溶洞空腔回填量对隧道稳定性的影响分析

严健雄

[摘  要]：随着高速铁路建设向着岩溶发育地区发展，高速铁路隧道修建遇到了越来越多的溶洞，溶洞空腔会给隧道施工带来许多不可预测的危险。文章针对溶洞回填量对隧道稳定性造成的影响进行分析，利用有限元软件FLAC3D对不同回填情况进行了数值模拟，通过分析隧道变形，发现超量回填反而会对隧道施工造成不良影响，回填距离隧道1倍洞径范围内的溶洞空腔就能将溶洞对隧道的影响降到最低。

[关键词]：溶洞; 回填量; 数值模拟; 隧道变形

U455.49A

我国的西南部属于多山区域，山岭中的地形地貌复杂多变，在修建隧道工程时，常常会遇到溶洞的阻碍。有时会限于地形特殊而无法避开溶洞，只能尽量远离溶洞区域[1]。以往研究发现溶洞会增大隧道靠近溶洞侧的位移和正弯矩，采用台阶法进行洞内施工较为安全可靠[2]。溶洞与隧道的影响间距范围为0～1倍洞径，对溶洞进行回填可以改善围岩应力状态，并减小围岩变形以及围岩塑性区[3]。

本文在以往研究的基础上，分析了回填量对隧道稳定性的影响，旨在得出可靠且经济的回填方案，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

国内西南片区拟建一条高速铁路隧道，拟建隧道穿越岩溶地层，地处山岭区域，地势陡峭，岩层分布错综复杂，地震断裂带分布广。拟建隧道沿线出现了大型溶洞，洞内有一巨大的空腔，溶洞大厅高度在20～60 m，沿线路纵向长度56 m，横向最大宽度105 m，溶洞底部是成分复杂的堆积体，溶洞段隧道距离地面约60 m，溶洞和隧道最近距离为8.53 m。

2 模型及参数

选取隧道与溶洞距离最近的横断面进行建模。模型的长宽高尺寸为56 m×200 m×180 m，隧道最大高度11.38 m，最大宽度13.62 m，初支厚0.15 m，二衬厚0.4 m，隧道拱顶距离地面60 m。

利用洞碴分级回填溶洞空腔，第一层回填高度为20 m，第二～五层回填时按每层10 m的高差进行回填。经过初步研究讨论后，决定先回填隧道正下方的第一层和第二层，以确保施工过程中隧道底部不会出现塌陷。其中，围岩和隧道二衬均采用实体单元进行模拟，隧道的初支采用壳单元进行模拟，锚杆采用锚索单元进行模拟。模型的横断面如图 1所示。

根据现场勘探提供的地质资料可以得到围岩以及堆积体的物理力学参数，如表1所示。

该隧道模型的支护包括初支（C30）、二衬（C35）和锚杆，它们的参数如表2所示。

3 模拟结果分析

3.1 终态分析

选取数值模拟结束后模型的最终状态进行分析，利用布置的监测点位提取隧道的竖向位移和水平位移结果。图 2为模拟结束后不同回填条件下隧道洞周的竖向位移情况，最大隆起出现在仰拱底，最大沉降出现在拱顶和右拱肩。对比柱状图中各个测点的竖向位移量可以发现，在隧道拱顶处，回填至第三层时测点的竖向位移比回填至第二层时减小了约27.3%，并且在其它各个监测点相对其它3种情况也更小。图 3为模拟结束后不同回填条件下隧道洞周的水平位移情况，最大水平位移出现在左墙脚处，从柱状图中可以看出，溶洞回填至第三层时，隧道左墙脚处的水平位移比回填至第二层减小了约16.4%，继续回填之后水平位移反而增大。

从模型最终状态竖向位移和水平位移的分析中可以看出，回填至第三层时的隧道变形要优于另外3种回填情况。

3.2 过程分析

针对回填2层、回填3层、回填4层以及完全回填这4种情况，分析仰拱底竖向位移和左墙脚水平位移随施工步的变化情况。

4种回填情况下，隧道位移的变化趋势基本一致。从图 4和图 5中都可以看出，对比4种回填情况，回填至第三层在所有结果中表现最佳，这是由于第三层回填层是距离隧道最近的回填层，其与隧道右墙脚的最小距离为8.53 m，小于1倍洞径，所以能对隧道的变形产生较大的影响。其他2层回填层与隧道的距离超出了1倍洞径的范围，继续回填反而对隧道造成了负面影响，仰拱底的隆起量和左墙脚的水平位移量均有所增加。

综上所述，回填至第三层时隧道具有良好的稳定性。

4 结论

结合终态分析和过程分析2种方式，分别对4种回填情况的竖向位移、水平位移以及围岩压力进行了研究，并通过分析得出了最优的回填方案。

在距离隧道较近处出现大型溶洞时，溶洞回填量越大并不代表会带来越好的结果，超量回填反而会对隧道造成负面影响，会导致隧道的变形增加。所以当出现类似距离隧道较近的大型溶洞时，若采用回填方案治理溶洞，则回填量应该依具体情况而定，超出隧道1倍洞径以外的区域可不进行回填，这样既能保证隧道的安全性和稳定性，也能达到节省施工成本的目的。

参考文献

[1] 刘建国. 贵广铁路坪山隧道岩溶发育情况分析[J]. 铁道工程学报， 2015， 32（4）： 86-90.

[2] 裴树林. 深埋大断面隧道穿越大型隐伏溶洞施工工法比选[J]. 铁道建筑， 2017， 57（9）： 74-77.

[3] 李元海，楊苏，喻军，等. 大型溶洞对隧道开挖稳定性的影响分析[J]. 现代隧道技术， 2016， 53（4）： 52-60.