王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2021/9013815 9013815 研究文章 预处理对隧道开挖期间岩溶洞穴:中国广西的一个案例研究 李 俊杰 1 程ydF4y2Ba Qiunan 2 https://orcid.org/0000 - 0001 - 8119 - 6807 黄 Xiaocheng 3 邹 创 2 邓 他 2 刘 杰 1 湖南省重点实验室的岩土工程稳定性控制和健康监测 湖南科技大学 湖南 湘潭411201 中国 hnust.edu.cn 2 土木工程学院 湖南科技大学 湖南 湘潭411201 中国 hnust.edu.cn 3 公路养护技术的国家工程实验室 长沙科技大学 长沙410114 湖南 中国 csust.edu.cn 2021年 15 9 2021年 2021年 2 6 2021年 9 8 2021年 15 9 2021年 2021年 版权©2021李俊杰et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

喀斯特景观是一个一般术语为地球表面和地下模式形成的可溶性岩石的溶解。喀斯特景观在中国政府广泛分布在广西和广东。喀斯特景观的主要特征通常反映在岩溶洞穴,灰岩坑和其他地理现象。在岩溶地区隧道施工期间,各种形式的岩溶洞穴可能出现在建设路线,他们可能会导致危险突水和期间崩溃隧道施工。这些危害影响隧道施工过程。因此,有必要提出一个治疗岩溶洞穴。在这项工作中,案例研究的隧道Hechi-Baise高速公路。提出了一种综合预处理方法适合这条隧道。在优先的前提下施工的安全性和时间表,一个优化治疗方案Hebai隧道的岩溶洞穴。优化治疗方案主要包括安全厚度的计算隧道的脸,加强最初支持和二衬的厚度增加,增加预留变形和灌浆。 The proposed scheme achieved favorable results in the treatment of a karst cavern in the Hebai tunnels.

 中国国家自然科学基金 52078211 51909087 湖南省自然科学基金 2020年jj4021 2021年jj40201 湖南省交通部门 202009年 长沙科技大学 kfj190107 湖南省教育 18 k064 1。介绍

喀斯特景观形成的可溶性rock-particularly石灰石的溶解。他们有很大程度的不可预测性和异质性,可能造成的各种危险( 1- - - - - - 6]。据悉,岩溶洞穴主要是充满地下水和填料( 7]。在隧道施工过程中,可能发生突水,泥浆侵入,崩溃由于岩溶洞穴 8- - - - - - 13]。因此,重要的是要准备这次在隧道施工前与非岩溶洞穴治疗。,安全性和减轻灾害将保证在施工期间。因此,有必要研究岩溶地质和采取有效对策,减轻地质灾害在岩溶地区的深挖掘洞穴( 14- - - - - - 16]。

岩溶是广泛分布在中国南方 14]。与基础设施工程的迅速发展,中国政府在隧道和地铁系统 17- - - - - - 19)——是不可避免的,岩溶洞穴在岩溶地区施工中会遇到。岩溶洞穴可以歧视分为两类,根据内部填充内容(有或没有水),或三种类型,根据洞穴位置(在隧道拱顶、拱腰或底部)。除了这些特征,渗透率高、变量的形状,崩溃在广西隧道洞穴的特点。

中国隧道工程是一个快速发展的时期。隧道施工技术不仅看到很多创新发展,而且许多建设项目问题和自然障碍已被有效地处理在岩溶地区。在隧道岩溶洞穴是立即的影响。例如,在杨林隧道在江苏省,过多的水和泥浆侵入发生在建筑和引起大结算( 20.]。超过505个岩溶洞穴预测岩溶地区的广东省。找到一个方法来解决这些洞穴在建设成为最重要的考虑因素。今天,最广泛使用的方法包括clearance-filling和简支梁桥方法,动态压实,喷射灌浆,sleeve-valve-pipe灌浆( 3, 4, 21]。然而,这些方法在施工缺陷,不能普遍应用于隧道洞穴( 14]。因此,需要特定的岩溶洞穴的具体治疗方法。

