè)洞壁出現(xiàn)2#殘留洞穴,溶洞洞口面積約7.9 m2,并向洞頂延伸,延伸9.6 m,洞內(nèi)巖溶碎屑塌落,巖屑約20 m3(圖4),清除塌落碎屑后洞內(nèi)仍有碎屑不斷塌落,支護(hù)好的上導(dǎo)型鋼有明顯錯(cuò)動(dòng),洞頂有拉張裂縫,洞頂素噴砼偶有掉塊,洞頂變形約3～5 cm,隨著巖溶碎屑塌落變形加劇。

4 洞室穩(wěn)定性數(shù)值分析

4.1 模型的建立

川主寺隧道為淺埋隧道,圍巖類型為Ⅴ級(jí),模擬洞穴出現(xiàn)在拱肩與拱角對(duì)洞室的穩(wěn)定性影響,其網(wǎng)格化如圖5所示。計(jì)算模型的范圍取開挖斷面3～5倍最大洞徑。計(jì)算區(qū)域劃分成302 011個(gè)離散單元,計(jì)算模型如圖5所示。為預(yù)測(cè)巖溶洞穴對(duì)隧洞開挖穩(wěn)定性的影響,模擬中未加載錨桿和鋼架提供的初期支護(hù)力。其約束條件:兩側(cè)邊界水平方向約束,豎直方向自由;底部邊界豎直方向約束,水平方向自由;頂部為自由表面。

4.2 參數(shù)的選取

模擬數(shù)值的選取,圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型;洞石模擬采用FLAC3D中的Null模型。巖體的初始地應(yīng)力場(chǎng)只考慮自重應(yīng)力。所需參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

4.3 模擬結(jié)果分析

從圖6應(yīng)力云圖可以看出,洞室開挖后圍巖應(yīng)力重新分布,洞頂出現(xiàn)較大壓應(yīng)力0.5～0.6 MPa,在隧洞的肩部出現(xiàn)壓應(yīng)力集中0.6～0.7 MPa,仰拱部位應(yīng)力較小。若在洞室肩部有洞穴出現(xiàn)則最易坍塌,需要先進(jìn)行超前支護(hù)處理而后短進(jìn)尺開挖。

圖6 應(yīng)力云圖

從圖7位移云圖可以看出,洞室頂部位移最大,出現(xiàn)完美的塌落拱,由于閉合支護(hù),仰拱部位位移較小。但由于洞頂坍塌對(duì)開挖造成很大的安全隱患,則需要小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)而后開挖。

圖7 位移云圖

5 防治措施和變形實(shí)測(cè)分析

5.1 防治措施

(1)K1+309溶穴采用C15漿砌片石換填,噴射砼封閉后進(jìn)行初襯支護(hù);K1+318～K1+322段先噴射砼固頂,然后初襯支護(hù)并預(yù)留注漿孔,帶初襯凝固后二次襯砌前進(jìn)行高壓注漿封填;K1+327段在超前支護(hù)時(shí)注漿量不夠,待初襯支護(hù)后預(yù)留孔噴射砼封閉。

(2)1#洞穴用C20噴射砼四周護(hù)壁,C15漿砌片石回填溶洞,洞口用水泥砂漿封閉;2#洞穴封閉洞口,阻止頂部的坍塌惡化,在上導(dǎo)側(cè)壁梅花狀打孔間距2 m,灌注水泥砂漿,防止一次性壓力過大砂漿從洞口擠出,分兩次灌注,間隔1周。

5.2 監(jiān)控檢測(cè)

根據(jù)監(jiān)控測(cè)量規(guī)范要求,Ⅴ級(jí)圍巖地段收斂、拱頂下沉測(cè)點(diǎn)20 m 1個(gè),在特殊地段需要加密。拱頂下沉監(jiān)測(cè)主要采用水準(zhǔn)儀定點(diǎn)觀測(cè),洞壁收斂監(jiān)測(cè)主要采用鋼尺式周邊收斂計(jì)。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后15 d內(nèi)每天量測(cè)1次,15～30 d,2～3 d量測(cè)1次,一月后3～7 d量測(cè)1次。

對(duì)巖溶洞穴加固段進(jìn)行加密,在出露溶洞的整個(gè)斷面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從加固段的監(jiān)控量測(cè)累計(jì)變形曲線圖(圖8、圖9)得出洞室經(jīng)過略微的變形之后趨于穩(wěn)定。說明洞穴的處理效果良好,為類似隧道巖溶洞穴問題提供可行的參考措施。

圖8 K1+318拱頂沉降曲線

圖9 K1+338邊墻收斂曲線

6 結(jié)語

(1)洞室肩部為應(yīng)力集中區(qū),拱頂為變形量最大區(qū)。若超前地質(zhì)預(yù)報(bào)或超前探洞在肩部發(fā)現(xiàn)有溶洞發(fā)育,需要先對(duì)溶洞灌漿封填,然后才能開挖,若在拱頂有溶洞發(fā)育,則需小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)。

(2)對(duì)巖溶段加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),關(guān)注重點(diǎn)區(qū)段重點(diǎn)部位的變形收斂情況,對(duì)變形加劇地段需要及時(shí)加強(qiáng)支護(hù),阻止變形惡化。

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