姜 波,王成林,黃明利,管 強(qiáng)

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,重慶 400023； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 3.中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400037)

隨著國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大，在巖溶地區(qū)修建的隧道數(shù)量逐年攀升，施工中遇到高壓富水大型充填溶洞時(shí)，常常采用泄水降壓處理。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于降雨影響再加上排水系統(tǒng)堵塞，靠近襯砌的溶洞極可能重新充滿(mǎn)水，威脅襯砌安全。不同于一般隧道襯砌由圍巖壓力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的襯砌開(kāi)裂等問(wèn)題，富水巖溶隧道更多是水荷載的直接作用導(dǎo)致的。宜昌市季家坡隧道，降雨后，巖溶裂隙空間內(nèi)積水形成高水壓，邊墻底板破裂突水，累計(jì)積水8 000 m3[1]；武吉高速公路南石壁隧道運(yùn)營(yíng)期間由于巖溶發(fā)育，襯砌承受高水壓導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂、路面拱起[2]。如何保證高水壓下運(yùn)營(yíng)階段襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其重要。學(xué)者們對(duì)溶洞作用下襯砌的水壓力進(jìn)行了研究，鄒育麟等[3]認(rèn)為襯砌背后水壓力與斷層、向斜核部、巖溶發(fā)育區(qū)等構(gòu)成的儲(chǔ)水構(gòu)造有關(guān)，暴雨之后，地下河水位上升，并不斷在襯砌背后累積，襯砌背后水壓急劇增大，襯砌開(kāi)裂，造成滲漏病害；董輝等[4]發(fā)現(xiàn)襯砌外水壓力還與節(jié)理面傾角和溶洞布置形態(tài)有關(guān)，且節(jié)理傾角的作用強(qiáng)于溶洞布置形態(tài)；萬(wàn)飛，丁燕平等[5-6]對(duì)隧道襯砌的內(nèi)力進(jìn)行研究，表明水荷載作為襯砌的主要荷載之一對(duì)隧道軸力和彎矩影響巨大；聶志凌，莫陽(yáng)春等[7-9]對(duì)水壓充填型溶洞下襯砌的安全性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)襯砌安全性與溶洞的位置、規(guī)模、水壓力及襯砌斷面形式有關(guān)。由于隧道周?chē)灰?guī)則溶洞、襯砌施工缺陷、隧道排水系統(tǒng)堵塞等原因，襯砌背后水壓力分布極不均勻。申志軍[10]對(duì)運(yùn)營(yíng)中宜萬(wàn)線的野三關(guān)、大支坪、馬鹿箐、云霧山隧道進(jìn)行了長(zhǎng)期水壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)襯砌水壓力并非均勻分布，隧道二襯最高水壓力是最低水壓力的10倍；袁慧[11]對(duì)宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道進(jìn)行水壓力監(jiān)測(cè)，得到了類(lèi)似的規(guī)律。

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)施工期間富水溶洞引發(fā)的問(wèn)題關(guān)注較多[12-15]，對(duì)襯砌內(nèi)力和安全性的研究相對(duì)較少。前人研究多集中在距隧道一定距離的充填溶洞上[16-18]，對(duì)靠近襯砌背后的富水溶洞研究較少，且研究多以中低水壓為主。以新圓梁山隧道富水溶洞段為依托，采用數(shù)值模擬方法，探究襯砌背后存在富水溶洞情況下，襯砌內(nèi)力及其安全性，探討溶洞不同位置、不同分布范圍、不同水壓力下襯砌內(nèi)力和抗水壓能力。

1 新圓梁山隧道富水溶洞段概況

新園梁山隧道以渝懷Ⅰ線圓梁山隧道的貫通平導(dǎo)(距既有線30 m)擴(kuò)建而成。該隧道穿越長(zhǎng)2 200 m的高壓富水區(qū)-毛壩向斜段，發(fā)育有3個(gè)大型溶洞。1號(hào)溶洞為泥砂型充填溶洞，2號(hào)溶洞為粉細(xì)砂型充填溶洞，3號(hào)溶洞為黏土型充填溶洞。其中，2號(hào)溶洞是位于毛壩向斜核心部位的粉細(xì)砂型充填溶洞，注漿難度極大，雨季受排水系統(tǒng)限制，施工期間測(cè)得2號(hào)溶洞水壓達(dá)3.013 MPa，施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)極大。毛壩向斜縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 毛壩向斜段縱斷面

