Research on treatment effect of karst cave in deep-buried highway tunnel and response law of tunnel structure
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摘要:
卡罗Ⅱ号隧道为贵州省平塘至罗甸高速公路控制工程，施工时揭示溶洞发育于右幅隧道的拱底部位，左右线隧道中部岩柱薄易于坍塌，特提出洞渣回填以及桥梁跨越两种处置手段并在技术及经济方面进行比选，综合确定洞渣回填为该溶洞处理方式。为验证回填方案的合理性，以有限元软件Midas GTS建立溶洞回填前后隧道开挖施工模型，分析出溶洞处理前后围岩位移、锚杆轴力以及围岩塑性区变化规律，同时监测典型断面的累计拱顶沉降、收敛变形情况，结果表明：溶洞回填后，围岩位移、锚杆轴力峰值有较大降低，中部岩柱以及下部溶腔塑性区发展由于回填得以控制，溶洞回填可有效抑制围岩变形，施工期间也并未出现突泥、涌水灾害事故，其回填方案有较高的可行性。 Abstract:Karst landform has brought great hidden dangers to the construction and operation of transportation infrastructure. In order to eliminate the risk of covered karst to tunnel construction and operation， two methods of tunnel slag backfilling and bridge crossing have been proposed for the treatment of covered karst cave exposed during construction in the engineering background of Pingluo Tunnel II of Pingtang-Luodian Expressway in Guizhou Province. After the comprehensive comparison of the two methods in terms of technology and economy， tunnel slag backfilling is decided as the optimal treatment method of the karst cave. To verify its rationality， a three-dimensional model under two conditions before and after treatment of karst cave was established by using finite element software Midas GTS. The treatment effect of backfilling of karst cave quantitatively was evaluated from four perspectives： displacement of surrounding rock， internal force of support structure， distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock and its equivalent stress. The results show that the displacement peak value of surrounding rock decreased by 32.6% from -4.671 mm before the treatment to -3.148 mm after the treatment. Furthermore， after karst cave treatment， the peak value of settlement of left tunnel arch and of right tunnel arch respectively decreased 0.567 mm （by 15.6%） and 0.503 mm （by 21%）. Before and after the treatment， anchors in tunnel system were mainly tensioned， and few of them were under pressure. System anchors could effectively play their suspension role. The stress data of system anchor show that the peak value of system anchor force decreased by 32.6% from 35.37 kN to 32.48 kN after the backfilling of karst cave. Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rocks are able to reflect the scope of loosening and destruction of surrounding rocks. Before the karst tunnel was filled and treated， excavation of the right tunnel had caused great disturbance to surrounding rocks below the arch shoulder of the tunnel and on both sides of the karst tunnel， especially to the left side of the karst tunnel and the right side of the tunnel. The surrounding rocks were basically in the state of plastic loosening. After the treatment with filling， the plastic zone of surrounding rock was only distributed in the range of side walls on both sides of the left and right tunnel， and the original cavity zone on the lower side of tunnel lining structure also changed from plastic loose zone to elastic