矿冶工程
MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING
Vol.38 ^3 June 2018
基于数值分析的回填型岩溶隧道施工技术研究
桂铬、沙策
2
,刘霖
2
(1.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司，湖南吉首416011; 2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)
摘要：为保证那丘燧道特大型溶洞地段主体结构的施工质量与结构稳定性，在燧道底部溶腔已处治的基础上，提出了主洞洞身 开挖与初期支护施工技术，并运用FLAC3I)对特殊断面的开挖施工进行模拟，通过分析围岩位移与结构应力计算结果，对岩溶整体 结构开挖与支护效果进行了评价。结果表明，围岩最大位移为5 mm，支护结构应力小于设计抗压强度，均符合施工设计规范指标。 最后，结合现场监测数据与数值模拟结果，通过对比分析，验证了实际施工技术的合理性，可为类似工程提供参考。关键词：溶洞；岩溶燧道；公路燧道;洞身开挖;施工技术;数值分析中图分类号：TD325
文献标识码：A
doi:10.3969/j.issn.0253-6099.2018.03.005
文章编号：0253-6099(2018)03-0020-06
Construction Technology for Backfill-type Karst Tunnel Structures
Based on Numerical Analysis
GUI Ge1，SHA Ce2，LIU Lin2
(X.Hunan Yongji Expressway Construction and Development Co Ltd，Jishou 416011，Hunan，China; 2.School of Resources
and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China)Abstract： In order to ensure the construction quality and structural stability ol the main structure ol Naqiu tunnel through the superlarge karst cave section，a construction technology ol excavating main body ol cave plus supporting at inital stage was proposed alter the cavity at the bottom ol the tunnel was treated. The excavation for some special sections ol tunnel was simulted with FLAC3D soltware. The excavation and supporting for the overall carst structure was evaluated based on the analysis ol displacement ol surrounding rock and calculation ol structural stress. Results showed that the maximum displacement ol the surrounding rock was 5 mm，and stress ol supporting structure was less than the design ol compressive strength，which was in accordance with the specilications in the construction design. Finally，the on-site monitoring data