张朝辉 郭鹏辉 胡军伟 陈彬

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 中铁第一勘察设计院集团有限公司

摘 要： 西南山区某高速公路隧道洞内出现巨型溶腔。受洞内条件限制无法架设桥梁，为满足工程进度需要采用了洞内洞渣回填方式处理。但倾倒式回填的近31 m厚的松散洞渣沉降量难以控制，工程方案可行性存疑。通过理论分析、有限元模拟、工程类比等多种方式分析沉降量，论证了洞渣回填+沉降期+隧道二衬的方案是可行的，可供类似工程治理借鉴使用。

关键词： 隧道溶腔;回填;沉降分析;数值模拟;工程类比;

基金： 中交第一公路勘察设计研究院有限公司青年科技创新基金项目，项目编号YGY2021QC-02;

西南地区岩溶区域分布广泛，隧道建设穿越时常碰到各种形态和规模的溶洞，不乏超大型溶洞。常见的处理方法是：对于拱部以上溶洞，采用C25混凝土护拱，以加强护拱强度，并对上空腔部分做排水处理；下部溶洞采用设置钢筋混凝土盖板和涵洞通过，大型溶洞甚至需采用桥梁方式跨越，由于沉降不易控制，较少采用洞渣填充方式解决。

受施工条件限制，难以按常规路基填筑碾压，国内对洞内填方路基研究较少。零星回填处理工点仅为大胆摸索，缺乏技术理论支撑。

本文以某高速公路洞内巨型溶腔洞渣回填为例，通过理论分析、有限元模拟、工程类比等多种方法进行论证，提出治理隧道巨型溶洞的新思路。

洞渣回填方案相对洞内架设桥梁、涵洞等方案，施工工艺简单、操作不受场地限制，施工进度快，造价较省，极具推广价值。

1 溶洞填充概况

该溶洞主体位于K120+738～K120+802段洞体右下方，见图1。经测量，溶洞底部平均宽度约45 m, 深度约34 m, 纵向长度约64 m, 呈椭圆状，自近北部向近南方向延伸，北高南低。洞渣填充高度为20～31 m, 周界不规则。填充材料为隧道开挖洞渣，无级配设计，填筑过程未进行分层压实。2019年3月8日开始填筑，5月1日填筑完毕。岩溶洞穴体积为10万m3,填筑洞渣约28万t。洞渣粒径大部分为7 cm～45 cm。洞渣直接倾倒，填充溶洞。填筑高度为20～31 m。当时处于超载预压状态，并计划随后于2019年底施工隧道衬砌结构。

图1 某隧道大型溶洞及洞内回填形态示意

2 沉降机理

隧道溶洞填充材料沉降来源为两方面。

(1)自重作用下的压密变形。该填料无级配设计、无分层压实，为欠固结填料。在自重作用下，块石之间空隙进一步减小，填料整体表现为压密。此为工后沉降主要来源。

(2)块石之间相互位移错动，以及块石之间应力重分布，使得块石压碎，填料整体级配状况调整，孔隙率变小，导致发生沉降变形。该沉降部分为施工期沉降，沉降较大。施工期要采取超载预压措施保证该部分沉降完成，保证工后沉降较小。

3 计算分析

3.1施工期沉降计算

目前无隧道洞渣相关试验参数。以孔隙比作为沉降计算的重要指标。孔隙比按照如下思路获取。

(1)最大孔隙比。

隧道洞渣开挖后随即用于填充溶洞，为无压实的天然松散状态，此时对应最大孔隙比。石灰岩碎胀系数一般为1.5～1.7[2],由此可知松散状态下，洞渣的最大孔隙比为0.5～0.7。本案例取最大孔隙比为0.6计算。

(2)最小孔隙比。

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对填石路基压实控制标准的要求，孔隙比应小于0.32。即通过分层压实，中硬石料填石路基所能达到的最小孔隙比为0.32。用于填充溶洞的隧道洞渣无压实过程。综合上述因素分析，隧道洞渣在自重作用下所能达到的最小孔隙比为0.5。该值能够在一定程度上反映由于块石之间相互作用导致棱角处压碎所产生的沉降。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011),沉降计算公式为：

s=Δe1+e0Hs=Δe1+e0Η

式中： s 为沉降量； Δe 为最大孔隙比与最小孔隙比之差； e 0为最大孔隙比； H 为洞渣填筑高度。

该溶洞最大填高为31 m, 经计算，填筑后自重作用下的固结沉降值为1.94 m。不同填筑高度下的沉降计算值如表1所示。

表1 施工期沉降计算结果

由此可知：该隧道洞渣填筑高度为20～30 m, 故洞渣填充施工期沉降值为1.2～1.9 m。因此，年底施工隧道衬砌结构之前，应采取超载预压的措施尽量使沉降达到1.2～1.9 m, 使得在衬砌结构施工之前尽量完成施工期沉降，从而减小工后沉降。