zone. It indicates that the backfilling of karst cave can effectively limit the downward development of plastic zone of surrounding rocks and significantly improve the safety of rock pillars in tunnel. To verify the rationality of distribution characteristics of tunnel plastic zone， Von-Mises equivalent stresses at different parts of tunnel structure on left and right lines were extracted for analysis. The data shows that the equivalent stresses at right arch waist of the right line tunnel and 10 m below the right wall of the tunnel can be effectively reduced after the backfilling of the karst tunnel. The equivalent stresses of surrounding rocks at the two locations were reduced by 72.5% and 88.4%， respectively. The accumulated displacement values of YK16+595 section vault and camber of right-line tunnel do not exceed the standard warning values， and no mud burst， or water inrush accidents have occurred since the karst cave was exposed in 2016. Therefore， the higher feasibility of backfilling scheme has been verified，and the relevant achievements can provide new ideas for the treatment of karst tunnel in deep-buried highway with short clear distance. -
0 引言
岩溶现象普遍存在于中国岩溶地区隧道的修建过程中，尤其在中国西南及云贵地区，隧道在建设过程中不可避免地会遇到各种不同形态、大小以及充填状态的溶洞，其风险等级高，给隧道的施工与运营带来极大隐患。目前，许多学者针对岩溶隧道的破坏机制［1-2］、稳定性分析［3-7］以及处置措施［8-10］进行了比较全面的研究。
康勇等［11］依托重庆云雾山隧道浅埋岩溶段施工灾害事故实际工程背景，统计该施工段施工致灾因子，归纳出制约工程建设的致灾要素为隧道埋深、围岩级别、岩溶发育程度和规模、水源供给等；王波等［12］综合监控量测、超前地质预报结果划分季家坡岩溶隧道的稳定等级，从而为施工进度优化等提供依据；谭代明等［13］以忠垫高速公路岩溶隧道为依托工程，借助FLAC 3D软件模拟该岩溶隧道的施工过程，隧道与溶洞围岩由于应力集中可使围岩变形过大；徐长金等［14］以五龙节隧道为工程背景，探讨溶洞位于隧道不同位置时溶洞对隧道稳定性的影响，可为岩溶隧道的设计与施工提供新思路。李雄周等［15］、蒋武军等［16］、程灏等［17］、冯海暴等［18］、黄福谦等［19］探讨隧道穿越不同充填状态、形状溶洞时的隧道施工方案对比、处置措施以及预期效果，主要包括桥梁跨越、回填洞渣、桩基础、注浆加固等，并借助现场测试与数值计算结果对比分析溶洞的处置效果。
本文以卡罗Ⅱ号分离式公路隧道小净距段右幅隧道拱侧下方揭示的溶洞实际工程为依托，对洞渣回填以及桥梁跨越两类处置手段进行比选，确定出溶腔处置方案采用回填方式，并借助有限元软件建立溶洞处置前后两种工况下的三维数值模型，对比分析溶洞回填前后左右幅隧道拱顶沉降、拱部锚杆轴力、围岩塑性区发展以及中岩柱最大主应力，并以典型测试断面的现场监控量测成果验证出回填方案可有效降低隧道在施工期的安全隐患。
1 工程概况
1.1 隧道概况
卡罗Ⅱ号隧道是修建于贵州省平塘至罗甸高速公路隧道群上的控制性工程枢纽隧道，其结构形式设计为分离式短隧道。溶洞段隧道属于小净距隧道，净距约为10.5 m，而溶洞发育在右幅左侧至两隧道之间，致使部分段岩柱最薄处约为7 m。线路左侧隧道起止里程为ZK16+452～ZK16+654，经地质勘测最大埋深为88 m；线路右侧隧道起止里程为 YK16+460～YK16+665 m，最大埋深约92 m。左幅隧道纵坡坡度为1%，右幅隧道为1.1%，均为上坡。隧道地质剖面图及平面图见图1、图2。
1.2 岩溶发育情况
右幅隧道掌子面施工至YK16+583时，掌子面前方隧道左侧拱底探测到一溶洞，通过洞底人工探测确定为无充填物溶洞。整个溶洞位于右幅隧道YK16+583～YK16+625段，右幅隧道约2/3面积位于溶洞内，溶洞发育规模大，整体呈不规则状，纵向长度为5～42 m，横向宽度为2～19 m，高度为8～43 m，溶洞内有水，测时水位高程约953.827 m，水位与场区地水位基本一致，基本处于静止状态。该溶洞已发育至晚期，顶板形态整体呈拱形，现仅局部分布有少量石钟乳，方解石脉络清晰可见，溶洞顶板表层大部分溶解，顶板现较平整（图3）。
2 大型溶洞处置手段文献调研
大型溶洞按照其充填状态可分为有充填型大型溶洞和无充填型大型溶洞两类。鉴于卡罗Ⅱ号隧道发育的溶洞为无充填型溶洞，为更好寻求最佳处置措施，借助文献调研手段，统计国内多位学者关于岩溶隧道发育以及处置措施案例经验总结，归纳出无充填型溶洞按其溶洞出现的位置可分为以下处理手段，如表1所示。由于该溶洞揭示时已发育至晚期，洞内无充填物和水，根据文献调研结果，可拟选择直接填堵法作为该无充填大型溶洞处理手段，但具体采用何种处置措施需根据经济以及技术可行性综合确定。
溶洞发育特点 溶洞处理手段 处理工艺简介 典型工程举例 拱腰及以上 护拱法 隧道衬砌顶部施做护拱，在护拱上做浆砌回填 宜万铁路云雾山隧道526和617组合溶腔 拱顶 长管棚法 掌子面前方超前大管棚支护 宜万铁路齐岳山隧道 暂停发育、无水 直接填堵法 混凝土、浆砌片石和干砌片石等密实回填封闭 田德铁路陇外隧道、那丘隧道 拱顶、边墙位置 钢支撑法 两侧采用钢支撑进行锚喷支护 宜万铁路龙麟宫隧道2号溶腔 基底 托梁＋板、梁跨方案 先用弃渣进行回填，其次可以用“托梁＋钢筋混凝土板”跨越溶洞洞穴 南阳一隧道 基础以及路面下 桩基托梁板跨 桩基础伸入溶洞围岩，然后施作桥梁跨越 中老铁路朋松楠松河特大桥、锦屏二级水电站4号引水隧洞 基底 注浆加固 先利用弃渣回填并进行注浆加固，待回填体沉降稳定以后浇筑混凝土底板 新建杭州至长沙铁路客运专线 (江西段) HKJX-3标五分部进贤特大桥 基底 筑拱施工 底板溶洞口经合理开挖和及时支护以后设计为拱桥基础支座 锦屏二级水电站中3号引水隧洞岩溶处理工程 发育纵深不小于30 ｍ 充填处置 密实分层压填 黔张常铁路高山隧道、成贵铁路玉京山隧道 3 处置方案比选