根據(jù)文獻(xiàn)[19]研究成果，2號(hào)溶洞與地表連通，分布范圍約70 m。2號(hào)溶洞分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 2號(hào)溶洞分布示意

從圖2可看出，在隧道里程YDK340+365～YDK340+395之間，溶洞大規(guī)模分布，擴(kuò)挖斷面已經(jīng)穿過(guò)溶洞，在YDK340+375處，溶洞距既有平導(dǎo)僅2 m。

2 荷載特征和計(jì)算模型

新圓梁山隧道2 200 m富水溶洞段多采用橢圓形襯砌，靠近襯砌的水壓充填型溶洞在水壓力作用下，沿著圍巖溶蝕裂隙向隧道襯砌發(fā)展，并尋找襯砌背后薄弱點(diǎn)，地下水直接作用在襯砌結(jié)構(gòu)上。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)穿過(guò)富水溶洞群，隧道周?chē){效果差時(shí)，地下水沖刷充填的注漿材料，長(zhǎng)期作用下，地下水沖過(guò)初期支護(hù)，二次襯砌與富水溶洞直接接觸(圖3)，溶洞與襯砌直接接觸部位的水壓力大于襯砌結(jié)構(gòu)其他部位。

圖3 襯砌背后富水溶洞示意

襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)法[20].并作如下理想化修正：

(1)忽略溶洞處圍巖壓力和地層抗力，忽略溶洞部位處應(yīng)力集中；

(2)襯砌背后存在溶洞部位承擔(dān)全部水壓力，襯砌其他部位與圍巖密貼，水壓力不向其擴(kuò)散。

根據(jù)假定，高水壓下荷載結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖4。

圖4 襯砌背后富水溶洞下荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型

溶洞部位去掉地彈簧，將水壓力直接作用在溶洞位置，以水壓力代替地彈簧。

3 隧道計(jì)算工況

以新圓梁山隧道高壓富水溶洞段橢圓形襯砌為研究對(duì)象，劃分網(wǎng)格時(shí)每延米約劃分2個(gè)單元，共劃分52個(gè)單元，其中，1～4為左拱底單元、5～8為左拱腳單元、9～22為拱腰單元、23～26為拱頂單元，襯砌尺寸和計(jì)算單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖5。

圖5 橢圓形襯砌斷面

研究溶洞處不同范圍和水壓力下的襯砌內(nèi)力和安全系數(shù)，計(jì)算參數(shù)和工況如下。

(1)計(jì)算參數(shù)

新圓梁山隧道圍巖及襯砌計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖參數(shù)

其中，襯砌厚80 cm，配筋率為1.0%?；炷敛捎肅40，重度25 kN/m3，彈性模量33.5 GPa，泊松比0.2。

(2)計(jì)算工況

由于襯砌結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)拱頂、拱腰(左側(cè))、拱腳(左側(cè))、拱底部位的富水溶洞進(jìn)行研究，具體工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況

表2中溶洞是指襯砌背后存在的富水溶洞，溶洞范圍為襯砌背后溶洞所占襯砌的弧長(zhǎng)，以下研究水壓力和溶洞范圍對(duì)襯砌受力和安全性的影響。

4 富水溶洞對(duì)襯砌受力的影響

4.1 水壓力對(duì)襯砌軸力的影響

溶洞分布部位不同，襯砌軸力分布不同，圖6為溶洞范圍1.0 m時(shí)，不同溶洞位置下，襯砌軸力與水壓力的關(guān)系曲線。

另外，還對(duì)富水溶洞范圍3.0 m下，拱頂、拱腰和拱底富水溶洞的工況進(jìn)行研究，見(jiàn)圖7。

圖6 襯砌軸力與水壓力關(guān)系(溶洞范圍1.0 m)

圖7 襯砌軸力與水壓力關(guān)系(溶洞范圍3.0 m)

由圖6可知，1.0 m溶洞范圍下，拱頂和拱腰富水溶洞，襯砌各部位軸力與水壓力近似線性正相關(guān)；拱底富水溶洞下，襯砌各部位軸力變化不大；拱腳富水溶洞下襯砌軸力與水壓力關(guān)系無(wú)明顯規(guī)律。

