隧道侧部侵入充填型溶洞雷达探测及注浆模拟★

李国伟 王伟龙 白雅伟 林广东 胡继波

(1.河南省尧栾西高速公路建设有限公司，河南 郑州 410000；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064； 3.中交一公局集团有限公司，陕西 西安 710000)

在岩溶区公路隧道施工中，需要进行针对性地质预报，在揭露岩溶前，准确探测溶洞的发育范围及形态对于溶洞处治及施工安全是非常重要的。孙柏林等以保宜高速公路尚家湾隧道为例，利用综合地质预报方案成功探测了较大范围充填型溶洞，并根据地质预报结果出具了处治意见。徐贵辉系统研究了TSP及地质雷达在岩溶地区的应用。对于特定的岩溶状况，进行针对性的地质预报是岩溶区隧道施工的重要保障。

溶洞处治一直是隧道施工及设计技术人员的难题，溶洞填充物往往自稳能力较差，因此需要较强的支护参数以保证隧道顺利通过。宋战平系统研究了不同方位空腔溶洞对圆形隧道围岩的影响；谭代明、傅琼阁利用数值模拟研究了侧部空腔溶洞对隧道围岩的影响，发现侧部空腔溶洞的存在会使隧道围岩处于明显的偏压受力状态；雷明锋等经过实验研究发现偏压荷载会使隧道结构不同位置的破坏形态和破坏类型呈现明显的差异，在实际施工过程中应采取针对性处治措施。

通过对已有文献分析发现地质雷达在豫西地区溶洞探测中的应用案例较少，文献中对于侧部充填型溶洞引起的隧道围岩偏压效应及其处治的研究较少。本文依托河南省郑西高速公路下营隧道，对下营隧道大型充填型溶洞进行地质预报，总结下营隧道充填型溶洞的地质雷达图像特点。并对侧部侵入充填型溶洞处治方案进行数值模拟，研究侧部侵入充填型溶洞对隧道围岩受力和初支结构变形的影响，对不同处治深度计算结果进行对比，优化溶洞处治方案，指导隧道设计和施工，对后续工程提供一定的借鉴意义。

1 下营隧道工程概况及溶洞探测

1.1 工程概况

1.2 溶洞探测

地质雷达利用接收电性差异介质界面反射回的电磁波来探测地下介质体的性质[13]。电磁波反射系数R用来表示反射信号的强度，公式如下[14]：

(1)

其中，ζ1,ζ2分别为不同介质的相对介电常数。

下营隧道在正常施工中持续以地质雷达作为超前地质预报手段，每次探测30 m搭接5 m。采用劳雷SIR-4000地质雷达，现场雷达参数设置为劳雷公司岩质地质预报推荐参数。RADAN7数据处理时设置FIR滤波器低通频率300，高通频率25，水平背景清除1 000～2 000，摆动参数设置填充正值，即正向较强振幅会填充为黑色，填充水平90，填充规模16。

如图3a)为下营右线K121+545～K121+515段地质预报图像，图3b)为下营隧道已开挖无任何地质灾害段的雷达图像，对比可知在K21+545掌子面前方约25 m处雷达信号出现强反射，存在地质异常体，根据该雷达图像特点及大理岩岩体性质，结合就近项目已出现溶洞的经验，初步判断该地质异常体为溶洞。当掌子面开挖到K121+522位置时，掌子面、左边墙(面朝掌子面，下同)及隧道底板均发现充填型溶洞，见图4。由图4可知，图3a)中的强反射是溶洞充填物的反射图像。

由图3b)可看出在岩性较好时雷达信号同轴像波形整体连续，信号呈正常递减趋势，波形变化平稳。在开挖中也已证明该图像段岩体为较硬岩，岩体整体稳定性较好，节理较少，呈块状构造。

结合图4，对比分析图3可以看出，因溶洞充填物与大理石围岩相对介电常数差异较大，且该地区溶洞充填物很不均匀，黏土与砂及碎石分布不一，雷达信号在频繁穿过介电常数差异较大的岩层时就会产生强烈反射。从图3a)可以看出下营隧道充填型溶洞雷达图像会表现出以下特点：

1)频率出现急剧但有规律的变化，在溶洞区以均匀的低频信号为主；

2)信号振幅强，波形均一，同相轴较为连续、规则，且存在多次震荡信号；

3)在图像填充后有较明显的强正向振幅填充区域，可较为直观的看到隧道横向发展界限。

作者简介： 高卉群，女，吉林大安人，吉林省大安市安广中学校，教导处主任，高级教师，研究生，研究方向：高效课堂。

利用地质雷达重演性高的特点，在前述充填型溶洞图像特点的基础上对该溶洞侧部发育形态进行探测，本次地质雷达测线布设方案如图5所示。使用RADAN7软件对雷达数据进行处理，处理后的雷达图像见图6。此处插入三幅较典型雷达图像。