3.1 方案一：回填洞渣方案通过
（1）溶洞于2016年12月揭示，水位在953 m左右，后决定由大桩号反向施工，在施工过程中，有洞渣填入溶洞，至今洞渣已填埋超过地下水位0.5～2 m，人已可下到溶洞底部，但地下水位依然在953 m左右，无明显变化。
（2）根据地质调查及物探资料，隧道内溶洞与外部Y1、Y4连通，但由于隧道区岩溶强发育，地下水排泄通道较多，Y1和Y4的岩溶管道只是其中一个分支，洞渣在被填埋期间，Y1、Y4并无明显的水位变化及断流现象发生。
（3）根据区域水文调查及现场踏勘，场区内出露的洼地、小溪、河流水位均在954 m左右，地下水位基本与河水水位一致。由于Y1不是唯一过水通道，且场区地下水整体较隧道仰拱低15 m，故判断可采用填方方案。
（4）洞渣回填：对溶洞采用分层填筑的方式，为保护岩溶管道，在最底层采用直径为80～100 cm的大块石回填3 m厚，大块石间的空隙为天然的过水通道。然后在大块石上方3 m厚回填直径大于20 cm的块石，将开挖出洞渣回填至隧道仰拱底部以下3 m厚，再回填2 m厚M7.5浆砌片石压实稳定。最后施工浇筑1 m厚C30高品质钢筋混凝土，要求盖板尺寸伸入溶洞外边缘基岩1.5 m以上。
（5）洞身段空洞处理：仰拱以上镂空段，采用M7.5浆砌片石填实，隧道周边围岩不得出现空洞。
（6）加强隧道支护：二次衬砌采用钢筋混凝土结构。
（7）排水措施：在溶洞填筑完毕后，按原设计的防排水设计进行施工。
（8）费用估算：回填方案费用估算约73.2万。
3.2 方案二：采用桥跨方案通过
（1）由于溶洞纵向距离过长，桥采用横跨的方式布置，共计32块1.25 m宽的板，板需嵌入基岩不小于3 m，在支座处设置板式橡胶支座以及弹塑性填充，与基岩有一定的缓冲。共计40 m跨度，板的长度随溶洞的变化而变化。
（2）该段隧道原设计为S-IVa 衬砌，荷载如表2。经计算，隧道荷载约为公路——Ⅰ级车道荷载标准值586.9/21=27.9倍，荷载过大。
表 2 隧道支护设计参数Table 2.Design parameters of tunnel support 材料 质量 重量 工字钢Ⅰ14 454.3 kg 二衬钢筋 941.87 kg C30二衬混凝土 47 300 kg 围岩压力 100 kPa 总计 586.9 kN （3）由于隧道场地狭窄，目前毛洞净高为9 m，吊装预制桥跨的施工难度非常大。
（4）溶洞段本身是属于小净距段，净距约为10.5 m，而溶洞发育在右幅左侧至两隧道之间，致使部分段岩柱最薄处约为7 m，为满足搁置长度，势必对溶洞进行扩挖，使岩柱厚度进一步减小。《公路设计规范》第11.1.2条说明里指出，当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩占隧道总长50%以下时，双洞最小净距不宜小于0.75 B。卡罗Ⅱ号隧道没有Ⅲ级围岩，该段B=12.5 m，故最小净距不宜小于9.3 m。若扩挖，则将使净距远小于9.3 m，甚至会造成中间岩柱垮塌，对已建成的左幅隧道造成影响。
（5）综合各类风险，桥梁方案造价估算约480万。
3.3 方案比较
比较表3中两方案的优缺点，并根据大型无充填溶洞文献调研结论，综合考虑安全施工、进度安排以及工程成本造价等条件，最终该溶洞处置方案采用回填洞渣。
表 3 处置方案对比分析Table 3.Comparative analysis of disposal schemes 方案 优点 缺点 洞渣回填通过 施工简单，施工周期短，风险低，造价低 填筑方量较大，若第一层回填大块石时不严格按设计要求的尺寸进行施工，可能会局部堵塞过水通道，但可避免 桥跨方案通过 直接跨越溶洞，不对溶洞进行干扰 施工复杂，施工周期长，中间岩柱太薄导致风险高，造价高 4 处置效果的数值分析
4.1 溶洞回填方案施工
（1）针对隧道YK16+583～YK16+625段的溶洞，采取分层回填方式对溶洞进行处置，由于溶洞内存在静态水，因此，分层回填之前在右洞YK16+012处设置2排直径40 cm的钢筋砼包管引入YK16+587岩溶通道。为保护岩溶管道，在最底层采用直径为80~100 cm的大块石回填3 m厚；在大块石上方3 m厚位置处回填直径大于20 cm的块石，然后在块石基础上回填废弃洞渣至隧道仰拱底3 m厚，并对隧道洞渣进行充分回填压实，须保证回填体压实度控制为98%以上，待稳定后铺设1 m厚的C30混凝土至仰拱底；仰拱以上洞身镂空段采用2 m厚M7.5浆砌片石填实。溶洞回填剖面图如图4所示。
（2）隧道是按新奥法进行施工，为加强卡罗Ⅱ号隧道溶洞段施工的安全性，右幅隧道溶洞段支护方式采用SX-Ⅳa支护，具体支护参数见表4。
表 4 隧道衬砌支护参数Table 4.Lining support parameters of tunnel 支护类型 喷射混凝土 钢筋网 环向小导管 锁脚锚杆 系统锚杆 型钢钢架 超前支护 初期支护 C20厚20 cm 单层Φ625×25 cm Φ42×4钢花管间距1.0×1.2 m 左侧 右侧 3 m Φ20药卷锚杆间距1.0×1.2 m Ⅰ14工字钢架间距1.0 m 4 mΦ42×4钢花管间距100×40 cm 3 mΦ42×4钢花管 3 mΦ20药卷锚杆 二次衬砌 混凝土 40 cm厚C30钢筋混凝土 4.2 数值模型建立
实际溶洞形状极其不规则，构建真实数值模型较为困难，为简化对比分析溶洞处置效果，以YK16+595～YK16+610段15 m溶洞为依托，借助有限元软件Midas GTS建立溶洞处置前后两种工况下隧道施工三维数值模型，分析分层回填土对溶洞的结构响应规律。根据隧道长期理论分析以及实践经验总结，地下工程开挖只对距开挖中心3~5倍跨度范围内的围岩变形产生作用［30］。因此，在本次有限元建模时左、右线隧道开挖影响范围均取隧道开挖跨度的3倍，因此模型的长度为98 m。模型高度按上方实际埋深与下方隧道开挖跨度的4.2倍之和，根据工程资料，选线YK16+595～YK16+610段最大埋深92 m，因此，取139 m作为模型高度，沿施工掘进方向作为模型宽度方向，故计算模型尺寸为：98 m×15 m×139 m（长×宽×高），模型边界选取示意图如图5所示。相应边界条件设置为位移边界条件，左右两侧约束X方向位移，前后两侧约束Y方向位移，底部约束Z方向位移，地表面不添加约束，为自由边界。溶洞处置前后的三维有限元模型如图6和图7所示。
图 6 溶洞处置前三维开挖模型（单位：m）Figure 6. 3D excavation model before disposal of karst cave (unit: m)