在这项研究中,岩溶隧道进行了研究,通过灌浆加固。众所周知,隧道施工路线遇到洞穴和风险缓解需要迅速执行。本文的目标如下:(i)来描述概况的隧道Hechi-Baise (Hebai)高速公路在广西,如图 1,(ii)讨论岩溶洞穴的潜在地质灾害和预处理技术在岩溶地区隧道施工期间,和(3)引入岩溶洞穴治疗技术,隧道的具体位置。本研究为类似工程提供了可行的建议和具体的施工方法和岩溶洞穴在未来治疗。

Hebai隧道的位置。

 2。施工现场描述

上有4中3短隧道Hebai高速公路是贯穿中国广西岩溶地区。有小净距和分离左和右车道的隧道。整车隧道使用复合衬里结构灵活的支持来自钢筋网、喷射混凝土,工字形的或钢格栅frames-as初始支持,允许充分发挥围岩的承载能力。二次衬砌是由成型混凝土(或模制钢筋混凝土),和一个化学成键和物理交联合作(CPS) reactive-bonded prepaved高分子膜是最初的支持和二次衬砌之间铺设一层防水,防止围岩水渗进隧道。

隧道区位于岩溶peak-cluster萧条地貌地区没有地形起伏大,地表水或地下水稳定隧道体内或以上。提出隧道穿过陡峭的山,和它的入口和出口都是位于坡脚附近山的两侧。地形相对较低,但loose-slope cumulose土壤。露天开挖隧道设计中采用。在洞穴的入口,管棚和小管预灌浆被用来加强裂隙岩体。裂缝的发展在身体周围的岩石隧道和局部腐蚀现象可能会导致水滴水或在隧道开挖过程中涌出。提出了隧道的物理参数如表所示 1。

物理力学参数。

材料 γ (kN·米3) E (GPa) μ f t (MPa) f c (MPa)
周围岩石年级第四 22.0 2.4 0.33 85.00 28.00
第二个衬里(C40) 26 31.5 0.2 2.20 23.40
最初支持(这件) 25 28.5 0.2 1.78 16.70
填充(C15) 23 22.0 0.16 1.27 10.00

γ :围岩体积密度; E:弹性模量; μ:岩石的泊松比;ƒ t:抗拉强度;ƒc:抗压强度。

 3所示。地质灾害和预处理方法 3.1。地质灾害

隧道区位于岩溶peak-cluster萧条地貌地区没有地形起伏大,地表水或地下水稳定隧道体内或以上。提出隧道穿过陡峭的山,和它的入口和出口都是位于坡脚附近山的两侧。地形相对较低,但loose-slope cumulose土壤。露天开挖隧道设计中采用。在洞穴的入口,管棚和小管预灌浆被用来加强裂隙岩体。裂缝的发展在身体周围的岩石隧道和局部腐蚀现象可能会导致水滴水或在隧道开挖过程中涌出。提出了隧道的物理参数如表所示 1。

Hebai高速公路隧道的工程地质复杂,这样很难确定开发、基本形式、规模、岩溶的分布和缺点。因此,许多不可预见的地质异常出现在施工期间。隧道开挖以来,许多灾害发生,如崩溃,水和泥浆侵入,地表沉陷。

隧道崩溃。如果有沿着隧道开挖路线岩溶洞穴,洞穴中的填料可能流入隧道开挖期间,隧道可能崩溃。隧道崩溃会导致进一步的隧道施工的困难,甚至后来的大规模崩溃。数据 2和 3显示了在隧道岩溶洞穴。大多数的洞穴分布对隧道的顶部,而另一些则出现在双方的拱门,和一些底部。

水和泥浆侵入。岩溶洞穴有各种内部fillers-particularly水和泥浆。因为被隧道施工扰动、水和泥浆之间可以通过裂缝流入隧道隧道墙壁和岩溶洞穴。如果没有一个有效的治疗应用于防止水和泥浆流入隧道,这些裂缝可能发展成一个大洞的洞穴,导致水和泥浆侵入。