從圖7可知，溶洞范圍增大到3.0 m時(shí)，拱頂和拱腰富水溶洞，隨著水壓力的增大，襯砌各部位軸力也線性增大；拱底富水溶洞只有在水壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，軸力才開(kāi)始線性增大。

4.2 溶洞范圍對(duì)襯砌軸力的影響

從圖6(a)可知，拱頂富水溶洞下，拱頂和拱腳為襯砌內(nèi)力極值點(diǎn)，對(duì)極值點(diǎn)軸力與溶洞范圍的關(guān)系進(jìn)行研究，拱頂、拱腳軸力隨拱頂富水溶洞范圍的增大而增大，見(jiàn)圖8。

圖8 襯砌軸力與溶洞范圍關(guān)系(拱頂富水溶洞)

圖6(b)知，拱腰富水溶洞下，拱頂、拱腳為軸力極值點(diǎn)，軸力同樣隨富水溶洞范圍的增加而增大，見(jiàn)圖9。

圖9 襯砌軸力與溶洞范圍關(guān)系(拱腰富水溶洞)

對(duì)拱底富水溶洞下，拱腳和拱底軸力進(jìn)行分析，其軸力圖與溶洞范圍的關(guān)系見(jiàn)圖10。

圖10 襯砌軸力與溶洞范圍關(guān)系(拱底富水溶洞)

與拱頂和拱腰富水溶洞不同，拱腳富水溶洞工況下，只有水壓力達(dá)到1.0 MPa，軸力才隨著溶洞范圍的增大而增大，水壓力達(dá)不到該值時(shí)，襯砌軸力受溶洞范圍影響較小。

4.3 水壓力對(duì)襯砌彎矩的影響

由于計(jì)算工況較多，水壓力取1.5 MPa時(shí)，襯砌整體彎矩云圖見(jiàn)圖11。由圖11可知，溶洞位置不同，彎矩分布不同，相同點(diǎn)是溶洞位置處為彎矩極大值點(diǎn)，溶洞兩側(cè)為彎矩極小值點(diǎn)。

圖11 襯砌彎矩云圖

對(duì)拱頂和拱腰富水溶洞襯砌多個(gè)部位的彎矩與水壓力的關(guān)系進(jìn)行分析，見(jiàn)圖12。

圖12 襯砌彎矩與水壓力關(guān)系

由圖12可知，同襯砌軸力變化規(guī)律類(lèi)似，拱頂和拱腰富水溶洞下，襯砌各部位彎矩基本隨水壓力線性增大；拱腳富水溶洞下襯砌彎矩與水壓力近似線性關(guān)系。

對(duì)拱底富水溶洞工況下，不同溶洞范圍下的拱底和拱腳彎矩與水壓力的關(guān)系進(jìn)行研究，見(jiàn)圖13。拱底和拱腳彎矩均隨水壓力的增大呈線性增加趨勢(shì)。

圖13 襯砌彎矩與水壓力關(guān)系(拱底富水溶洞)

4.4 溶洞范圍對(duì)襯砌彎矩的影響

在拱頂富水溶洞工況下，彎矩最大值位于拱頂，拱頂處彎矩與溶洞范圍的關(guān)系見(jiàn)圖14。

圖14 拱頂彎矩與溶洞范圍關(guān)系(拱頂富水溶洞)

拱腰富水溶洞條件下，左拱腰和拱頂這兩個(gè)彎矩極值點(diǎn)與溶洞范圍的關(guān)系見(jiàn)圖15。

圖15 襯砌彎矩與溶洞范圍關(guān)系(拱腰富水溶洞)

拱底富水溶洞工況下，拱腳和拱底為彎矩極值點(diǎn)，其彎矩與溶洞范圍關(guān)系見(jiàn)圖16。

圖16 襯砌彎矩與溶洞范圍關(guān)系(拱底富水溶洞)

從圖14～圖16可以看出，隨著襯砌背后溶洞范圍的增大，襯砌彎矩逐漸增大，但當(dāng)溶洞范圍增大到一定程度后，襯砌彎矩增加速率變小，彎矩逐漸趨于平穩(wěn)。

5 襯砌安全性分析

TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土出現(xiàn)受拉破環(huán)時(shí)安全系數(shù)為2.4，混凝土受壓破壞時(shí)安全系數(shù)為2.0。