图 7 溶洞回填后三维开挖模型（单位：m）Figure 7. 3D excavation model of karst cave after backfilling (unit: m)4.3 本构模型及参数选取
隧道围岩选择三维实体单元进行模拟，钢花管注浆加固区考虑提升围岩的力学参数［31-32］进行模拟，初期支护选取2D板单元进行模拟，钢花管采用梁单元进行模拟，锁脚锚杆采用1D植入式桁架进行模拟。二次衬砌作为安全性储备，本次建模不予考虑。
根据刚度等效公式计算结果，本次有限元建模将初期支护中的钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土［33］。根据工程地质勘察资料以及室内实验综合确定的围岩及支护结构参数可见表5。
表 5 围岩及支护结构物理力学参数Table 5.Physical and mechanical parameters of surrounding rocks and support structures 材料 容重（γ）/kN 
弹性模量（E）/MPa 粘聚力（c）/kPa 内摩擦角（φ）/º 泊松比（ν） 坡积土 19.0 300 20 20 0.400 灰岩 25.0 39 100 97 42 0.262 注浆加固区 25.0 43 000 970 50 0.240 M7.5浆砌片石 14.5 24 600 760 28 0.270 C30钢筋混凝土板 24.0 22 000 — — 0.200 回填洞渣 15.5 20 600 430 30 0.220 块石 22.1 38 000 97 35 0.250 初期支护 24.0 28 000 — — 0.250 Φ42×4钢花管 78.5 210 000 — — 0.300 Φ20药卷锚杆 78.5 210 000 — — 0.300 5 计算结果
5.1 围岩位移分析
（1）溶洞处置前后围岩的总位移图如图8所示。从图8中a、b可知，溶洞处置前后围岩的总位移值均在限值范围之内。溶洞处置前，隧道贯通后围岩总位移在-4.671~3.575 mm变化，溶洞处置后围岩总位移在-3.148~1.945 mm内变化，溶洞经过处置后，围岩最大沉降值降低1.523 mm，同比降低32.6%；围岩最大隆起值降低1.63 mm，同比降低45.5%。
（2）为直观反映溶洞处置效果，选取y=3 m、y=6 m、y=12 m和y=15 m 4个监测断面，每个断面选取拱顶测点作为沉降特征点，溶洞处置前后各断面的拱顶沉降计算值见表6。
表 6 左右线隧道典型断面处拱顶位移Table 6.Arch displacement at typical section of left and right tunnel 拱顶测点沉降值 y=3 m y=6 m y=12 m y=15 m 处置前 处置后 处置前 处置后 处置前 处置后 处置前 处置后 左线 -3.344 -3.098 -3.631 -3.064 -3.619 -3.054 -3.605 -3.040 右线 -2.311 -1.820 -2.317 -1.824 -2.341 -1.846 -2.391 -1.888 从表6可知，左线隧道溶洞处置前拱顶最终沉降值在-3.344~-3.631 mm之间，拱顶沉降最大值出现在y=6 m断面。左线隧道溶洞处置后沉降最大值减少0.567 mm，同比减小15.6% ，最小值减少0.246 mm，同比减小7.3%。右线隧道溶洞处置前拱顶最终沉降值在2.311~2.391 mm之间，拱顶沉降最大值出现在y=15 m断面。右线隧道溶洞处置后沉降最大值减少0.503，同比减少21%，最小值减少0.491 mm，同比减少21.2%，这表明溶洞处置后可有效降低左、右线隧道的拱顶最终沉降量，降低隧道的安全隐患。
5.2 锚杆轴力分析
溶洞处置前后隧道系统锚杆的轴力图如图9所示。从图9中a、b可知，溶洞处置前后隧道系统锚杆基本受拉，极少部分锚杆受压，从锚杆的受力云图可知溶洞处置前后系统锚杆可以有效发挥其悬吊作用。溶洞处置前隧道系统锚杆轴力最大值为35.37 kN，溶洞处置后隧道系统锚杆轴力最大值为32.48 kN，经处置，隧道轴力最大值降低2.89 kN，同比降低32.6%。
5.3 塑性区分布特征
溶洞处置前后围岩的塑性区分布云图如图10所示。
图 10 溶洞处置前后围岩塑性区分布云图a.Figure 10. Distribution diagram of surrounding rock plasticity before and after karst cave disposala.
图 10 溶洞处置前后围岩塑性区分布云图b.Figure 10. Distribution diagram of surrounding rock plasticity before and after karst cave disposalb.
图 10 溶洞处置前后围岩塑性区分布云图c.Figure 10. Distribution diagram of surrounding rock plasticity before and after karst cave disposalc.
图 10 溶洞处置前后围岩塑性区分布云图d.Figure 10. Distribution diagram of surrounding rock plasticity before and after karst cave disposald.（1）从图10中a、c可知：①围岩塑性区主要集中在隧道拱部以下区域，塑性区并没有向上发展；②左、右侧隧道仰拱至拱顶区域基本处于塑性松动状态，中岩柱左侧区域处于塑性松动状态，中岩柱右侧区域只处于塑性承载状态，这是因为左线隧道开挖对其右侧中岩柱围岩扰动影响较大，而右线隧道右侧是溶腔区，隧道开挖没有扰动溶腔区；③整个溶腔左侧区域处于塑性承载状态，而其右侧区域处于塑性松动状态，溶腔左侧相对右侧较安全；④ 溶洞内原有洞渣左上侧一定区域内围岩处于塑性松动状态，右上侧一定区域处于塑性承载状态。由此说明溶腔未处置前左、右线隧道中间岩柱区、溶腔洞壁以及其原有回填洞渣左右侧围岩处于不稳定状态，右线隧道开挖会造成溶洞围岩处于塑性松动状态。
（2）从图10中b、d可知：围岩塑性区仅在左、右线隧道两侧边墙范围分布，左、右线隧道中岩柱区域明显由塑性松动区变成弹性区，且整个下侧原有的溶腔区也由塑性松动区变成塑弹性区，这说明溶洞经回填后有效限制了围岩塑性区的向下发展，显著提高了隧道中岩柱的安全性。
5.4 Von—Mises等效应力分析
溶洞处置前后的等效应力云图如图11，在断面y=6 m截面选取7个位置，分别为左线隧道左、右两侧拱腰，右线隧道右侧拱腰，右侧隧道仰拱以上镂空位置中央部位，溶洞左、右两侧洞壁下方10 m位置以及原有洞渣上方中央位置。这7个位置处的V—M等效应力值如表7。
图 11 溶洞处置前后V—M等效应力云图a.Figure 11. Cloud chart of V-M equivalent forces before and after cave disposala.