地表沉陷。地表沉陷是一种地质灾害,发生在隧道开挖周围岩溶洞穴。建设可以导致大的障碍,这可能会导致上面的土壤中崩溃成岩溶洞穴( 22]。这个崩溃也能导致大和解,从而引起地表沉陷。Hebai在隧道施工中,地表沉陷在隧道区域。如图 4,一个大的坑观察大约2.4米长,1.1米宽,可能导致严重的人员伤亡,甚至威胁到周围建筑物的安全。因此,有必要采取行动,以防止地表沉陷。

岩溶洞穴的顶部右车道Hebai隧道的洞。

洞穴在Hebai隧道拱腰。

在Hebai隧道地表沉陷。

 3.1.1。建设应急计划

这些hazards-collapse、泥浆和突水和表面subsidence-often隧道施工期间发生意外,有一个伟大的对施工安全的影响。新奥地利隧道应用于隧道开挖方法。新奥地利隧道方法必须实现“安全第一,预防为主”的政策,制定相应的应急计划。

 3.1.2。在特殊地质条件下施工方案

混凝土、砌体或干砌石通常用作回填当一个隧道穿过一个无水岩溶洞穴小跨度,也没有发展。无需设置特殊排水措施当隧道穿越岩溶洞穴含水量较低。根据不同岩溶洞穴和隧道之间的交点位置,具体是用来填补这个洞穴,保护钢拱定心。各种措施,如喷砂和灌浆保留灌浆孔,也可以用来填补这个洞穴。岩溶洞穴通常是大的规模,并且有大量的不稳定的馅料。因此,支持大型管棚或桩基牵引梁通常用于跨越洞穴。因为该隧道部分位于岩溶发育区,有隧道岩溶洞穴的增长。在施工过程中,隧道地震预测(TSP) [ 23- - - - - - 2515 - 30米内)应加强隧道面前如棕榈面临推进钻井和地质雷达。监视和测量围岩应严格执行程序,和建筑垃圾必须清除。建设应遵循围岩的监视和测量,并在必要时应该立即修改设计。

 3.2。预处理方法 3.2.1之上。治疗小岩溶洞穴

提出的治疗方案主要是针对岩溶洞穴外拱隧道开挖表面上方,并在基础和人行道的深度小于2.0 m,在隧道边墙和那些发达。原则上,回填方法用于填补岩溶洞穴。

洞穴的开发上面拱腰。在这个场景中,如图 5回填C15混凝土泵,岩溶洞穴,以避免过度的地方压力造成的复合衬砌混凝土回填。根据的大小的洞里,其螺栓间距在洞里,大约每1.2米,每个螺栓至少1.0深入围岩。回填后,喷射混凝土和钢网最初的应用支持。

在隧道边墙洞穴开发。在这个场景中,如图 6使用、C15混凝土回填的厚度至少1.5米。Φ100高密度聚乙烯(HDPE)双壁波纹管穿孔也设置与边沟每2.0米。在此基础上,喷射混凝土和钢网的初始支持可以省略。

下洞穴开发基础和人行道上。在这个场景中,如图 7、C15混凝土回填。如果有填充物,它必须首先被发掘。Φ100 HDPE双壁波纹管穿孔的安排每2.0 m和相互联系的。

小型岩溶洞穴在拱腰。

小型岩溶洞穴侧壁。

小型岩溶洞穴在基地。

 3.2.2。大型岩溶洞穴上面拱腰

这种治疗方案主要是针对岩溶洞穴上方的拱腰或外部开发的隧道开挖面深度超过2.0米,和宽度小于隧道的开挖面。

大型水岩溶洞穴。在这个场景中,如图 8这件混凝土泵,最低200厘米的厚度。具体的两岸的洞穴必须嵌入到岩石至少50厘米,螺栓间距约为1.2米。每个螺栓的埋深应至少1.5米。随后,最初支持这样的混凝土和钢mesh解决到原来的结构。扩张的隧道部分岩溶洞穴,Φ800钢管是preburied底部的隧道连接原岩溶洞穴水道。

