殷懷連

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

巖溶隧道施工時(shí)，不可避免地會(huì)遇上不同位置、不同充填程度、不同發(fā)育程度的巖溶。根據(jù)隧道施工時(shí)是否揭露巖溶，可將巖溶分為非隱伏巖溶和隱伏巖溶。對(duì)于非隱伏巖溶，由于施工的揭露，可以查明巖溶的規(guī)模、充填情況、與地表連通性等，根據(jù)已查明的巖溶特征，一般可以采取正確合理的處理措施。而對(duì)于隱伏巖溶，一類(lèi)是修建過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此類(lèi)巖溶的存在;二類(lèi)是修建過(guò)程中發(fā)現(xiàn)此類(lèi)巖溶，但對(duì)它的認(rèn)識(shí)不夠;若對(duì)此兩類(lèi)隱伏巖溶處理不當(dāng)，可能對(duì)隧道安全施工和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大影響。如隧道施工時(shí)其周?chē)碾[伏巖溶是空溶腔，二次襯砌施工以前，由于地表降雨等影響使隱伏空腔再次充水，如果空腔內(nèi)水量急劇增加，以致溶腔內(nèi)水壓升高，若初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以承擔(dān)水壓荷載，則隱伏空腔內(nèi)水壓有可能將初期支護(hù)“壓潰”，從而引發(fā)突水突泥災(zāi)害。如渝懷鐵路某隧道隱伏巖溶暗河地段[1］，由于地表降雨(2003年6月25日降雨量達(dá)189.4 mm)，暗河內(nèi)水壓增高，使 DK193+275～DK193+258、DK193+330～DK193+350段邊墻初支結(jié)構(gòu)因暗河水壓過(guò)高而被擠壓嚴(yán)重變形毀損。又如宜萬(wàn)鐵路某隧道5.16突水突泥[2］:2009年5月15～16日隧區(qū)連降大雨，總降雨量達(dá)51.7 mm，受降雨影響，Ⅰ線(xiàn)DK133+005～DK193+017段(初支已施做完畢，仰拱及二襯未施做)右側(cè)拱肩部發(fā)生突水，并伴有大量泥砂、卵石涌出，瞬時(shí)涌水量630 m3/h，突泥量約8 000 m3，導(dǎo)致潰口附近初期支護(hù)及橫撐被破壞。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)巖溶隧道突水機(jī)理及處治對(duì)策研究較多[3-9］，而就隧道周?chē)[伏空腔再次充水對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力的影響研究較少。以某巖溶隧道(空腔位于隧道的頂部)為工程背景，利用數(shù)值分析軟件，全面分析了頂部隱伏空腔再次充水情況下隧道初支結(jié)構(gòu)變形特征，所得結(jié)論可為該段隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二次襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 隧道工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)條件

某巖溶隧道為雙線(xiàn)鐵路隧道，全長(zhǎng)13 833 m。隧道開(kāi)挖界限高12.58 m，寬12.95 m，最大埋深680 m;隧道穿越三疊系大冶組、嘉陵江組，二疊系，石炭系，泥盆系，志留系地層，其中志留系、泥盆系等碎屑巖長(zhǎng)度占隧道總長(zhǎng)度的37%左右，二疊系棲霞組、茅口組、吳家坪組、長(zhǎng)興組，三疊系大冶組、嘉陵江組等灰?guī)r地層占隧道總長(zhǎng)度的63%左右?；?guī)r段地表巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，單管式、網(wǎng)絡(luò)式暗河系統(tǒng)發(fā)育，施工中易發(fā)生規(guī)模不等的突水突泥災(zāi)害。

在里程DK73+654～DK73+674.8段隧道拱頂部探測(cè)存在一隱伏空腔;空腔走向基本與隧道平行且多位于隧道的拱頂部;空腔高度為10.5～13.8 m，橫向?qū)挾葹?.9～10.3 m，縱向跨度為17.8～21.6 m，空腔底部與隧道拱頂部的凈距為4.9～6.8 m。施工時(shí)正值旱季，鉆孔發(fā)現(xiàn)僅有少量水流出，空腔有少量淤泥碎石充填物。

1.2 隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

隧道空腔段初期支護(hù)結(jié)構(gòu):全環(huán)格柵鋼架，縱向間距為0.8 m;φ25 mm砂漿錨桿，長(zhǎng)3.0 m，縱向間距1.6 m，環(huán)向間距0.4 m;鋼筋網(wǎng)采用6.5 mm鋼筋，間距@20 cm×@20 cm;噴射混凝土C25，厚25 cm。

1.3 空腔內(nèi)水壓監(jiān)測(cè)