圖17 不同水壓力下襯砌各單元安全系數(shù)

對(duì)襯砌安全性進(jìn)行研究，在溶洞范圍1.0 m時(shí)，計(jì)算襯砌各單元的安全系數(shù)，見(jiàn)圖17。

由圖17可知，襯砌整體安全性與溶洞的分布息息相關(guān)。與襯砌溶洞單元越近，襯砌安全系數(shù)下降幅度越大，襯砌富水溶洞處的安全系數(shù)最小，即有壓溶洞下，襯砌背后富水溶洞處最先發(fā)生破壞。 隨著水壓力的增加，基本上襯砌各個(gè)單元的安全系數(shù)都在降低，襯砌整體安全性下降，這點(diǎn)在圖17(a)上表現(xiàn)尤為明顯。對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)的安全系數(shù)進(jìn)行研究，拱頂富水溶洞下，最危險(xiǎn)點(diǎn)為單元26，見(jiàn)表3，其他工況類(lèi)似。

表3 拱頂危險(xiǎn)點(diǎn)-單元26安全系數(shù)(拱頂富水溶洞)

經(jīng)計(jì)算，鋼筋混凝土襯砌均為受拉破壞，其中，紅色數(shù)字為不符合規(guī)范要求的危險(xiǎn)工況。由表3～表6可知，除表3中拱頂富水溶洞范圍3 m，水壓力1.0 MPa工況外，隨著溶洞范圍和水壓力的增大，襯砌危險(xiǎn)點(diǎn)安全性降低。拱頂富水溶洞范圍3 m時(shí)，襯砌能承受1.0 MPa的水壓力(表3)；拱腰富水溶洞范圍3 m時(shí)，襯砌能承受0.5 MPa的水壓力(表4)；拱腳富水溶洞范圍2 m時(shí)，襯砌能承受1.25 MPa的水壓力(表5)；拱底富水溶洞范圍4 m時(shí)，襯砌僅能承受0.75 MPa的水壓力(表6)。

表3 拱頂危險(xiǎn)點(diǎn)-單元26安全系數(shù)(拱頂富水溶洞)

表4 拱腰危險(xiǎn)點(diǎn)-單元15安全系數(shù)(拱腰富水溶洞)

表5 拱腳危險(xiǎn)點(diǎn)-單元6安全系數(shù)(拱腳富水溶洞)

表6 拱底危險(xiǎn)點(diǎn)-單元1安全系數(shù)(拱底富水溶洞)

安全系數(shù)越小，襯砌越危險(xiǎn)，對(duì)水壓力1.0 MPa、溶洞范圍3.0 m下的安全系數(shù)比較，危險(xiǎn)程度排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱頂富水溶洞。

對(duì)水壓力1.0 MPa、溶洞范圍2.0 m下的拱頂富水溶洞和拱腳富水溶洞的安全系數(shù)比較，拱頂富水溶洞比拱腳富水溶洞較危險(xiǎn)。不同部位富水溶洞的危險(xiǎn)程度簡(jiǎn)單排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱頂富水溶洞>拱腳富水溶洞。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新圓梁山隧道襯砌拱頂、拱腰、拱腳和拱底4個(gè)部位的襯砌背后富水溶洞進(jìn)行受力及安全性分析，研究了不同溶洞范圍、不同水壓力下襯砌軸力和彎矩特性，并對(duì)各工況下的安全系數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)襯砌整體的軸力和彎矩與水壓力大致線性正相關(guān)；軸力隨空洞范圍的增大而增大，但彎矩隨著空洞范圍的增大逐漸增加，最終趨于平穩(wěn)。

(2)水壓力和溶洞范圍的增大均降低襯砌整體的安全性，越靠近富水溶洞，襯砌安全系數(shù)下降幅度越大，富水溶洞處為襯砌最不利位置，襯砌破壞先從富水溶洞處發(fā)生。

(3)對(duì)橢圓形襯砌而言，拱腰處的溶洞嚴(yán)重降低襯砌安全性，應(yīng)加強(qiáng)拱腰處背后注漿，提高襯砌安全性。

(4)襯砌安全性與襯砌結(jié)構(gòu)形式和溶洞位置息息相關(guān)，部分襯砌單元破壞，其他單元仍有較大安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與注漿設(shè)計(jì)應(yīng)相結(jié)合，提高襯砌整體安全性。