and numerical simulation value were taken lor comparison and analysis，indicating that such technology is reasonable in the practical construction and can provide a relerence lor other similar projects.Key words： karst cave; carst tunnel; expressway tunnel; excavation ol carve body; construction technology； numerical
analysis
在岩溶地区修建公路隧道是我国当下交通运输业 中的一项重要工程，由于不同地区岩溶环境存在差异， 隧道结构将受到天然地质形态与人工开挖操作的双重 影响，其施工过程也将变得更加复杂和困难[|-4]。
溶洞规格及溶洞相对隧道的位置基本决定了岩溶 隧道开挖支护的施工方式,而隧道开挖和支护方式也决 定了隧道与围岩的整体稳定性。已有研究主要针对一 般规模的岩溶隧道进行研究[5-9]。就目前已有工程来 看，多数工程采用钻爆法对完整掌子面进行开挖[10-12]， 对于隧道周边存在溶腔的情况，通常采用填充、注浆等
①收稿日期
基金项目
作者简介
手段进行局部处治[13-15]。而关于穿越特大规模溶洞的 隧道结构施工技术研究相对较少,由于大范围岩溶空腔 的存在且隧道断面形状特殊，实际施工时具有一定难 度,因此具有一定的研究意义。
本文以那丘隧道左线穿越的特大型溶洞为工程背 景，在隧道底部特大岩溶空区处治已完成的基础上，重 点针对特殊围岩断面的隧道主体结构施工技术进行研 究，为了确保施工安全与结构稳定，运用flac3D对特殊 断面施工进行模拟分析，验证实际施工合理性,可为以 后类似岩溶隧道的施工提供指导与参考。
2017-12-07
国家自然科学基金（51478479,51678570);湖南省交通科技项目（201524)桂铬（ 1975-)，男，湖南衡阳人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作
第3期桂铬等：基于数值分析的回填型岩溶隧道施工技术研究21
1工程概况
那丘隧道设计为双洞单向长隧道，位于湖南省永吉 高速公路第四合同段，左右线分别长2 875 m与2 860 m, 所处地貌为岩溶中低山区，该区间存在竖向岩溶塌陷 与表层溶蚀沟槽等不良地质，工程地质条件较复杂。
特大型溶洞于左线K14+350〜520段，在已揭露溶 洞群中规模最大，目前已停止发育。从平面上看，隧道 路线与溶洞基本平行并从溶洞空中穿过，共长170 m 2.2隧道主体结构施工流程
从施工难点问题人手，确定隧道主体结构施工的
基本流程为:①对围岩侵人隧道轮廓线内的断面进行 洞身开挖;②进行钢拱架、初喷混凝土、钢筋挂网及打 锚杆等初期支护施工，待初支结构封闭成环后施作仰 拱和填充仰拱;③通过预留孔口向已建挡墙与初支结 构之间的溶腔栗送混凝土，形成整体结构;④最后依 次施作防水层与二次衬砌结构。按照上述流程循环推 进施工，最终完成整个隧道主体结构的施工。
(见图1)。溶洞内地层结构自下而上主要为奥陶系下 统灰岩、第四系之前形成的胶结层与第四系岩溶堆积 黏土，灰岩与胶结层岩质良好、承载力高，溶洞底板上 堆积的黏土较松散，承载力一般。该溶洞地下水位线 远低于隧底设计高程，隧道几乎不受其影响。
图1特大型溶洞位置示意图（单位:m)
(a)平面图；（b)纵断面图
2
隧道主体施工难点及工艺流程
2.1
施工难点问题分析
结合特大型溶洞发育不规则的特点，施工时应考
虑以下3点：
1) 由于溶洞顶板侵人隧道轮廓线的深度不同，道不同断面形态各异，存在大小不一的临空面,开挖施
工时需合理控制开挖进尺与轮廓线超挖。2)
部分里程段隧道路线整体穿越溶洞空腔，隧道
周边不能接触围岩，需用全环钢筋混凝土护拱代替初 期支护。