2008年9月13日，當(dāng)?shù)赝唤荡蟊┯?，地表雨水?jīng)巖溶洞管道流入空腔，從而使空腔充水。為測(cè)定空腔內(nèi)的水壓力，在DK73+654斷面和DK73+654斷面拱頂處設(shè)置了2個(gè)水壓測(cè)試孔。經(jīng)測(cè)定空腔內(nèi)最高水壓達(dá)1.22 MPa，水壓較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在0.8～1.0 MPa左右，溶腔內(nèi)水壓時(shí)程曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 空腔內(nèi)充水壓力時(shí)程曲線(xiàn)

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 三維模型

為方便建模，把空腔簡(jiǎn)化為“半橢球+橢圓柱+半橢球”形狀。計(jì)算模型范圍:水平方向－45 m≤x≤30 m，軸向方向0≤y≤105 m，鉛直方向－45 m≤z≤30 m，計(jì)算模型如圖2所示。其邊界約束條件[10］為:兩側(cè)邊界約束水平方向位移，底部邊界約束鉛直方向位移，頂部為自由表面，上部圍巖按自重作用在模型的頂部表面。

圖2 隧道計(jì)算模型(1/2)

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)，圍巖采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型;初期支護(hù)采用shell結(jié)構(gòu)單元[11］。初始應(yīng)力場(chǎng)考慮了自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取0.47。系統(tǒng)錨桿和注漿加固可按提高加固區(qū)圍巖參數(shù)來(lái)考慮。鋼拱架采用等效方法計(jì)算[12］;空腔內(nèi)水壓沿徑向作用在空腔的內(nèi)表面上。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為空腔內(nèi)水壓為1.0 MPa時(shí)，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、軸向位移和豎向位移云圖。

從圖3(a)可以看出:初支結(jié)構(gòu)最大水平位移位于充水空腔段拱肩和拱腰之間的區(qū)域，以隧道中心左右兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布，向隧道外側(cè)變形，其值在1.0 mm左右;在非充水空腔段的初支也有同樣的特征，但其值約為充水段的50%。

從圖3(b)可以看出:以充水空腔的中心位置為對(duì)稱(chēng)軸，沿著隧道軸向前后兩段初支位移呈對(duì)稱(chēng)分布。在充水空腔的中心位置初支軸向位移為零，而在中心左右兩側(cè)各7～10 m的拱頂區(qū)域有最大的軸向位移，其值約為0.54 mm。

從圖3(c)可以看出:充水空腔底部靠近充水空腔側(cè)的初支結(jié)構(gòu)拱頂區(qū)域有較大的豎直向下位移，其最大值約為11 mm;在非充水空腔段的初期支護(hù)最大位移也位于拱頂區(qū)域，其值約為7～8 mm。

圖3只能宏觀(guān)地看出初支結(jié)構(gòu)位移在空間上的總體分布規(guī)律，并不能直觀(guān)看出初支結(jié)構(gòu)位移沿隧道軸向的變化規(guī)律。在此選取隧道軸向5處典型特征位置的初支結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行分析。圖4為初支結(jié)構(gòu)特征位置水平位移、軸向位移和豎向位移沿隧道軸向的空間分布曲線(xiàn)。

圖3 隧道初期護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖(單位:m)

圖4 初支結(jié)構(gòu)特征位置位移沿隧道軸向變化曲線(xiàn)

從圖4(a)可以看出:由于隧道及荷載的對(duì)稱(chēng)性，拱頂和仰拱底2處初期支護(hù)的水平位移為零。沿著隧道的軸向、邊墻和拱肩3處水平位移呈“幾”字形變化，在y=0～35 m范圍緩慢增大，在y=35～52.5 m范圍內(nèi)急劇增大，并在y=52.5 m斷面達(dá)到最大值，接著在y=52.5～70 m范圍內(nèi)急劇減小，在y=70～105 m圍內(nèi)緩慢減小。在整個(gè)過(guò)程中，邊墻處最大值為0.60 mm，拱肩處最大值為0.99 mm。

從圖4(b)可以看出:沿著隧道的軸向，5處特征位置位移變化曲線(xiàn)可以分為兩種類(lèi)型，在0～15 m范圍內(nèi)，沿著隧道的軸向，5處特征位置的軸向位移均逐漸向負(fù)的方向增大，表明在頂部水壓力的作用下，初支向背離空腔方向發(fā)生變形。在y=15～45 m范圍內(nèi)，拱底、墻腳和邊墻3處的軸向位移值變化較小，而拱頂和拱肩兩處負(fù)值繼續(xù)增大，在y=45 m斷面達(dá)到最大，拱頂和拱肩最大軸向位移值分別為 －0.408 mm、－0.199 mm;在y=45～52.5 m范圍內(nèi)，5處特征位置的軸向位移均逐漸增大，并在y=52.5 m斷面均為零;y=52.5～105 m范圍內(nèi)與y=0～52.5 m范圍內(nèi)，呈現(xiàn)負(fù)的對(duì)稱(chēng)分布，對(duì)拱頂處影響最大，對(duì)其他4處特征位置影響較小。