根据已有文献[3]的结论：填石路基能够在80 d时间内完成自重应力状态下由于颗粒棱角破碎、级配调整引起的沉降，之后沉降明显趋于平稳。所以，从目前时间开始，到年底约6个多月的时间，自然倾倒填充的洞渣能够完成该部分沉降，然后进入工后沉降蠕变期。但是，该结论是来源于文献资料。由于实际情况的复杂性，该结论的通用性有待验证，应严密监控隧道支护施工之前的沉降变形趋势，待施工期沉降趋于稳定后，方可施工支护结构。

3.2工后沉降计算

工后沉降主要为由于后期施工的衬砌支护自重和运营过程中的车辆荷载作用所产生的沉降。初步估算，拱圈的自重为153 kPa, 公路I级车辆荷载为10.5 kPa, 故运营阶段施加荷载为163.5 kPa。

根据地勘资料，莲花山隧道灰岩饱和单轴抗压强度为45 MPa, 经过施工期沉降的完成，此时洞渣块石之间呈骨架状支撑连接，且骨架颗粒之间经过施工期沉降已趋于相对稳定状态，发生颗粒间相对滑动或颗粒破碎情况较少，可忽略不计。由此，结合类似材料的力学参数经验取值及相关文献资料[4],近似推测洞渣堆积体整体压缩模量为30～40 MPa。

根据以上数据，分别采用以下方法估算工后沉降。

3.2.1理正软件计算

理正计算假设洞渣填充物为水平分布土层，由支护机构自重+车辆荷载引起的工后沉降为62～99 mm。理正软件采用的是半无限均质连续介质弹性理论计算土中应力(布斯耐斯克解),《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)计算原理同理正软件计算原理一样。但是，本案例由于地基土并非水平均匀分布，使得该计算结果偏小。

3.2.2有限元计算

选取K120+770断面进行计算。该断面最大填高为31 m, 经计算，最大工后沉降为91～120 mm。有限元中应力计算采用有限单元法计算，边界条件与实际相符，计算结果比解析解相对精确，沉降计算较为合理。见图2、图3。

图2 压缩模量为40 MPa时的位移计算云图

图3 压缩模量为30 MPa时的位移计算云图

3.2.3日本和德国的经验公式计算

日本和德国对此类填方用如下经验公式[5]计算工后沉降：

s=h23000s=h23000

式中： s 为工后沉降； h 为填土高度。

本案例最大填高为31 m, 代入上式计算得 s =320 mm。该计算结果不依赖于填料的具体力学参数，为经验总结公式。且针对一般填料，本案例为块石填料，若前期沉降充分，工后沉降会小于320 mm。

3.2.4我国铁路行业经验计算

根据文献资料[5]显示，我国铁路行业对路基的工后沉降有如下经验取值：路基的压密下沉在通车后的1～1.5年即可趋于稳定，路基填土的压密下沉大约为路基填筑高度的0.1%～3%。按照该条经验总结，本案例在通车1～1.5年后，工后沉降在31 mm～930 mm之间。

4 计算结果汇总

施工期沉降主要为洞渣块石间相互错动，块石棱角挤压破碎，小颗粒填充于孔隙中，整体表现为沉降。在物理指标上，该过程表现为洞渣块石颗粒填充物孔隙比由大到小的变化。根据确定的初始孔隙比和最终孔隙比，确定沉降计算值，计算结果为1.2～1.9 m。

工后沉降计算中，由于隧道洞渣缺乏相关力学参数试验，工程性质不明，沉降机理复杂，且目前规范无堆石料沉降计算方法的规定，本案例计算只能通过类似工程类比的方法对参数及沉降规模大致进行估算。各种方法的计算结果如表2所示。本计算仅作为参考，后期应加强洞渣填充物沉降监测，验证上述计算的合理性。

表2 各种计算方法工后沉降计算结果

关于沉降与时间的关系，根据已有文献资料[3]的研究成果，本案例预测沉降～时间变化趋势如图4所示：施工期沉降约2 m左右，在洞渣填充完毕后5个月时间内(文献[3]中为80 d, 鉴于文献为分层压实的填石路基，而本案例为松散洞渣，故将该时间适当延长；文献[7]提出黄土高填路基需要至少6个月时间沉降才会完全稳定下来),施工期沉降会全部完成，洞渣块石颗粒达到相对稳定的状态，孔隙比达到自然填充状态下的最小值；此后，进入工后沉降期，隧道运营后2年内(文献[5]中为1～1.5年。但文献为一般路基填料，本案例为块石填料，需相对延长该时间),工后沉降达到约7 cm; 此后，沉降变化更缓。