3) 隧道衬砌左侧已建有钢筋混凝土挡墙对溶洞 顶板进行支撑，主洞开挖时需注意对挡墙进行保护。 另外，挡墙结构与隧道之间存在空腔，需栗送混凝土填 满以形成整体承力结构。
3隧道洞身开挖与支护施工技术研究
3.1主洞开挖
特大溶洞地段围岩等级主要为m级，局部软弱围
岩强度等级为汉、v级，整体围岩较稳定。由于隧道路 线与溶洞的相对位置变化频繁,实际施工时应结合围 岩分布情况对不同隧道断面进行爆破施工。
3.1.1 常规断面
对于隧道开挖面相对完整的围岩,采用全断面开 挖法开挖，围岩一次钻孔，装药连线，最后一次爆破成 型，通过合理控制爆破参数和循环进尺,尽可能减少对 围岩的扰动，避免溶洞侧壁及洞顶不稳定块体坠落，提 高围岩稳定性。
3.1.2 溶洞洞壁小部分侵入隧道轮廓的断面
由于掌子面形态特殊，不能采用常规爆破方式，需进行局部修整开挖，采用小间距布眼，一次爆破成型， 施工时应结合爆破设计与现场地质情况对爆破参数进 行修正，获得最优爆破效果。3.2初期支护
该溶洞段隧道衬砌形式为曲仰拱和平仰拱，两种 衬砌的不同之处在于二衬施工时仰拱C30钢筋混凝 土的填充厚度分别为55 cm和70 cm，而初支衬砌参数 相同。
初期支护主要由喷射混凝土、钢拱架联合受力进 行支撑、局部不良地质附加锚杆施工，主洞爆破开挖 后，首先在隧道周边围岩初喷5 cm厚的C20混凝土封
闭工作面，然后利用台车人工拼接钢拱架，拱墙采用
20a工字钢，钢拱架纵向间距75 cm，并挂上20 cm X
20 cm的$ 8 mm单层钢筋网，最后喷射27 cm厚的
C20混凝土完成初期支护施工。
4隧道开挖模型建立
4.1计算模型
选取那丘隧道K14 + 485断面进行研究，采用 FLAC3D对隧道特殊断面进行开挖模拟分析。隧道实 际埋深80 m，模型整体宽80 m(x轴），长12 m(y轴）， 高100m(z轴），隧道两侧轮廓线距模型边界30 m;网
隧
22矿冶工程第38卷
格采用六面体实体单元，计算前先对模型底面和侧面 进行法向位移约束，顶面采用自由边界条件;掌子面开 挖前，依据设计溶洞处治方案完成相应回填与挡墙施 工，重点研究开挖和支护施工对整体结构竖向以及横 向所产生的影响，模型划分为27 184个网格和31 042 节点。数值计算模型见图2。
4.2计算参数
根据详细地勘资料，结合室内相关力学实验，围岩 计算参数见表1。围岩及回填体材料选用Mohr-
Coulomb本构模型，混凝土结构与初期支护等人工结
构选用Elastic弹性本构模型。
表1围岩物理力学参数
弹性
泊
粘聚内摩擦
抗压/拉 材料
模量松
密度
角强度 本构/GPa比/(kg.m-3))力/MPa
/(°)/MPa模型
微风化岩溶灰岩5.50.32 3001.5405.5/拉M-C挡墙29.50.22 450——20.1/压Elastic回填层22
0.28
2 2001.5355/拉M-C初期支护
25.50.27
2 350
—
—
15.4/压
Elastic
4.3隧道开挖及监测点
为研究隧道开挖施工对整体岩溶隧道结构产生的 影响，运用FLAC3D在初始应力场平衡条件下，先对断 面进行回填处治、挡墙施作，在此基础上重点模拟断面 开挖、初支等工序;同时位移和应力的变化又能直接表 现出隧道、溶洞和支护结构的整体稳定性，因此根据往 常现场监测布设规律，在模型溶洞与隧道开挖轮廓处 设置特征监测点，隧道右侧代表的是隧道X轴水平方 向最右侧半径的位置，也就是边墙，溶洞左侧表示的溶 洞空腔靠左一处，具体布置见图3,图中编号对应监测 点位置。
5计算结果分析
在计算过程中，只考虑整体的自重应力，忽略其 构造应力，同时根据现场实际状况，开挖掌子面前应力
基本释放完全，所以在模拟开挖步时，将模型位移和塑 形区清零记录开挖后特征点的变化。
5.1围岩变形位移分析
图4为隧道整体开挖下围岩与溶洞断面位移变化 图，其中正值表示上移或向右偏移，负值表示下降或者 向左收敛;编号1〜7对应图3中的监测点位置。
时间/d
时间/d图4围岩位移变化
由图4可知：
1)随着隧道逐步向前开挖，拱脚与底板产生偏向
第3期桂铬等：基于数值分析的回填型岩溶隧道施工技术研究23