图 11 溶洞处置前后V—M等效应力云图b.Figure 11. Cloud chart of V-M equivalent forces before and after cave disposalb.表 7 围岩不同位置V—M等效应力值Table 7.Equivalent stress values of V-M at different positions of surrounding rocks 溶洞情况 左线隧道左拱腰 左线隧道右拱腰 右线隧道右拱腰 右线隧道仰拱以上镂空位置中央部位 溶洞左侧洞壁下方10 m位置 溶洞右侧洞壁下方10 m位置 原有洞渣上方中央位置 处置前 2.326 4.812 7.680 4.379 2.711 7.810 4.690 处置后 1.603 4.289 2.112 4.317 1.190 0.909 3.661 （1）从图11中a、b可知，溶洞处置前围岩V—M等效应力在0.012~7.533 MPa之间，其中左、右线隧道拱腰位置、中岩柱围岩V—M等效应力在2.519~5.026 MPa之间，其值相对较大，说明隧道拱腰位置、中岩柱最容易出现塑性破坏，同时表明上述中岩柱与隧道拱腰塑性区云图的合理性。溶洞处置后围岩V—M等效应力在0.012~6.555 MPa之间，溶洞处置后围岩V—M等效应力最小值基本不变，最大值降低0.798 MPa，同比降低10.6%；同时，左、右线隧道拱腰位置V—M等效应力相对较大，其值在2.193~4.374 MPa之间，同样是隧道最容易出现塑性破坏的区域，符合图10b塑性区分布特征，而隧道中岩柱V—M等效应力在1.103~2.738 MPa之间，显然溶洞回填可有效降低隧道中岩柱的V—M等效应力，提高中岩柱的稳定性。
（2）从表7可知，左线隧道的左、右拱腰以及右线隧道镂空位置中央部位等效应力值在溶洞处理前后变化较小，而右线隧道的右拱腰部位以及溶洞右侧洞壁下方10 m位置等效应力值变化较大，同比降低72.5%和88.4%，回填处理加固效果比较显著，有限控制了中部岩柱稳定性，溶洞采取回填的处理方式可有效控制围岩的塑性变形，施工中应保证回填压实质量。
6 处置效果评定
为确保施工安全同时并验证回填方案的合理性，该溶洞经回填处置后，以右线隧道里程YK16+595所在断面作为典型测试断面，同时布置一定数量的监测点及时获取该隧道断面处累计拱顶沉降以及累计周边收敛随监测时间的响应情况，通过及时将监控量测信息快速反馈于现场施工人员，用以指导现场施工进度安排和采取及时支护措施，最大程度降低隧道施工安全隐患和维持隧道围岩稳定性，监测时长为1个月，隧道拱顶累计沉降、累计周边收敛曲线随监测时长变化曲线如图12所示。
图 12 累计变形与监测时长关系Figure 12. Relationship between cumulative deformation and monitoring time从图12可知，溶洞经处置后，监测初期该断面的拱顶累计沉降与累计收敛随监测时间逐渐增大，变形速率相对较大，但在以后的监测过程中其变化速率逐渐减缓，从而可判断此时隧道围岩变形已逐渐趋于稳定，最终监测得到隧道拱顶累计沉降与累计收敛变形量分别为3.41 mm和3.56mm，并未超过规范报警值。而且至隧道2016年揭示溶洞以来，经处置后期间也均未产生突泥、涌水事故，因此也证明了该溶洞回填技术方案是可行的。
7 结 论
本文依托卡罗Ⅱ号隧道深埋式小净距中部发育溶洞回填处理实际工程，通过选取典型设计断面，建立溶洞处置前后三维隧道开挖数值模型，对比两种溶洞处置前后围岩变形、锚杆轴力、塑性区分布规律，并以典型测试断面的实际监测成果验证该技术方案的合理性，主要得出如下结论：
（1）借助文献调研手段，初步确定直接填堵法为该无充填大型溶洞处置手段，结合隧道施工概况以及岩溶发育以及地下水状况，提出溶洞回填和桥梁跨越两种方案，并在经济、技术方面进行比较，综合确定洞渣回填为本隧道溶洞处置方案；
（2）溶洞经过处置后，围岩最大沉降值降低1.523 mm，同比降低32.6%，围岩最大隆起值降低1.63 mm，同比降低45.5%，并分析典型断面的拱顶测点沉降情况，左、右线隧道处置前后其沉降峰值分别降低15.6%和21%；
（3）溶洞处置前后隧道系统锚杆基本受拉，极少部分锚杆受压，可有效发挥其悬吊作用，处置后，隧道轴力最大值降低2.89 kN，同比降低32.6%；
（4）经回填后围岩塑性区仅分布于左、右线隧道两侧边墙，中岩柱区域和下侧原有的溶腔区，明显由塑性松动区变成弹性区，回填显著提高了隧道中岩柱的安全；
（5）经溶洞回填处置后，初期隧道累计拱顶沉降、变形收敛速率随监测时长逐渐增大，但在随后监测过程中速率逐渐减缓，最终累计拱顶沉降、收敛变形为3.41 mm和3.56 mm，小于规范报警值，且后期该隧道也并未产生突泥和涌水现象，从而进一步佐证了该技术方案的合理性。
1) 崔 炫，胡 强.深埋公路隧道溶洞处置效果分析与隧道结构响应规律研究［J］.中国岩溶，2022，41（1）：34-46.2) -
图 6 溶洞处置前三维开挖模型（单位：m）
Figure 6. 3D excavation model before disposal of karst cave (unit: m)
图 7 溶洞回填后三维开挖模型（单位：m）
Figure 7. 3D excavation model of karst cave after backfilling (unit: m)
图 12 累计变形与监测时长关系
Figure 12. Relationship between cumulative deformation and monitoring time
溶洞发育特点 溶洞处理手段 处理工艺简介 典型工程举例 拱腰及以上 护拱法 隧道衬砌顶部施做护拱，在护拱上做浆砌回填 宜万铁路云雾山隧道526和617组合溶腔 拱顶 长管棚法 掌子面前方超前大管棚支护 宜万铁路齐岳山隧道 暂停发育、无水 直接填堵法 混凝土、浆砌片石和干砌片石等密实回填封闭 田德铁路陇外隧道、那丘隧道 拱顶、边墙位置 钢支撑法 两侧采用钢支撑进行锚喷支护 宜万铁路龙麟宫隧道2号溶腔 基底 托梁＋板、梁跨方案 先用弃渣进行回填，其次可以用“托梁＋钢筋混凝土板”跨越溶洞洞穴 南阳一隧道 基础以及路面下 桩基托梁板跨 桩基础伸入溶洞围岩，然后施作桥梁跨越 中老铁路朋松楠松河特大桥、锦屏二级水电站4号引水隧洞 基底 注浆加固 先利用弃渣回填并进行注浆加固，待回填体沉降稳定以后浇筑混凝土底板 新建杭州至长沙铁路客运专线 (江西段) HKJX-3标五分部进贤特大桥 基底 筑拱施工 底板溶洞口经合理开挖和及时支护以后设计为拱桥基础支座 锦屏二级水电站中3号引水隧洞岩溶处理工程 发育纵深不小于30 ｍ 充填处置 密实分层压填 黔张常铁路高山隧道、成贵铁路玉京山隧道 
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表 2 隧道支护设计参数
Table 2.
