中冶赛迪城市交通设计院重庆400074
摘要：基于动量定理，给出并分析了隧道工程中落石冲击力的计算方法，提出了隧道顶部空腔落石冲击灾害的处理措施，依托恩来恩黔高速高罗隧道ZK92+619溶洞处治案例，对落石灾害的防治提出了建议，结果表明：采用上覆砂层和混凝土套拱组成的联合缓冲结构以应对落石冲击灾害是有效的。本文的研究成果为隧道顶部遭遇空腔的处治提供了经验依据。
关键词：空腔；落石；缓冲；预防
1引言
高等级铁路、公路网建设是我国重要的发展战略，我国地质条件复杂，岩溶分布广泛，几乎所有的省区都有喀斯特的分布，由于公路交通事业的发展需要，许多隧道在岩溶地区兴建。由于岩溶地质条件的复杂性，岩溶隧道往往会遭遇塌方、溶洞等工程地质灾害[1-3]。当隧道顶部遭遇塌腔、溶腔时，腔体顶部的落石冲击会对隧道衬砌结构及未来的安全运营造成不利影响，对隧顶空腔的处理将直接影响该隧道工程施工质量的好坏。
然而，由于落石冲击-缓冲过程的复杂性，实际工程中对落石冲击力的估算及缓冲体系的选择扔具有一定的经验主义，本文将对基于动量定理的落石冲击力计算简化计算方法进行分析，从增强缓冲结构缓冲能力的角度出发，提出一种上覆砂层与混凝土套拱组成的联合缓冲体系，依托工程案例，对隧道顶部落石灾害的预防及治理提出建议。
2落石冲击力计算方法
我国的《公路隧道设计规范》[4]将落石冲击划归偶然荷载，推荐采用对现场量测数据进行验证，其认为在必要时可以采用简化的模型对落实冲击力进行估算。冲击估算值如式（1）所示：
（1）
式中：P是落石冲击荷载，v0是落石冲击速度，g是落石重力加速度，t是冲击时间。式（1）中各参数意义明确，并且其形式较为简单，可在使用其进行落石冲击力估算时存在其固有弊端，首先，该式无法考虑缓冲层的作用，另外，冲击时间t的取值只能凭借人为的估算，但其大小对冲击力数值的估算有重要的影响。由于对落石冲击荷载的研究不足，因此在落石冲击防护上存在一定的经验主义。
3隧道顶部空腔的处治措施
隧道施工过程中遭遇顶部空腔时，常常采取泵送混凝土的方法，泵送一定厚度的混凝土形成套拱，使其作为拱顶保护层。在此基础上，本文推荐预留吹砂量，对保护层上方空腔进行一定厚度的吹砂回填，以形成上覆砂层与混凝土套拱相联合的缓冲结构，不仅提高了缓冲结构的缓冲能力，还减少了回填的重量和造价，其结构示意图如图1所示。
图1上覆砂层-混凝土套拱缓冲结构示意图
4工程应用与建议
4.1工程应用
高罗隧道[5]位于宣恩县高罗乡龙河村，左线起讫里程为ZK62+364~ZK62+931，长度567.0米，右线起讫里程为ZK62+367.7~ZK62+925，长度557.3米，隧道左右线间距约17m。
2012年11月，高罗隧道左线掘进至ZK92+619，掌子面拱顶上方揭示溶洞，其高度约8m，宽度约5m，纵向长度3m，溶腔向上延伸至拱顶轮廓线外3m，溶洞内充填可塑状粉质粘土，且边墙有水渗出。经过会勘及商讨，如图2所示，拟定主要治理方案如下：
（1）对溶洞影响范围内的支护进行加强，讲ZK62+619~ZK62+624段SF-Ⅱ复合衬砌调整为SF-Ⅳc支护，将I14工字钢钢架纵向间距调整为80cm，系统锚杆纵向间距相应调整，其余按SF-Ⅳc支护不变。
（2）溶洞在拱顶初期支护外缘2m范围采用C20混凝土填充，混凝土上方再泵送0.5m厚砂材料作为缓冲层。
（3）在溶洞充填砼上埋设二道Φ110HDPE无孔波纹管，波纹管露出熔腔砼部周边打孔，并用无纺土工布包裹埋于砂层内，将水引至隧道永久性排水设施内排除。
（4）施工时按工字钢间距逐榀进行开挖，及时进行支护。
图2高罗隧道ZK62+619溶洞处理示意图
经过该方案治理，围岩趋于稳定，并且成功规避了落石冲击灾害，高罗隧道顺利贯通并能够安全运营。
4.2施工建议
当隧道顶部遭遇空腔时，采取“拱罩防护”是行之有效的，但是在其施工方案的确定方面有几个关键问题。首先，当隧道遭遇溶洞、塌方时，应加强该段落的衬砌支护，并保证监控量测数据的及时性，对监控量测数据进行合理分析，才可进行下一步的施工。另外，在缓冲层内，应考虑施作排水系统，使之与围岩原过水通道相连，将围岩地下水引入排水沟。而且，缓冲结构厚度的控制是落石灾害防治的关键，缓冲结构过厚，则使得衬砌承担了过多的结构自重荷载，缓冲结构厚度不足，则衬砌容易被落石击穿。
在隧顶空腔落石灾害的处理方面，对溶洞的发现及塌方灾害的前兆信息识别可保证对灾害的处理有条不紊的进行。地质雷达技术与监控量测技术为溶洞探测提供了途径。溶洞在地质雷达图像上的形态特征主要取决于溶洞形状、大小及充填物的性质，一般表现为由许多双曲线强反射组成，在洞穴侧壁上一般表现为高幅、低频、等间距的多次反射波组，特别是无充填物或充满水的反射波更强，而洞穴底部界面的反射不够明显，只有当洞穴底部部分充填水或粘土等物质时反射波才会有所增强，可见一组较短周期的细密弱反射；如果洞穴为空洞或充水溶洞则洞身内基本无电磁波；有充填物时电磁波能量迅速衰减，高频部分被吸收，反射的多为低频波，自动增益梯度增大[6]，其典型反射波图像见图3。
图3溶洞典型地质雷达图像
5结论
本文采用理论分析与工程案例相结合的方法研究了隧顶空腔落石灾害的预防途径与处理方案，有如下结论：
（1）采用上覆砂层和混凝土套拱组成的联合缓冲结构以应对落石冲击灾害是有效的，缓冲结构厚度的控制是落石灾害防治的关键；
（2）当隧道遭遇溶洞、塌方时，除了施作缓冲结构外，还应加强该段落的衬砌支护，并在监控量测的指导下进行施工；
（3）有效地开展超前地质预报工作，可提前探知隧道顶部空腔，使用地质雷达法对溶腔的探测是行之有效的。
参考文献：
[1]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报不良地质体地震波反射特性研究[J].地下空间与工程学报，2008，4（4）：640-644，716.
[2]许振浩，李术才，李利平，等.一种典型的岩溶隧道衬砌压裂突水灾害成因与防治[J].岩石力学与工程学报，2011，30（7）：1396-1404.
[3]许振浩，李术才，李利平，等.基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J].岩土力学，2011，32（6）：1756-1766.
[4]浙江省交通设计院.公路隧道设计规范[M].人民交通出版社，1991.
[5]郭明.隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响规律及鄂西山区岩溶处治技术研究[D].山东大学，2014.
[6]周轮，李术才，许振浩，等.隧道施工期超前预报地质雷达异常干扰识别及处理.隧道建设，2016，36（12）：1517-1522.