根据图6可得下营隧道侧部充填型溶洞的发育范围。1号异常：溶洞横向界限与竖向发展趋势较明显，位于K121+528～K121+517范围内左拱脚位置，垂直初支表面向围岩延伸22 m～25 m，侵入隧道最大范围5 m，最大发育范围处于K121+522～K121+517桩号，拱顶发育范围小于3 m且发育不明显。2号异常：溶洞横向界限较明显，位于K121+525～K121+517，宽度约3 m，其规模大于100 MHz 天线常规探测深度(30 m)，即垂直向下延伸约为34 m。

2 溶洞处治措施数值分析

根据地质预报结果，综合该溶洞已发育成熟且地下水不发育，充填物偏向砂性土的特点，专家会讨论分析采用加强支护及径向注浆的方法处治该溶洞。对于底部小宽度溶洞，采用换填及注浆加固换填物的方法处理。对于侧部较大范围的溶洞，考虑到隧道右侧围岩较好，为Ⅳ级围岩，左侧围岩为溶洞充填物，会产生较明显的偏压，不利于隧道结构受力。决定对溶洞范围拱部及边墙采用φ42 小导管进行径向注浆(水泥砂浆)加固，小导管间距1 m，梅花形布置。将设计支护类型由Ⅲ级改为Ⅴ级，超前支护采用双层小导管。处理方案根据与会专家工程经验所得，对于处理深度选取进行数值模拟，提供数值计算支持，以保证溶洞处理方案的可靠性。

2.1 模型建立

运用ABAQUS“国际通用”有限元软件进行模拟，该软件对于接触及非线性工况模拟效果较好，可较真实的模拟支护结构与围岩之间的协调受力[15]。选择K121+522～K121+517范围进行数值模拟，该段埋深约75 m，隧道开挖宽度12.72 m，开挖高度10.25 m。溶洞发育范围简化为矩形，上边界高出隧道顶部3 m，下边界与隧道拱脚齐平，垂直隧道左边墙发育25 m，侵入隧道5 m。模型选择实际尺寸大小，为降低边界效应的干扰，考虑到溶洞主要在隧道的左部，发育范围25 m，隧道左侧地层取3倍的溶洞发育范围75 m，右侧地层取4倍的隧道宽度50 m，隧道上部覆盖层75 m，下部土体取4倍的隧道高度为41 m，模型总尺寸为125 m×116 m×5 m(X×Y×Z)。超前导管注浆加固圈厚度取0.5 m，隧道左部加固范围取3 m，4 m，5 m，6 m四种工况计算，分析隧道围岩受力及初支结构变形。隧道初支采用实体单元，厚26 cm，初支与围岩之间设置接触面。开挖采用三台阶分步开挖，围岩应力释放系数取0.3[16]，应力释放通过降低开挖区岩土体的弹性模量实现。除上边界自由外，其他各边界均施加垂直于边界面的位移约束。建立的三维数值模拟模型见图7。

锚杆对围岩的加固作用主要是增大了加固区围岩的粘聚力和内摩擦角，但实际状况下围岩内摩擦角的提高幅度较小，因此主要是通过增大围岩粘聚力来提高围岩的自稳能力，见式(2)[17]。

(2)

其中，c,c0分别为锚杆加固后和加固前的围岩粘聚力,MPa；τ为锚杆的抗剪应力,MPa；sm为锚杆的横截面面积,m2；a,b分别为锚杆纵、横向间距，m；n为经验系数，取2～5，此处取2。

钢支撑对隧道围岩的加固作用则主要是通过提高混凝土弹性模量的方法来实现的，见式(3)[17]。

(3)

其中，E,E0分别为换算后和换算前混凝土的弹性模量,MPa；Eg为钢支撑弹性模量,MPa；Sg，Sc分别为钢支撑和喷射混凝土的横截面面积，m2。围岩为Ⅳ级围岩，经过现场试验及计算后所得物理参数见表1。

2.2 计算分析

计算采用三台阶开挖法对隧道开挖进行模拟，即在初始自重应力位移平衡后，通过控制场变量降低开挖区岩土体弹性模量，实现应力释放，然后依次开挖上、中、下台阶，每个台阶开挖后提高对应径向加固区的物理参数，同时激活该台阶初支，计算后开挖下一台阶。

表1 计算模型物理参数

3 模拟结果与分析

3.1 应力分析

图8为不进行注浆加固，隧道围岩水平及竖向应力云图。从图8可以看出，若不进行注浆加固，隧道围岩水平及竖向应力均存在明显偏压。若不进行处理，在隧道开挖后随着围岩应力的释放会使隧道支护结构处于非对称受力状态，结构将产生较大的由围岩侧向溶洞侧的挤推变形。