5 相关案例

文献[6]案例：福建省夏沙高速A3标段，工点桩号为K129+340～K129+400,填石路堤，高度16 m, 分层压实，基底为强风化炭质粉砂岩，基底沉降接近为0,路堤顶面工后沉降实测值为122 mm, 历时8个月，之后沉降趋于稳定。

图4 该隧道溶洞填充物沉降～时间关系预测

文献[1]案例：采用有限元方法对岩溶填石路基进行了工后沉降计算，回填高度为30 m时，工后沉降计算值为28.92 mm; 并提出填石路堤工后沉降值为路堤高度的0.1%(本计算也采用了有限元计算方法，计算值为91～120 mm, 主要是由于采用的弹性模量值不同、本构模型不同所致)。

文献[3]案例：湖南常张高速K85+480～K85+850段填石路基，填筑高度为8～10 m, 填筑完成后监测沉降变化趋势，80 d时沉降量达到95 mm, 之后沉降趋于平缓。

文献[3]案例：广西寨任二级公路K42+540～K42+620路段填石路基，最大填筑高度为38 m, 80 d时沉降达到最大值180 mm, 之后趋于平缓。

文献[4]案例：该案例以200 m高堆石料坝体沉降值为研究对象，实测值中天生桥一级坝沉降347 cm, 洪家渡坝沉降142 cm, 三板溪坝沉降156 cm, 水布垭坝沉降244 cm, 统计得工后沉降为坝高的0.7%～1.7%(该案例研究对象为200 m高坝，坝体内自重应力较大，颗粒破碎导致的工后沉降明显。而本案例最大填高为31 m, 自重应力较小，颗粒破碎现象在运营期几乎没有，且溶洞底部和周边为硬质岩约束，故本案例的工后沉降计算值不能简单套用上述计算值按比例推算，实际会小于上述按比例推算)。

文献[8]案例：30～32.5 m填高的填石路堤，施工期沉降为166.4 mm～235.1 mm, 工后沉降为7.77 mm～147.2 mm。

文献[9]案例：广西某公路高填石路堤，填筑高度为34 m, 工后沉降最大值为23 mm, 且在700 d后趋于稳定。

6 结语

(1)洞渣体应采取超载预压措施，尽快完成施工期沉降。该类沉降值主要发生在施工过程。衬砌施工前，应严密监测数据变化趋势，待沉降稳定后方可施工。

(2)若施工期沉降完成充分，工后沉降会较小，约10 cm左右，且主要沉降量分析会在80 d内完成，剩余沉降预计运营2年后会趋于稳定。但不排除出现较大工后沉降的可能性，所以运营期应严密监控，并提前做好应急预案。

(3)由于溶洞不规则，洞渣填充高度也不规则，存在纵向和横向不均匀沉降，对衬砌影响较大，衬砌结构设计建议充分考虑该不均匀沉降产生的影响。

(4)根据碎石层协调变形能力试验，5 m厚的碎石层可以协调50 cm的凹陷变形。顶部碎石层翻挖碾压时增设刚性板，可以协调下部不均匀沉降，以减少对衬砌结构的影响。

参考文献

[1] 余涛.岩溶隧道内填石路基沉降规律及其影响分析[D].长沙理工大学，2015.

[2] 李琰庆.导水裂缝带高度预计方法研究及应用[D].西安科技大学，2007.

[3] 赵明华，吴建宁，陈昌富，等.基于龚帕斯生长曲线的高填石路堤沉降规律分析[J].中国岩溶，2005,(2):115-118.

[4] 王峰.考虑颗粒破碎的堆石料级配演化和变形特性研究[D].大连理工大学，2018.

[5] 李小雷.铁路站场高填方路基沉降分析与控制[D].西南交通大学，2017.

[6] 赵超.山区高填方路堤工后沉降变形规律与预测研究[D].中国地质大学，2018.

[7] 王国爱.通榜公路高填方路基的沉降观测与分析[J].甘肃科技纵横，2017,46(11):51-53.

[8] 曹喜仁，钟守滨，淤永和，等.高填石路堤工后沉降分析及工程算法探讨[J].湖南大学学报：自然科学版，2002,(6):112-117.

[9] 曹文贵，李鹏，程晔.考虑时效的高填石路堤工后沉降有限元及反馈分析研究[J].岩土力学，2005,26(S2):175-178.