從圖4(c)可以看出:沿著隧道的軸向，拱底、邊墻和墻腳3處特征位置豎向位移幾乎不受充水腔的影響;拱肩處略受影響，y=52.5 m斷面處位移值最大，為－6.754 mm，比y=18 m斷面僅增大1.1倍;拱頂處豎向位移變化最大，其影響范圍在y=39～66 m范圍內(nèi)，最大值在y=52.5 m斷面，其值為－11.49 mm，比普通區(qū)段增大1.5倍。

4 頂部空腔充水對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響

4.1 空腔內(nèi)水壓對(duì)初支結(jié)構(gòu)位移的影響

為分析空腔內(nèi)水壓的變化以及沿著隧道軸向不同斷面的初支結(jié)構(gòu)位移特征，選取2個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，這2個(gè)典型斷面分別為y=44.5 m斷面(頂部存在充水溶腔但規(guī)模較小)和y=52.5 m斷面(頂部充水溶腔規(guī)模最大)。圖5和圖6分別為充水空腔與隧道間距為5.2 m，空腔內(nèi)水壓分別為0 MPa、0.1 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.1 MPa 6 種不同水壓作用下，2個(gè)典型斷面初期支護(hù)水平、軸向和豎向三個(gè)方向位移隨溶腔內(nèi)水壓的變化曲線(xiàn)。

由圖5(a)和圖6(a)可以看出:

①當(dāng)水壓在0～0.6 MPa變化時(shí)，拱肩和邊墻2處的水平位移始終為負(fù)值，并隨著水壓的增大，其值逐漸減少，說(shuō)明在水壓不超過(guò)0.6MPa時(shí)，2處的初支還是向隧道內(nèi)變形，但在拱頂水壓力的作用下，有逐漸向隧道外側(cè)變形的趨勢(shì)。當(dāng)水壓大于1.0 MPa時(shí)，拱肩、邊墻和墻腳3處的水平位移始終為正值，并隨著水壓的增大而增大，說(shuō)明在水壓超過(guò)1.0 MPa時(shí)，水壓力“壓迫”初期支護(hù)結(jié)構(gòu)向隧道外側(cè)變形。如y=52.5 m斷面拱肩處，當(dāng)水壓為0.6 MPa時(shí)，其水平位移為－0.19 mm，當(dāng)水壓為1.0 MPa時(shí)，其水平位移為0.048 mm，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移方向反向。

圖5 y=44.5 m斷面隧道初期支護(hù)特征位置位移隨空腔內(nèi)水壓的變化曲線(xiàn)

圖6 y=52.5 m斷面隧道初期支護(hù)特征位置位移隨空腔內(nèi)水壓的變化曲線(xiàn)

②從水平位移受水壓的影響程度而言，拱肩處影響最大，邊墻處影響次之，墻腳處最小;如水壓從1.0 MPa增大到1.5 MPa時(shí)，拱肩處增大了0.34 mm，邊墻處增大了0.19 mm，墻腳處增大了0.09 mm。

圖7 y=44.5 m斷面特征位置初期支護(hù)位移隨充水空腔與隧道間距的變化曲線(xiàn)

③從y=44.5 m斷面到y(tǒng)=52.5 m斷面，其受水壓的變化規(guī)律基本一致，但受影響的程度，后者要大于前者。如當(dāng)水壓從1.5 MPa增大到2.1 MPa時(shí)，y=44.5 m斷面拱肩處增大了0.669 mm，而y=52.5 m斷面拱肩處增大了1.31 mm，后者約為前者的2倍。

由圖5(b)和圖6(b)可以看出:由于隧道及空腔的對(duì)稱(chēng)性，y=52.5 m斷面隧道特征位置處軸向位移均為零，不受水壓的影響，如圖5(b)所示。在 y=44.5 m斷面，由于該斷面與隧道中心有一定的距離，隨著空腔內(nèi)水壓越來(lái)越大，其軸向位移值也越來(lái)越大;從受影響的程度而言，拱頂和拱肩2處最大，邊墻和墻腳次之，仰拱底最小，如圖6(b)所示。

由圖5(c)和圖6(c)可以看出:隨著空腔內(nèi)水壓逐漸增大，隧道拱圈特征位置初期支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移均逐漸增大，但從受影響程度而言，仰拱底幾乎不受影響，墻腳、邊墻和拱肩3處受影響程度基本一致，拱頂處受影響程度最大。如y=52.5 m斷面，當(dāng)水壓從1.5 MPa增大到2.1 MPa時(shí)，仰拱底、墻腳、邊墻、拱肩和拱頂分別增加了0.05 mm、0.49 mm、0.74 mm、1.41 mm和8.41 mm，拱頂處豎向位移增量分別為拱肩、邊墻、墻腳和仰拱底的6倍、11倍、17倍和168倍。