图9为注浆加固3 m开挖后的围岩受力云图。对比图8，图9可以看出，注浆加固和未加固相比，加固圈可以和围岩一起形成应力圈，改善隧道围岩受力性状，有利于隧道结构受力。

图10为不加固和加固3 m,4 m,5 m,6 m围岩的水平应力和竖向应力数据雷达图。从图8可以看出，在左侧充填型溶洞存在的情况下，隧道围岩水平应力在拱腰和拱脚处偏压明显，竖向应力在拱腰、边墙及拱脚处偏压明显。左右拱腰围岩水平应力差为1.42 MPa，竖向应力差为2.16 MPa；左右拱脚水平应力差为2.56 MPa，竖向应力差5.71 MPa；左右边墙竖向应力差为4.77 MPa。随着加固深度的增大，右拱腰和右拱脚围岩水平应力逐渐降低，左拱腰和左拱脚围压水平应力逐渐增大，隧道围岩水平应力偏压逐渐趋于不明显，在加固深度达到6 m时，左右拱腰水平应力差为0.25 MPa，竖向应力差为0.035 MPa；左右拱脚水平应力差为0.56 MPa，竖向应力差为0.90 MPa；左右边墙竖向应力差为0.73 MPa。说明注浆加固可以有效改善围岩应力状态，降低隧道围岩偏压效应。

3.2 位移分析

图11为未加固时开挖支护后的位移矢量图。由图11可知，若不进行注浆加固，初支结构有很明显的侧向挤出趋势，拱顶下沉和左拱腰水平位移较大，最大合位移达30.7 mm。

图12为不同加固范围开挖后的初支结构水平和竖向位移数据雷达图。由图12可知，随着加固深度的增大，初支结构左拱腰水平位移和拱顶竖向位移逐渐减小。在加固深度达到6 m时，初支左拱腰水平位移11.59 mm，拱顶竖向沉降12.03 mm，与未加固相比，分别降低16.64 mm与15.06 mm，可知进行径向注浆加固可明显控制隧道初支结构变形。结合图11可知，在径向加固的作用下，初支结构的侧向挤出趋势得到控制，围岩和初支结构达到了共同受力协调变形。

3.3 最佳加固深度选取

由前述可知，径向注浆加固能够对侧向充填型溶洞达到比较明显的处理效果，且处理效果随着加固深度的增大而增加，但工程实践还要考虑其经济效益，因此对比确定最佳加固深度是很有必要的。

图13为不同加固深度下初支结构拱腰水平位移、拱顶沉降和隧道围岩不同位置的应力差的折线图，由图10与图12可知，加固6 m与加固5 m相比各位移量与应力变化较小，而加固5 m与加固4 m相比加固效果提升相对明显，可知最佳加固深度介于4 m与5 m之间，因此图13中增加加固4.5 m时的数值模拟结果。由图13可知，随着加固深度的增大，隧道围岩应力差逐步减小，隧道初支结构位移逐渐降低，由图13a)可知，加固3 m～5 m之间位移降低速率无明显减小，由图13b)可知加固4 m～5 m之间偏压应力差减小速率无明显减小，且加固深度取4.5 m时，拱脚水平、竖向应力差均大于1 MPa，边墙竖向应力差达1.65 MPa，可知最佳处治深度接近5 m，出于施工安全考虑，加固深度取5 m。处治5 m时各应力差小于1 MPa，初支变形小于15 mm，因此选择5 m的处治深度是安全合理的。

综合考虑施工安全质量控制与经济效益，下营隧道施工时采用注浆加固5 m的处治方案进行施工。图14为K121+520断面监控量测90 d位移图，由图14可知现场左拱腰水平位移14.3 mm，拱顶竖向沉降17.1 mm。实测值与计算值比较接近，验证了该处治方法是切实有效的，同时证明了数值分析的可靠性。

4 结论

本文以下营隧道工程为例，进行了侧部充填型溶洞的地质预报，并对侧部侵入溶洞处理方案进行了数值模拟，得出结论如下：

1)通过对比分析了下营隧道充填型溶洞的地质雷达图像特点，经过后续溶洞探测及开挖揭露验证了其准确性，对后续豫西地区类似地质状况雷达图像解读具有一定的借鉴经验。

2)在侧部存在充填型溶洞时，隧道围岩会出现较明显的偏压应力，初支结构由于受到偏压应力，会有向溶洞侧挤出的趋势。

3)通过注浆加固能明显降低侧部溶洞引起的隧道围岩偏压应力差，加固体可以与围岩形成应力圈改善围岩受力，减少初支结构变形。

4)随着注浆加固深度的增加，处治效果的提升会逐渐降低，注浆深度取5 m时能达到最好的处治效益。