Design parameters of tunnel support 材料 质量 重量 工字钢Ⅰ14 454.3 kg 二衬钢筋 941.87 kg C30二衬混凝土 47 300 kg 围岩压力 100 kPa 总计 586.9 kN
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表 3 处置方案对比分析
Table 3.
Comparative analysis of disposal schemes 方案 优点 缺点 洞渣回填通过 施工简单，施工周期短，风险低，造价低 填筑方量较大，若第一层回填大块石时不严格按设计要求的尺寸进行施工，可能会局部堵塞过水通道，但可避免 桥跨方案通过 直接跨越溶洞，不对溶洞进行干扰 施工复杂，施工周期长，中间岩柱太薄导致风险高，造价高
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表 4 隧道衬砌支护参数
Table 4.
Lining support parameters of tunnel 支护类型 喷射混凝土 钢筋网 环向小导管 锁脚锚杆 系统锚杆 型钢钢架 超前支护 初期支护 C20厚20 cm 单层Φ625×25 cm Φ42×4钢花管间距1.0×1.2 m 左侧 右侧 3 m Φ20药卷锚杆间距1.0×1.2 m Ⅰ14工字钢架间距1.0 m 4 mΦ42×4钢花管间距100×40 cm 3 mΦ42×4钢花管 3 mΦ20药卷锚杆 二次衬砌 混凝土 40 cm厚C30钢筋混凝土
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表 5 围岩及支护结构物理力学参数
Table 5.
Physical and mechanical parameters of surrounding rocks and support structures 材料 容重（γ）/kN 弹性模量（E）/MPa 粘聚力（c）/kPa 内摩擦角（φ）/º 泊松比（ν） 坡积土 19.0 300 20 20 0.400 灰岩 25.0 39 100 97 42 0.262 注浆加固区 25.0 43 000 970 50 0.240 M7.5浆砌片石 14.5 24 600 760 28 0.270 C30钢筋混凝土板 24.0 22 000 — — 0.200 回填洞渣 15.5 20 600 430 30 0.220 块石 22.1 38 000 97 35 0.250 初期支护 24.0 28 000 — — 0.250 Φ42×4钢花管 78.5 210 000 — — 0.300 Φ20药卷锚杆 78.5 210 000 — — 0.300
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表 6 左右线隧道典型断面处拱顶位移
Table 6.
Arch displacement at typical section of left and right tunnel 拱顶测点沉降值 y=3 m y=6 m y=12 m y=15 m 处置前 处置后 处置前 处置后 处置前 处置后 处置前 处置后 左线 -3.344 -3.098 -3.631 -3.064 -3.619 -3.054 -3.605 -3.040 右线 -2.311 -1.820 -2.317 -1.824 -2.341 -1.846 -2.391 -1.888
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表 7 围岩不同位置V—M等效应力值
Table 7.
Equivalent stress values of V-M at different positions of surrounding rocks 溶洞情况 左线隧道左拱腰 左线隧道右拱腰 右线隧道右拱腰 右线隧道仰拱以上镂空位置中央部位 溶洞左侧洞壁下方10 m位置 溶洞右侧洞壁下方10 m位置 原有洞渣上方中央位置 处置前 2.326 4.812 7.680 4.379 2.711 7.810 4.690 处置后 1.603 4.289 2.112 4.317 1.190 0.909 3.661
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薛国强. 深部复杂条件下岩溶隧道破坏机理及控制对策研究［D］.太原：太原理工大学，2018.XUEGuoqiang. Study on Failure Mechanism and Control Measures of Karst Tunnels under Deep and Complicated Conditions［D］. Taiyuan：Journal of Taiyuan University of Technology，2018. 许兆义，李志义，白明洲，赵西民，雷军，王成亮.近接溶洞条件下隧道施工掌子面变形破坏特征数值分析［J］.中国铁道科学，2011，32（4）：46-52.XUZhaoyi， LIZhiyi， BAIMingzhou， ZHAOXimin， LEIJun， WANGChengliang. Numerical Analysis on the Features of Deformation and Damage of Tunnel Face in the Course of Construction under the Condition of Coming Close to Karst Cave［J］. China Railway Science， 2011，32（4）：46-52. 王廷伯，宋瑞刚，周秋爽.基于PFC的岩溶空洞稳定性数值模拟分析［J］.公路，2017，62（7）：330-334.WANGTingbo， SONGRuigang， ZHOUQiushuang. Numerical simulation analysis of karst cavity stability based on PFC［J］. Highway，2017，62（7）：330-334. 靳红华，王林峰，杨培丰，宋男男.降雨与岩溶渗漏联合作用下岩溶塌陷稳定性分析［J］.人民长江，2019，50（9）：105-112.JINHonghua， WANGLinfeng， YANGPeifeng， SONGNannan. Stability analysis of karst collapse considering joint effect of rainfall infiltration and groundwater leakage［J］. Yangtze River，2019，50（9）：105-112. 王志杰，唐力，蒋新政，侯伟名，徐海岩，季晓峰.大断面公路隧道临近溶洞开挖稳定性模型试验研究［J］.隧道建设，2019，39（S1）：16-24.WANGZhijie， TANGLI， JIANGXinzheng， HOUWeiming， XUHaiyan， JIXiaofeng. Model Test on Stability of Large Cross-section Highway Tunnel Adjacent to Caverns［J］. Tunnel Construction，2019，39（S1）：16-24. 赵明阶，敖建华，刘绪华，王彪.岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响的模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004（2）：213-217.ZHAOMingjie， AOJianhua， LIUXuhua， WANGBiao. MODEL TESTING RESEARCH ON INFLUENCE OF KARST CAVE SIZE ON STABILITY OF SURROUNDING ROCKMASSES DURING TUNNEL CONSTRUCTION［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004（2）：213-217. 赵明阶，刘绪华，敖建华，王彪.隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析［J］.岩土力学，2003（3）：445-449.ZHAOMingjie， LIUXuhua， AOJianhua， WANGBiao. Numerical analysis of influence of karst caves in top of tunnel on stability of surrounding rock masses［J］. Rock and Soil Mechanics，2003（3）：445-449. 程巧建.隧道岩溶超前探测及溶洞处理技术研究［J］.公路，2020，65（5）：357-362.CHENGQiaojian. Study on Tunnel karst advanced detection and karst cave treatment technology［J］. Highway，2020，65（5）：357-362. 卓旭炀.盾构隧道穿越软塑红粘土覆盖型岩溶区的处理方法［J］.现代隧道技术，2019，56（6）：196-202.ZHUOXuyang. Countermeasures for the Shield Tunnel Passing through the Karst Area Overlying Soft Plastic Red Clays［J］. Modern Tunnelling Technology，2019，56（6）：196-202. 张亚龙，田奎.栗木山隧道大型溶洞处理施工技术［J］.公路，2019，64（9）：196-199.ZHANGYalong， TIANKui. Construction technology of large karst cave treatment in Limushan tunnel［J］. Highway， 2019，64（9）：196-199. 康勇，杨春和，张朋.浅埋岩溶隧道灾变机制及其防治［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（1）：149-154.KANGYong， YANGChunhe， ZHANGPeng. DISASTER-INDUCED MECHANISM AND ITS TREATMENT IN SHALLOW-BURIED KARST TUNNEL［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（1）：149-154. 王波，汲红旗，梁贺. 监控量测技术在岩溶隧道施工中的应用［J］. 公路交通科技（应用技术版）， 2009， 5（10）： 161-163.WANGBo， JIHongqi， LIANGHe. Application of monitoring and measuring technology in karst tunnel construction［J］. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，5（10）：161-163. 谭代明，漆泰岳，莫阳春. 侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2009， 28（S2）： 3497-3503.TANDaiming， QITaiyue， MOYangchun. NUMERICAL ANALYSIS AND RESEARCH ON SURROUNDING ROCK STABILITY OF LATERAL KARST CAVE TUNNEL ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（S2）：3497-3503. 徐长金，樊浩博，赖金星.溶洞对岩溶隧道稳定性影响的数值模拟分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2013，9（6）：175-177.XUChangjin， FANHaobo， LAIJinxing. Numerical simulation analysis of the influence of karst cave on the stability of Karst Tunnel［J］. JJournal of Guizhou University of Finance and Economics，2013，9（6）：175-177. 李雄周，王星星，秦之富. 云南省某高速公路隧道岩溶段处治技术研究［J］. 地下空间与工程学报， 2017， 13（S1）： 433-441.LIXiongzhou， WANGXingxing， TAIZhifu. Study on Treatment Technology of Karst Section of a Highway Tunnel in Yunnan Province［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2017，13（S1）：433-441. 蒋武军，鄢定媛，王明明，李煜，陈骅伟，蒋冲，陈兆.特大型溶洞回填体基桩荷载—沉降规律与计算研究［J］.岩土工程学报，2017，39（S2）：67-70.JIANGWujun， YANDingyuan， WANGMingming， LIYu，CHENHuawei，JIANGChong，CHENZhao. Load-settlement rules and calculation of foundation piles in karst cave［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2017，39（S2）：67-70. 程灏，胡兴.某岩溶隧道支护结构的处治效果分析［J］.贵州大学学报（自然科学版），2016，33（3）：126-130.CHENGHao， HUXing. Analysis of treating effect of supporting structure of a karst tunnel［J］. Journal of Guizhou University（Natural Sciences） ，2016，33（3）：126-130. 冯海暴，郭庆杰，张骏，陈鑫普.岩溶地区隧道跨越超大富水溶洞处理技术［J］.煤炭工程，2013，45（4）：41-43.FENGHaibao， GUOQingjie， ZHANGJun， CHENXinpu. Treatment technology of tunnel crossing super large water rich karst cave in karst area［J］. Coal Engineering，2013，45（4）：41-43. 黄福谦，曾钢.隧道穿越溶洞桩梁处治新方法应用研究［J］.公路工程，2018，43（4）：235-241.HUANGFuqian， ZENGGang. A Comprehensive Research on Pile and Beam Treatment Method Crossing in the Full-section of Tunnel Cavity［J］. Highway Engineering，2018，43（4）：235-241. 申志军.宜万铁路隧道复杂岩溶及断层处理技术［J］.铁道标准设计，2010（8）：62-67，77.SHENZhijun. Complex karst and fault treatment technology of Yiwan Railway Tunnel［J］. Railway Standard Design，2010（8）：62-67，77. 毕树峰.岩溶区高速铁路桩基础施工溶洞处理技术研究［J］.中外公路，2014，34（5）：200-202.BIShufeng. Study on treatment technology of karst cave in pile foundation construction of high-speed railway in karst area［J］.Journal of China & Foreign Highway，2014，34（5）：200-202. 张欣.田德铁路陇外隧道巨型溶洞的处理［J］.