空的岩溶洞穴上面拱腰。在这个场景中,如图 9这件混凝土泵,最低80厘米的厚度。具体的两岸的洞穴必须嵌入至少50厘米到岩石螺栓间距约为1.2米。每个螺栓的深度应该至少1.5米。随后,最初支持这样的混凝土和钢mesh解决到原来的结构。Φ100 HDPE双壁波纹管穿孔是嵌入在进步。

大型水岩溶洞穴上面拱腰。

大,空岩溶洞穴上面拱腰。

 3.2.3。大型岩溶洞穴拱腰和下面的基础之上

这种治疗方案主要是针对岩溶洞穴上方的隧道拱腰下面的基础。前有特性,比如开发深度超过2.0米,宽度小于隧道的开挖表面,而后者已经开发的深度超过5.0米,宽度小于隧道的开挖表面。

在隧道岩溶洞穴基地。在这个场景中,如图 10,这样一个洞穴可以通过设置钢筋混凝土板桥。以确保稳定的联系桥梁板结束和基础,基础的承载力必须超过1200 kPa。

了岩溶洞穴在拱腰。在这个场景中,如图 11先进,Φ42×4毫米小管道应用水平提前30厘米的间距。预裂爆破用于挖掘,I18钢应用于50厘米的距离。应注意适当的扩张的钢框架,以确保一个坚实的基础。钢筋混凝土结构可以被认为是与螺栓和二次衬砌钢网根据岩溶洞穴的发展。在施工期间,应注意嵌入Φ100 HDPE双壁波纹管穿孔。此外,圆形排水管道在这方面应该增加。

大型岩溶洞穴在隧道基础。

大型岩溶洞穴上面拱腰(填料)。

 4所示。优化治疗在隧道岩溶洞穴

经过现场调查和讨论岩溶洞穴的位置和发展,提出了以下意见优化治疗的岩溶洞穴。

4.1。一般原则

开挖方法必须改变“three-bench隧道和预留核心土方法。“这种方法需要加强支持和尽快形成一个封闭的环。的长度上,中间,和更低的步骤应该控制在3米,同时应该安装和二级衬里。

治疗Hebai隧道岩溶洞穴的。

喷射混凝土在隧道拱顶面对Φ42先进小管。

地表塌陷坑地面塌陷后治疗粘土。

 4.2。优化措施

改变最初的支持和二次衬砌的厚度,增加预留变形。由于岩溶洞穴开始左侧壁,考虑施工过程的安全性和最小化的初始支持和围岩的扰动,支持方法如下。

采用左侧Φ108大型管道锁脚和灌浆塞。管棚长度根据现场实际情况确定。然而,它是必要的,以确保嵌入基岩的深度至少2米。正确的拱脚是密封用Φ42注浆导管锁脚,灌浆后,喷嘴密封。,保留变形增加到20厘米,二衬的厚度增加到60厘米(见图 12)。

穹窿灌浆。三层Φ42先进小管是用来巩固顶部和前表面土壤溶洞的左边(解决方案的弧长腔部分大约是7米)。三个小导管的长度和高度角在0°层4米,5米15°,在45°(参见图6米 13)。任何建筑技术作为钢筋网、钢拱的支持,喷射混凝土,提前储备泵的管道应用,直到最初的混凝土强度满足要求,其次是沙子吹回填。

治疗的山洞中山体滑坡。确保无二次崩溃或泥浆破裂发生在开挖倒塌的身体,这件喷射混凝土用于密封表面的冰层厚度达20厘米。随后,预灌浆固结进行岩溶洞穴和隧道的围岩在前面的脸。注浆管排列在一个梅花模式和连接到一个6米Φ42注浆导管的重叠2.0米,注浆管是安排在梅花图案。注浆管的数量应该增加适当间距为0.75米的位置的左边解散室和1.0米的间距右边的位置。确保稳定的倒闭后灌浆体,它可以单独挖掘。