4.2 空腔與隧道間距對(duì)初支結(jié)構(gòu)位移的影響

圖7和圖8分別為空腔內(nèi)水壓為1.0 MPa，隧道與充水空腔間距分別為3.4 m、5.2 m和7.2 m時(shí)，y=44.5 m斷面和y=52.5 m斷面的隧道初支結(jié)構(gòu)三向位移隨隧道與充水空腔間距的變化曲線(xiàn)。

圖8 y=52.5 m斷面初期支護(hù)特征位置位移隨充水空腔與隧道間距的變化曲線(xiàn)

圖7 (a)和圖8(a)可以看出:

①隨著充水空腔與隧道間距逐漸減小，除拱頂和仰拱底兩處水平位移為零外，拱肩、邊墻和墻腳3處的水平位移逐漸增大，如y=52.5 m斷面拱肩處，當(dāng)充水空腔與隧道間距從7.5 m減少到5.2 m和3.4 m時(shí)，其值從0.026 mm增大到0.285 mm和0.383 mm，分別增大11倍和15倍。

②比較2圖還可以看出:兩斷面各特征水平位移值變化較小，表明充水空腔與隧道間距的變化對(duì)特征位置水平位移影響較小。

圖7(b)和圖8(b)可以看出:

①對(duì)于y=44.8 m斷面，隨著空腔與隧道間距逐漸減少，軸向位移逐漸增大。當(dāng)隧道與空腔間距從7.5 m減小到5.3 m時(shí)，拱頂處軸向位移從0.29 mm增大到0.385 mm，增大約1.33倍;當(dāng)隧道間距再?gòu)?.3 m減小到3.3 m時(shí)，其軸向位移從0.385 mm增大到0.516 mm，增大約1.34倍。對(duì)于y=52.5 m斷面，由于隧道結(jié)構(gòu)的對(duì)性，其軸向位移接近于零，因此，隧道與溶洞間距的變化對(duì)其無(wú)影響，如圖7(b)所示。

②從受影響的程度而言，拱頂處影響最大，拱肩處次之，邊墻、墻腳和仰拱底3處影響最小。如當(dāng)間距從5.2 m減少到3.4 m時(shí)，拱頂處增大了0.13 mm，拱肩處增大了0.05 mm，邊墻、墻腳和仰拱底3處幾乎不受影響。

圖7(c)和圖8(c)可以看出:

①隨著充水空腔與隧道間距離的逐漸減小，豎向位移逐漸增大。從受影響的程度而言，拱頂最大，拱肩次之，邊墻和墻腳2處再次，仰拱底最小。如y=52.5 m斷面，當(dāng)充水空腔與隧道間距從5.2 m減少到3.4 m，拱頂、拱肩、邊墻、墻腳和仰拱底5處分別增大2.01 mm、1.20 mm、0.45 mm、0.35 mm 和0.26 mm。

②比較2圖還可以看出，充水空腔與隧道間距的變化對(duì)初支結(jié)構(gòu)位移的影響規(guī)律是一致的，但對(duì)不同斷面影響程度不一樣，如y=52.5 m斷面，當(dāng)間距從7.2 m減少到5.2 m時(shí)，拱頂處的豎向位移增量為1.67 mm，而y=44.5 m斷面拱頂處的豎向位移增量為0.81 mm，前者為后者的2倍多。

5 結(jié)論

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位于充水空腔中心段拱肩和邊墻之間的區(qū)域，以隧道中心左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，向隧道外側(cè)變形，其值在1.0 mm左右;軸向位移在充水空腔的中心位置處為零，而在中心左右兩側(cè)各10 m的拱頂區(qū)域有較大的軸向位移，呈對(duì)稱(chēng)分布，其最大值為0.54 mm;豎向位移在充水空腔底部靠近充水空腔側(cè)的拱頂區(qū)域最大，其最大值約為11 mm。

隨著空腔內(nèi)水壓逐漸增大，拱肩和邊墻2處水平位移由向隧道內(nèi)變形逐漸向隧道外變形，其臨界水壓在0.6～1.0 MPa;豎向位移隨著水壓的增大而增大，其中對(duì)拱頂處影響最大，拱肩、邊墻和墻腳3處次之，仰拱底幾乎不受影響。

隨著充水空腔與隧道間距離的逐漸減小，水平位移和豎向位移逐漸增大，從受影響的程度而言，拱頂最大，拱肩次之，邊墻和墻腳2處再次，仰拱底最小。

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