铁道运营技术，2011，17（2）：29-31.ZHANGXin. Treatment of giant karst cave in Longwai tunnel of Tiande Railway［J］. Railway Operation Technology，2011，17（2）：29-31. 黄胤超，王少辉，杨凤华.那丘隧道廊道厅堂式溶洞处治方案比选［J］.公路交通技术，2016，32（1）：109-112.HUANGYinchao， WANGShaohui， YANGFenghua. Comparison and Selection of Treatment Schemes for Hall Type Caves in Corridor of Naqiu Tunnel［J］. Technology of Highway and Transport，2016，32（1）：109-112. 李强，秦余顺.中老铁路桥梁桩基岩溶处理施工技术研究［J］.中国岩溶，2019，38（4）：607-611.LIQiang， QINYushun. Technologies to deal with karst caves beneath pile foundation of the big bridge on the Laos-China railway［J］. Carsologica Sinica，2019，38（4）：607-611. 马文波，宋威.锦屏二级水电站引水隧洞岩溶段处理措施及施工［J］.人民长江，2015，46（20）：63-66.MAWenbo， SONGWei. Treatment measure and construction method for karst section of diversion tunnel of Jinping Hydropower Station［J］. Yangtze River，2015，46（20）：63-66. 薛斌，申志军.宜万铁路隧道岩溶规模化处治技术［J］.铁道标准设计，2010（8）：68-72.XUEBin， SHENZhijun. Large scale treatment technology of karst in Yiwan Railway Tunnel［J］. Railway Standard Design，2010（8）：68-72. 盛莉. 齐岳山岩溶隧道施工处理［J］. 铁道建筑， 2009（5）： 61-64.SHENGLi. Construction treatment of Qiyueshan karst tunnel［J］. Railway Engineering，2009（5）：61-64. 王军，郭毕钧，冯国森，刘同江，孙亚飞，朵生君，于明洋.巨型溶洞回填处置与超厚回填体沉降机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2020，39（3）：608-620.WANGJun， GUOBijun， FENGGuosen， LIUTongjiang，SUNYafei，ShengjunDUO，YUMingyang. Study on backfill treatment of huge karst caves and settlement mechanism of super thick backfill［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2020，39（3）：608-620. 张祥，梁雄，陈健，阳军生，彭雨杨. 隧道穿越巨型溶洞弃碴回填体注浆加固技术研究［J］. 现代隧道技术， 2019， 56（S2）： 525-531.ZHANGXiang， LIANGXiong， CHENJian， YANGJunsheng，PENGYuyang. Study on Grouting Reinforcement of Waste Muck Backfills for Tunnel Passing through Giant Karst Cave［J］. Modern Tunnelling Technology，2019，56（S2）：525-531. 关宝树. 隧道工程设计要点集［M］. 北京：人民交通出版社， 2003.GUANBaoshu. Key points of tunnel engineering design［M］. Beijing：China Communication Press， 2003. 寇鼎涛，高太平，闫建龙，申健昊，李刚，李昊炎，沈宇鹏.四线隧道密贴下穿既有地铁车站注浆加固圆砾石地层效果研究［J］.铁道标准设计，2020，64（12）：94-100.KOUDingtao， GAOTaiping， YANJianlong， SHENJianhao，LIGang，LIHaoyan，SHENYupeng. Research on the Effect of Grouting Reinforcement of Gravel Stratum in the Four-line Tunnel Closely Undercrossing the Existing Metro Station［J］. Railway Standard Design，2020，64（12）：94-100. 曾祥国，赵师平，姚安林，石宵爽，王清远，许书生.小净距公路隧道小导管注浆工艺对围岩稳定性影响的有限元分析［J］.四川大学学报（工程科学版），2008（4）：1-6.ZENGXiangguo， ZHAOShiping， YAOAnlin， SHIXiaoshuang，WANGQingyuan，XUShusheng. Finite Element Analysis of Small Duct Grouting Effect on Surrounding Rock Stability at Small Interval Highway Tunnel［J］. Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2008（4）：1-6. 宋卫东，谢政平，张继清.天坛东门站浅埋暗挖施工顺序对地表沉降影响的数值模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（S2）：5773-5778.SONGWeidong， XIEZhengping， ZHANGJiqing. NUMERICAL ANALYSIS OF GROUND SURFACE SUBSIDENCE CAUSED BY CONSTRUCTION ORDERS OF SHALLOW EXCAVATION METHOD AT TIANTAN EAST-STATION［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（S2）：5773-5778. 期刊类型引用(8)
1. 王德双. 喀斯特地区盾构隧道施工安全性数值分析. 凿岩机械气动工具. 2025(02): 34-36 . 
百度学术2. 王维，徐博，杨忠超. 双线高铁隧道跨越巨型溶洞先掘后探施工技术研究. 建筑技术开发. 2024(05): 54-57 . 百度学术3. 王楷翔，王晓涛，宫亮，黄丹. 考虑时空效应的岩溶隧道围岩稳定性分析. 中国岩溶. 2024(03): 717-726 . 
本站查看4. 王义乾，刘远明，杨智成，王忠星，牙兰开，程家军，田茂亮，杨超. 上伏溶洞对深埋特大断面隧道的稳定性影响及其安全距离. 科学技术与工程. 2024(35): 15249-15259 . 百度学术5. 司银强. 石黔高速马武隧道溶洞处理施工技术分析. 四川水泥. 2023(03): 233-235 . 百度学术6. 程敬克. 雁鹅山深埋公路隧道溶洞处置措施及有限元分析. 兰州工业学院学报. 2023(01): 16-21 . 百度学术7. 肖西建，张嵩，晏克珍，杨彦辉，刘修麟. 长大隧道洞内短跨径拱桥穿越正交溶洞施工技术. 建筑施工. 2023(02): 360-362+370 . 百度学术8. 朱丹晖，聂浩. 大溶腔小跨度公路隧道溶洞处理方案研究. 铁道勘察. 2023(06): 144-150+162 . 百度学术其他类型引用(1)
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