溶洞一侧水平位移，其他监测点水平位移则向隧道右
侧偏移;在偏移量上5个监测点均在一定时间后达到 平稳且偏移量在1 mm以下，较大值出现在隧道右边 墙0.9 mm、拱腰0.67 mm、底板-0.7 mm，但总体上对 隧道开挖施工影响较小。
2)隧道拱顶、拱腰、右侧、溶洞顶部与左侧的竖向
位移向下，底板、拱脚的竖向位移方向与之相反;拱顶处 出现最大沉降值5 mm，隧道底板向上位移为5.2 mm; 拱顶和底板与其他监测点相比，在初期开挖时变化量 图6
挡墙竖向应力
较大，随着开挖的进行逐步达到平稳;溶洞的2个监测 点的竖向位移值普遍偏小，数值仅在0.75 mm左右，侧 面反映挡墙结构作用良好。
根据图4中现场散点数据曲线可得，本文模拟结 果与现场施工监测结果吻合较好，证实了该模拟结果 的合理性。5.2应力分析 5.2.1围岩塑性区分析
图5为围岩开挖塑形分布情况。由图5可见，隧 道拱顶与底板开挖后出现了受力较复杂的塑性区，存 在剪应力与拉应力，并且底板的塑性区有向拱脚发展 的趋势;拱腰与隧道右侧处塑性区为单一剪应力，且范 围较大，在支护施工时应注意质量;在挡墙与溶洞顶板 处塑性区较少，证明挡墙起到了支撑作用，对于左侧空 区后期需进行反压回填。
图5围岩塑性区
5.2.2挡墙结构分析
图6为挡墙的竖向应力云图。由图6可见，随着 断面开挖，挡墙内侧靠隧道方向出现最大竖向压应力， 最大应力1.7 MPa，外侧出现较小的竖向拉应力，最大 拉应力0.5 MPa，挡墙顶部与溶洞接触面压应力为 0.75 MPa;由于最大应力出现在挡墙内侧拱腰处，所以 在施工中应加强挡墙与支护拱架的联结质量，整体结 构最大压应力远小于C30混凝土抗压强度。
图7为挡墙的水平位移，负值表示位移偏向溶洞 一侧。从图7可得，随着开挖进行，相比于现场，6号 和8号模拟特征点的挡墙水平位移增加率较为平稳，
U.U-0.25
s-s-0.
/
-01..德赵降芩
-■-6号测点-挡墙顶部
-1.25 -+
8号测点-挡墙底部 ▽现场9号测点-挡墙中部
-1.50
0
5 10 15 202530
时间/d
图7挡墙上下部水平位移
挡墙底部水平位移大于顶部，最大位移量为1.1 mm， 小于现场实测挡墙中部水平位移1.4 mm，现场与模拟 的水平位移量随着开挖结束位移量逐渐趋于定值，说 明挡墙的稳定期在20〜22 d;其次，位移变化量均小于 挡土墙验收规范中要求的相对位移不超过3 mm的标 准，证明结构稳定。5.2.3 支护结构分析
图8为初期支护结构竖向应力云图。由图8可 见，开挖中，初支结构所受应力主要呈现为压应力；对 于支护结构，最大主应力表现在隧道拱顶，压应力为2.5 MPa，与最大竖向位移出现在拱顶相符，同时从拱
顶至拱脚应力减小，在现场施工中应注意顶部衬砌结 构与围岩保持紧贴;衬砌结构的最大压应力值均远远 小于C20喷射砼抗压强度20 MPa，说明支护结构处于 稳定状态。
3tep 14330 1Model Perspective
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Itasca Consulting Group, _Minneapolis. MN USAnc.
图8初期支护结构竖向应力
24矿冶工程第38卷
6
6.1
现场数据分析
现场位移监测
图9为现场拱顶、拱腰、隧道右侧及溶洞顶板位移
定,通过实际监测说明挡墙结构也是稳定的。
监测值，对于溶洞顶部围岩下沉，现场采用单点位移计, 在掌子面推进时,利用工作台车，设置于溶洞顶板内部, 通过加长导线引出到隧道中进行定期位移量监测。
1
S
S/
狳1- 拱顶沉降
赵
2- 拱腰竖向位移3- 隧道右恻水平位移 6-溶洞顶板沉降
\"0 10 20 30 40 50 60 70
时间/d
图9现场监测数据