测量和监视的洞穴。这部分的建设期间,任何更改在隧道的围岩和支持是密切观察。第三方监控和测量装置应保证每天两次的观测频率。如果发现异常条件(如连续出渣库,开裂和沉降最初的支持,和大型收敛值),施工队伍应要求停止和隧道的工人和设备应立即撤回。

地面塌陷的治疗。岩溶区后顺利通过,第二排的强度达到100%,地表塌陷坑回填粘土原始地面高程,和一套永久性水拦截沟原始倒塌坑防止地表水渗入隧道穿过坑裂缝。回填后,表面植被恢复可以执行原来的塌陷坑。为此,魏et al。 26)表明,喷涂草种植被使用,和地表塌陷坑回填粘土如图 14。

其他人。排水管道被埋在倒塌的腔外一侧的初始支持。这些管道旅行向下沿着隧道墙壁和纵向排水管连接。沉降缝被添加的突然改变部分围岩。与此同时,其他结算关节添加第二个衬里的施工部分。

 4.3。螺栓的计算处理溶洞

本文中提到的螺栓的间距和埋置深度需要计算。在这个项目中使用的经验公式如下:

螺栓间距的计算 (1) NgydF4y2Ba = F ∗ P P u ,

在哪里 NgydF4y2Ba每个螺栓的间距; F项目的安全系数,确定按照工程规范; P(kN)推力轴承填料; P u是最终的螺栓的拉伸负荷,这是由实验决定的。

螺栓长度的计算。计算锚固长度 l1的锚索锚杆之间的粘结强度和水泥砂浆 (2) l 1 = F 1 ∗ P π d 年代 τ u ,

在哪里 l1锚固长度(米), F1安全系数的极限强度能力, d 年代是螺栓的外径; τ u是螺栓之间的粘结强度和水泥砂浆 (3) l = l 1 + l 2 ,

在哪里 l螺栓的长度(m)和 l2的长度(m)暴露了锚索的长度。

5。优化治疗在隧道岩溶洞穴

岩溶地区隧道建成,并将遇到灾难事故泥破裂和出水隧道前脸(图 15)。在本节中,当有压力岩溶洞穴在隧道面前,基于前面的广场岩墙的应力特点隧道的脸,广场的安全厚度计算公式的岩墙在隧道面前。

灾难事故泥破裂和隧道开挖过程中出水。

 5.1。计算模型

当广场前的岩墙隧道的脸被泥浆侵入和突水,前面的广场岩体隧道面临将被冲,和失败的结构是圆锥形状的平台,如图 16。在本节中,基于极限平衡的原则,根据岩墙的失败形状条件下的突水和泥浆侵入,安全广场岩墙厚度的计算公式在隧道面前是派生 27, 28]。

三维损伤模型的滑动antiburst墙。

如图 16, h广场岩墙的厚度在隧道的面前, D是隧道的直径的脸, 问是空腔压力, θ 的压力扩散角冲的身体,在哪里 θ = 45 ° − φ / 2 。

 5.2。整体冲压拉伸断裂模型计算

当隧道脸上的岩墙达到极限平衡状态,只有拉伸行动岩墙的破坏面切割的身体被认为是。通过建立失败表面极限平衡方程(不考虑重力作用的岩墙),安全的岩墙厚度。

岩墙的侧面积减少身体 (4) 年代 = π h 因为 θ d + h 棕褐色 θ , 在哪里 d是压缩直径。

根据几何条件下, (5) D = d + 2 h 棕褐色 θ 。

根据极限平衡的原则, (6) 问 d 2 2 π − P t = σ t 年代 罪 θ , 在哪里 σ t 抗拉强度,MPa, P t 是面对压力的支持,NATM的原则(0 kN)。

