方智淳 朱正国，2 马超义 王仁远

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043；2.河北省金属矿山安全高效开采技术创新中心，石家庄 050043）

长大深埋隧道在修建过程中可能会遇到岩溶、岩爆、高地应力、软弱破碎带、突泥突水等诸多地质灾害［1］。其中，突泥突水是最为严重的地质灾害之一。泉州至南宁高速公路吉安至莲花段永莲隧道在修建过程中累计发生10余次突水突泥灾害，并且引发山顶地表下陷，灾害处治非常艰难。其主要原因是隧道穿越区域存在多个富水岩溶构造，岩层较为破碎，受地下水侵蚀严重［2］。

近年来，模型试验、数值模拟计算等技术的成熟使得岩溶隧道稳定性研究得到快速发展。文献［3］研究发现在高压岩溶水的影响下裂隙不断发展连通汇聚成线，逐渐形成完整的岩溶水流动通道。文献［4］研究在渗流作用下不同应力状态岩体裂隙的发展规律，并建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹的轴向贯穿、岩桥剪切贯通断裂破坏力学模型。文献［5］通过数值模拟和现场实测，得出隧顶溶腔大小和距离的变化对隧道结构主应力的影响规律。文献［6］通过室内模型试验以及数值模拟研究了岩溶区溶洞不同洞径对隧道围岩稳定性的影响。文献［7-9］考虑溶洞单个因素对隧道结构整体的影响，给出了溶洞与隧道之间安全距离和防突层厚度。岩溶区溶洞分布复杂多变，且填充型串珠状溶洞还存在应力叠加的问题，使得隧道施工过程中围岩应力分布更加复杂。

本文采用数值计算方法模拟分析隧道开挖过程中填充型串珠状溶洞对隧道结构的影响，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

新高坡隧道位于云南省镇雄县与贵州省毕节市交界处。隧址区绝对高程1 500～2 060 m，隧道进、出口均位于沟谷陡坡地段。隧址区覆盖层较薄，坡面植被发育。隧道穿越可溶岩地层长约2 082 m，占隧道全长的25.7%，正洞洞身Ⅴ级围岩段长1 259 m。隧道左侧4 m 存在直径4 m、长6 m 填充型串珠状溶洞。隧道采用三台阶法施工。

2 岩溶隧道超前加固方案优化分析

2.1 模型的建立及参数的选取

采用ANSYS 建立三维计算模型（图1（a）），运用FLAC 3D 对模型进行计算。为减少边界效应对计算结果的影响，左右边界距隧道中心线距离为5倍洞径，底部边界距隧道底部距离为5 倍洞径。模型尺寸为90 m（x轴）×80 m（y轴）×100 m（z轴）。模型中隧道埋深50 m，隧道左侧4 m 处存在直径4 m、填充压强1.0 MPa的溶洞，见图1（b）。

图1 整体模型及左侧溶洞立体分布

围岩按摩尔-库仑理想弹塑性材料处理，初期支护结构为弹性材料。通过提高管棚、小导管加固范围内岩土体物理力学参数来实现支护效果。计算参数参照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［10］及《新高坡隧道地质勘察报告》选取，详见表1。

表1 围岩、加固区及初期支护参数

选取隧道开挖断面中部y=40 m 处作为监测断面，在断面上拱顶、左右拱肩、左右拱腰、左右拱脚和仰拱布置8个监测点。

2.2 结果与分析

对小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆3 种超前加固方案进行模拟分析，并与未加固时进行对比。

1）隧道结构水平位移

未加固与加固方案隧道结构各部位最大水平位移对比见图2。可知：①各方案土体最大水平位移都出现在左拱腰处，未加固、小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆方案左拱腰最大水平位移分别为81.69，72.74，58.69，46.25 mm，与未加固方案相比，各方案最大水平位移分别减少了10.96 %，28.16 %，43.38%，管棚+小导管注浆方案更有利于控制其水平位移。②各方案仰拱水平位移最小，拱顶次之。③管棚+小导管注浆方案下水平位移受影响最大的部位是拱顶，相较于未加固方案其值减少了61.92%。

图2 未加固与加固方案隧道各部位最大水平位移对比

2）隧道结构竖向位移

未加固与加固方案隧道结构各部位最大竖向位移对比见图3。可知：①4 种方案最大竖向位移均出现在拱顶。未加固、小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆方案拱顶最大竖向位移分别为98.88，87.33，67.84，50.96 mm，与未加固方案相比，各方案最大竖向位移分别减少了11.68 %，31.39 %，48.46 %。管棚+小导管注浆方案更有利于控制隧道竖向位移。②管棚+小导管注浆方案下竖向位移受影响最大的部位是仰拱，相较于未加固方案其值减少了50.38%。③方案一定时拱顶、左拱肩以及仰拱最大竖向位移相差不大，拱脚最大竖向位移最小、拱腰次之。

图3 未加固与加固方案隧道结构各部位最大竖向位移对比

3）初期支护结构所受压应力

未加固与加固方案初期支护结构所受压应力对比见图4。

图4 未加固与加固方案初期支护所受压应力对比（单位：Pa）

由图4可知：①4种方案初期支护结构各部位所受最大压应力由大到小排序依次为：拱肩＞拱腰＞拱顶＞拱脚＞仰拱，最大压应力均出现在右拱肩。②与未加固时相比，小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆方案右拱肩所受最大压应力分别减少了5.37%，15.44%，23.13%；左拱肩最大压应力分别减少了2.25%，11.52%，23.16%。③管棚+小导管注浆方案最大压应力最小，左右拱肩最大压应力分别为12.61，13.59 MPa，小于初期支护结构C30混凝土轴心抗压强度（15.0 MPa）。从初期支护结构安全的角度考虑，应采用管棚+小导管注浆方案。

3 超前加固方案实施效果

实际施工采用管棚+小导管注浆超前加固方案后各监测点位移实测值与数值模拟值对比见表2。可见：模拟值均小于现场实测值，但二者相对误差在可接受范围，说明管棚+小导管注浆方案现场施工效果良好。

表2 管棚+小导管注浆实测值与模拟值对比

4 结论

1）小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆3 种加固方案对减小隧道结构水平位移都有一定的作用。各方案隧道结构最大水平位移均出现在左拱腰，管棚+小导管注浆方案最大水平位移最小，与未加固时相比其值减少了43.38%。

2）小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆3 种加固方案对于隧道结构竖向位移都有一定的作用。各方案隧道结构最大竖向位移均出现在拱顶，管棚+小导管注浆方案控制竖向位移的效果最好，与未加固时相比其值减少了48.46%。

3）小导管注浆、管棚、管棚+小导管注浆3 种加固方案对初期支护结构所受压应力均有一定改善作用。各方案最大压应力均出现在右拱肩，管棚+小导管注浆方案最大压应力最小，与未加固时相比其值减小了23.13%，且小于初期支护结构C30 混凝土轴心抗压强度。

从控制隧道洞周位移和确保支护结构受力综合考虑，最终选取管棚+小导管注浆综合超前加固方案，现场施工效果良好。