根据为期两个月的监测，围岩变形主要集中在施 工后的前一个月，之后趋于稳定;拱顶在开挖初始阶段 位移下沉的速度较大，说明此时开挖产生的应力重分 布现象明显，与模拟结果中初衬顶部应力集中现象结 果一致，在30 d时最后达到最大值6.1 mm;随着开挖 向前推进，应力逐渐向拱腰附近集中，与模拟拱腰塑性 区结果一致，在15 d时出现了较大的沉降率并最终稳 定在2.4 mm;隧道右侧与溶洞顶板的变形量相对较 小,且变化率平缓，溶洞顶板沉降为0.85 mm，右侧水 平位移为0.8 mm，说明支护结构产生了作用;位移变 形量都在《公路隧道施工技术规范》允许的范围之内, 在25〜30 d后处于稳定,且现场实测数据与计算结果 较吻合。
6.2
挡墙支撑结构监测
图10为现场挡墙支撑结构的应力应变监测，针对
挡墙结构的现场监测，分别采用压力盒与位移计，压力 盒布置于挡墙顶部与围岩接触,位移计布置于挡墙中 部。从图10可以看出，挡墙施作完成后的开挖初期受 到的围岩压力较小，在继续向前开挖后，受到围岩压力
迅速增大到0.47 MPa，随后稳定于0.4 MPa，说明初期 支护发挥了一定作用;挡墙位移监测中,初期水平位移 较小,说明围岩还未开始大范围应力变化，未对挡墙产 生较大影响，而后随着应力变化，在第20 d水平位移 逐步增大到1.4 mm，与模拟结果中挡墙中间处出现较 大应力现象相吻合;对于挡墙顶部压力监测结果:最大 压应力值（0.47 MPa)远小于C20混凝土的抗压强度 (25 MPa);整体应力与位移变形在30 d左右趋于稳
0.0
010 20 30 40 50 60
时间/d
(b) 0.0'
-1.5
0
10
20
30 40
50
60
时间/d
图10挡墙支护结构监测
0)6号测点-顶部围岩压力监测；（b)9号测点-挡墙中部水平位移监测
综上所述，开挖阶段现场位移与模拟位移曲线相 对吻合，应力测试中峰值与模拟结果误差小于10%, 模拟结果良好。现场监测数据与模拟结果相比存在较 小差异的原因可能是:数值计算假定围岩为均质岩体, 而实际岩石并不是均质的，并且现场施工不能像模拟 一样立马进行下一步支护工序模拟，现场需要一小段 时间来达到支护效果。
7结
论
1)
对那丘隧道左线特大型溶洞地段隧道主体
构的施工难点问题进行了分析,在隧道底部空腔已完 成处治的基础上，结合隧道路线与溶洞相对位置变化 频繁的实际情况,针对性地提出隧道洞身开挖与初期 支护的施工关键技术。
2)
运用FLAC3D进行开挖施工模拟，结果显示，
向位移变形量远大于水平位移,竖向最大值为拱顶沉
降5 mm，水平位移最大值为隧道右侧0.9 mm;复杂塑 性区主要集中在拱顶、拱腰与溶洞左侧;挡墙内侧出现 较大应力集中，最大水平位移量为1.1 mm;支护结构 最大压应力集中在拱顶，最大值为2.5 MPa。
3)
现场监测结果表明：主洞开挖初期拱顶沉降
率较大，之后沉降速率降低，沉降值最终稳定在6.1 mm; 随着施工的推进，拱腰逐渐出现应力集中现象,位移最
第3期桂铬等：基于数值分析的回填型岩溶隧道施工技术研究
2014,34(5)：23-25.
25
终稳定在2.4 mm;挡墙顶部压力与墙身水平位移值在开 挖初期均较小,随着施工推进，挡墙受到围岩偏压影响,
顶部压力迅速增大，墙身水平位移也逐步增大,20 d 后趋于平稳，最终分别稳定在0.4 MPa和1.4 mm。在 整个施工过程中，隧道右侧与溶洞顶板的变形量趋于^稳疋。
4)根据已有的数据结果，建议在实际施工时特别 注意挡墙顶部与溶洞顶板连接处的施工质量，保证两 者充分接触形成整体结构，充分发挥挡墙的支挡作用， 从而避免出现顶板沉降过大的现象。另外，由于现场 围岩-隧道结构体系的受力是一个十分复杂的过程，实 际施工时应综合考虑一些潜在的影响因素，例如回填 体工后沉降的影响，若遇到隧道底部回填体沉降对工 程影响很大的情况，还有待进一步研究。参考文献：
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引用本文：桂铬，沙策，刘霖■基于数值分析的回填型岩溶隧道
吴吉民.关虎冲隧道监控量测与围岩稳定性分析[」].矿冶工程，施工技术研究[J].矿冶工程，2018,38(3):20-25.
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