司君嶺
(西南交通大學,四川成都 610031)
隨著我國交通隧道的快速發(fā)展,越來越多的隧道不可避免地穿越溶洞地層,隧道襯砌背后出現空洞往往會造成襯砌承受不均勻荷載,受力模式不同于一般隧道。同時一些溶洞地層含水量豐富,這就導致隧道在該地層中容易出現襯砌滲水漏水、襯砌開裂掉塊,嚴重情況下還會造成隧道整體結構失穩(wěn)。因此,對于穿越溶洞地層隧道安全性研究及溶洞對策研究具有重大意義。
本文計算采用ANSYS軟件建立荷載結構模型進行數值分析(圖1)。圍巖級別為V級,襯砌類型為Ⅴ[C]型圍巖復合式襯砌,C25混凝土。計算荷載見表1。
表1 參數值選取
圖1 計算模型示意(單位:kPa)
空洞填充后,空洞區(qū)出現回填荷載,圍巖應力狀態(tài)發(fā)生改變,加上填土本身具有一定黏性,且其物理力學性質與圍巖相近,故填土與圍巖可視為一個共同受力的系統(tǒng),會對襯砌變形產生抑制作用,應考慮其為襯砌結構提供的抗力。但由于填土的非均勻性,其彈性反力系數應適當考慮折減,因此在荷載結構模型中填土區(qū)域的地層彈簧剛度引入折減系數進行計算。
為了探明溶洞對隧道襯砌結構受力及安全度的影響,在不回填溶洞情況下,數值模擬得到初期支護內力(彎矩和軸力)圖(圖2~圖5),以及初期支護截面安全系數(表2)。
圖2 無溶洞隧道彎矩(單位:N·m)
圖3 無溶洞隧道軸力(單位:N)
圖4 有溶洞隧道彎矩(單位:N·m)
圖5 有溶洞隧道軸力(單位:N)
對比有無空洞情況下隧道內力圖可以看出,當隧道右上方出現空洞時,整體彎矩分布形式明顯不同,空洞區(qū)附近(B′)彎矩顯著增加,隧道左拱腰(B)彎矩反向變化。進而由安全系數計算結果可知,除拱頂(A)、左拱墻上(C)、右拱墻下(D′)外,其他監(jiān)測點處安全度均不符合規(guī)范標準,可見溶洞產生對隧道襯砌結構安全性影響很大。
表2 初期支護控制截面上安全系數
取拱頂(A)、拱腰(B、B′)、拱墻(C、C′、D、D′)、拱腳(E、E′)為控制截面,為了直觀體現剛度折減對結構受力的影響規(guī)律,引入不同地層剛度折減系數(取0.1,0.2,0.5,1)進行直觀反映,計算得到的不同剛度折減下安全系數隨回填深度關系(圖6)。
(a)折減系數0.1
可以看到,隨著回填深度的增加,受力形式趨近于無空洞狀態(tài),右拱墻上(C′)安全系數單調減少,右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數單調增加,其余監(jiān)測點安全系數呈現出先增加后減少的趨勢,且在7 m時達到最高;當剛度折減系數達到0.2以上時,回填4 m即能達到穩(wěn)定要求。
為了更直觀反映剛度折減系數的影響狀況,下面整理各回填深度下安全系數隨剛度折減系數的變化規(guī)律曲線(圖7)。
(a)回填深度1m
由曲線可以看出,回填3 m時,若回填覆土能提供原圍巖0.3倍地層抗力剛度系數,則初期支護可以穩(wěn)定;回填4 m時,回填覆土只需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數即能達到穩(wěn)定,且回填5 m時,回填覆土仍需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數。故綜上所述,回填4 m為最為經濟有效。
本文分別對隧道在無空洞地層、有空洞地層、回填空洞地層中進行數值模擬,得到如下結論:
(1)溶洞造成隧道襯砌結構整體受力形式發(fā)生改變,空洞區(qū)附近彎矩顯著增加,隧道左拱腰彎矩反向變化,襯砌大部分區(qū)域安全系數下降,不滿足規(guī)范要求。
(2)采用回填方式可有效增加隧道整體安全性。
(3)隨著回填深度的增加右拱墻上(C′)安全系數單調增加,右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數單調減少,其余監(jiān)測點安全系數呈現出先增加后減少的趨勢,且在7 m時達到最高。
(4)從剛度折減系數與回填深度對結構安全系數的影響規(guī)律進行研究,可以看出回填4 m可使隧道安全性達到要求,且最為經濟,為以后相似工程需要確定回填深度提供一種量化參考方法。