用公式( 4)和( 5)( 6),最低爆发预防岩墙厚度。

 5.3。全部冲剪破坏模型计算

当隧道脸上的岩墙达到极限平衡状态,只有失败表面上的剪切阻力的岩墙切割的身体被认为是。通过建立失败表面极限平衡方程(不考虑重力的影响岩墙),安全的岩墙厚度。

根据极限平衡的原则, (7) 问 d 2 2 π − P t = τ 年代 因为 θ 。

根据公式( 1)∼( 2),突出预防广场前的岩墙厚度下隧道可以获得剪切破坏模式。

 5.4。全部冲剪破坏模型和拉伸断裂模型计算

当隧道脸上的岩墙达到极限平衡状态,考虑到联合行动失败的表面张力和剪切的岩墙切割身体,安全的岩墙厚度可以通过建立极限平衡方程获得失败表面(不考虑重力的影响岩墙)。

根据极限平衡的原则, (8) 问 d 2 2 π − P t = 年代 τ 因为 θ + σ t 罪 θ 。

根据公式( 4)∼( 5),突出预防广场前的岩墙厚度下隧道可以获得剪切破坏模式。

安全岩墙厚度是影响隧道的直径,溶洞的压力,抗拉强度、内摩擦角、抗剪强度。安全岩墙厚度是线性相关的隧道直径;安全岩墙厚度随抗拉强度的增加,剪切强度、内摩擦角;岩墙安全厚度的增加与腔压力和隧道直径的增加,安全岩墙厚度相对受到剪切强度的影响。计算隧道的安全厚度的脸后,支持参数的围岩隧道的脸可以进行了。

 6。优化治疗效果申请岩溶洞穴

有一个高液限clay-filling岩溶洞穴在隧道边墙部分K103 + 133∼K103 + 137,和它的方向从左到右。图 17在部分显示了拱顶沉降K103 + 130,成立于2018年11月15日。结算进展迅速超过10天,超过了当地政府设定的公差值。结算进展迅速的日变化小于5厘米,超过80厘米地方政府设定的公差值。

拱顶沉降变化溶洞地区接受治疗。

提出了优化措施应用岩溶洞穴。接受治疗后,日变化值归一化,表明基坑的沉降变化和风险降低。

监视和测量一直持续到第二排。11天之后,拱顶沉降变化结果表明,沉降稳定,优化测量了岩溶洞穴的一个有利的结果部分K103 + 133∼K103 + 137。

 7所示。结论

在岩溶地区隧道施工可能导致严重的地质灾害。隧道施工在沙质土壤覆盖的海绵岩溶在广西诱导等地质灾害,包括隧道崩溃,水或泥浆侵入,地面崩溃,和长期的不稳定。

在目前的研究中,岩溶洞穴Hebai隧道进行了简明扼要的分析和调查的基础上,大小、形状、岩性、和内部填充。

根据位置、大小和内部填充的喀斯特洞穴,不同的预处理方法是设置不同的情况。在施工过程中,洞穴可以提前准备,以免延误项目。

岩溶洞穴的计算模型建立隧道面前,分为三种情况来推断,和实际的安全岩厚度计算隧道的脸。根据隧道的安全厚度的脸,一些支持进行了隧道的围岩的脸。

通过现场检查和描述岩溶洞穴、具体和适当的计划被制定来填补和时间敏感的方式加强洞穴。优化治疗应用于Hebai隧道产生良好的结果。治疗后,该网站应该监控确定围岩是稳定的。然而,治疗可能不适合岩溶洞穴充满泥浆或土壤。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(52078211和52078211号),湖南省自然科学基金、中国(批准号2020 jj4021和2021 jj40201),科技进步和创新湖南省交通项目(202009),开放式基金的公路养护技术国家工程实验室(长沙科技大学kfj190107),湖南教育部门和科研项目(18 k064)。

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