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

崔炫; 胡强

doi:10.11932/karst2022y001

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

doi: 10.11932/karst2022y001

崔炫,
胡强

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳　550008

详细信息

作者简介:
崔炫（1987-）,男,高级工程师, 主要从事隧道设计工作或研究。E-mail: 7937803@qq.com。

中图分类号: U455.49
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-17
- 发布日期: 2022-02-25
- 刊出日期: 2022-02-25

Research on treatment effect of karst cave in deep-buried highway tunnel and response law of tunnel structure

CUI Xuan,
HU Qiang

Guizhou Transportation Planning Survey &Design Academe Co.， Ltd.，Guiyang， Guizhou 550008，China

摘要

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。
- 公路隧道 /
- 小净距 /
- 数值计算 /
- 溶洞回填 /
- 桥梁跨越 /
- 优化分析 /
- 结构响应规律
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.
- highway tunnel /
- short clear distance /
- numerical calculation /
- cave backfilling /
- bridge crossing /
- optimization analysis /
- structural response law
注释:

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)

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图 1 隧道地质剖面

Figure 1. Geological section of tunnel

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图 2 隧道平面图

Figure 2. Geological plan of tunnel

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图 3 卡罗Ⅱ号隧道溶洞溶腔形态图

Figure 3. Morphology of karst cavity of Karo Ⅱ tunnel

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图 4 溶洞回填剖面图（单位：cm）

Figure 4. Profile of karst cave backfilling (unit: cm)

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图 5 模型边界选取示意图（单位：m）

Figure 5. Schematic diagram of model boundary selection (unit: m)

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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)

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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)

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a. 溶洞处置前

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b. 溶洞处置后

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a. 溶洞处置前

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b. 溶洞处置后

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a. 溶洞处置前围岩塑性区正视图

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b. 溶洞处置前围岩塑性区正视图

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c. 溶洞处置前围岩塑性区俯视图

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d. 溶洞处置前围岩塑性区俯视图

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a. 溶洞处置前V—M等效应力云图

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b. 溶洞处置后V—M等效应力云图

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图 12 累计变形与监测时长关系

Figure 12. Relationship between cumulative deformation and monitoring time

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表 1 无充填物大型溶洞处理手段案例统计^［20-29］

Table 1. Case statistics of large karst cave without filling

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
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	3 mΦ42×4钢花管	3 mΦ20药卷锚杆	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
二次衬砌	混凝土
二次衬砌	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∙m^-³	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
拱顶测点沉降值	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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