孫星亮, 郭旭柯, 司 南

(1. 石家莊鐵道大學土木工程學院, 河北 石家莊 050043; 2. 河北省第四建筑工程有限公司, 河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著國家社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國隧道工程修建的數(shù)量不斷攀升,隧道工程修建的重點也不斷地向著更加復雜的地質(zhì)條件區(qū)域轉(zhuǎn)移[1-2]。貴州省處于云貴高原向廣西峰林平原和四川盆地過渡的斜坡地帶,地形起伏大,碳酸鹽巖廣布,巖溶發(fā)育,地下水豐富。隧道在運營階段,高壓富水巖溶區(qū)域極易出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水及突涌水災害,直接影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,嚴重時會危及隧道的運營安全[3-4]。

由于目前超前地質(zhì)預報技術(shù)的局限性,存在于隧道斷面以外的隱伏溶洞很難全部探測到并予以處理,在隧道建成通車經(jīng)歷雨季強降雨后,地表匯水由巖溶漏斗或落水洞大量進入隧道周邊溶洞,而隧道內(nèi)部排水能力有限,隱伏溶洞內(nèi)水位快速上升形成高水壓作用于襯砌結(jié)構(gòu)。高水壓極易擊穿施工縫防水板噴射而出,從而使襯砌結(jié)構(gòu)局部失效。近年來,眾多學者針對巖溶隧道襯砌破壞機制及水壓力分布特征進行了大量研究。例如: 李術(shù)才等[5]、潘東東等[6]利用數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)研究了富水巖溶隧道突水災變模式,揭示了巖溶隧道突水致災機制;彭奇等[7]通過模型試驗考慮了溶洞布置形態(tài)、節(jié)理面傾角、溶洞與隧道間距及溶洞直徑4種因素,探究強降雨條件下發(fā)生的圍巖力學機制;鄒育麟等[8]通過現(xiàn)場調(diào)研方法研究了季節(jié)性降雨對巖溶隧道襯砌的影響,探討了滲漏水病害特征、致災及成因機制;何翊武等[9]以溫克爾彈性地基梁理論為基礎(chǔ),研究了巖溶隧道底部溶洞對襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響。在水壓力分布特征方面: Liu等[10]采用數(shù)值模擬和理論計算方法計算外部高水壓力對隧道襯砌的影響,認為襯砌破壞主要是由溶洞內(nèi)高壓水頭導致的;Zhou等[11]通過模型試驗對不同排水方式下的水壓力分布特征進行了研究,結(jié)果表明在全封堵情況下襯砌背后水壓力不進行折減,在全排水條件下襯砌背后水壓力較小;申志軍[12]通過長期監(jiān)測宜萬鐵路巖溶隧道運營期間襯砌水壓力,利用模型試驗及理論分析方式研究了二次襯砌水壓力分布特征,提出了高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計算概化模型。

上述研究成果均是在假設(shè)溶洞的位置、形狀、尺寸及充填特征等為已知條件下得出的,主要針對于一般性溶洞。對于巖溶隧道而言,在溶蝕作用及降雨下滲沖刷條件下,容易產(chǎn)生連通地表的管道型儲水通道。對于管道型巖溶隧道產(chǎn)生的安全問題,已引起了學者們的廣泛關(guān)注。例如: Chu[13]通過建立充填型巖溶管道失穩(wěn)力學模型,采用軟件開展了巖溶管道突水災變演化微、宏觀模擬分析,揭示了巖溶管道突水全過程的演化機制;王健華等[14]建立了巖溶管道型突涌水模型,針對巖溶管道型突涌水過程的動態(tài)演化特征及涌水量預測進行了研究;王剛等[15]、余洪璋[16]分別對季節(jié)性強降雨條件下管道型巖溶隧道襯砌安全性進行了研究,得到了巖溶運營隧道的相關(guān)結(jié)論;周毅等[17]依托尚家灣隧道突涌水實例,開展了大比例尺三維流固耦合模型試驗,探究了充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)的突水機制。

綜上,以上文獻針對巖溶管道突水災變機制及整治措施進行了相關(guān)研究,取得了豐富的研究成果。在地表強降雨補給下,管道型溶洞內(nèi)水頭急劇增高,進而產(chǎn)生高水壓力集中作用于巖溶隧道襯砌,危及巖溶隧道運營安全,有關(guān)系統(tǒng)研究管道型溶洞對運營隧道襯砌內(nèi)力影響規(guī)律的文獻尚有所欠缺?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,以貴州紫云到望謨高速公路的大坪隧道為工程依托,采用室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對管道型溶洞位置、尺寸以及水壓力大小對襯砌結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)特征進行探究,以期對運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)災害預防和治理提供一定參考。

1 工程背景

本文以紫云到望謨雙車道高速公路段的大坪隧道為工程背景,隧道位于安順市紫云縣松山鎮(zhèn)火花鄉(xiāng)。隧道采用復合式襯砌斷面,左右分離式設(shè)計,左線隧道全長2 442 m,隧道最大埋深約423.3 m;右線隧道總長為2 428 m,隧道最大埋深約420.1 m。圍巖級別主要為Ⅳ級,地層巖性以中風化灰?guī)r為主。隧址區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育,巖溶形態(tài)發(fā)展較為豐富,溶蝕裂隙、溶槽、溶溝谷作用明顯。隧道地處亞熱帶溫潤氣候區(qū),雨量充沛,年平均降水量高達1 337.1 mm。工程區(qū)第四系覆蓋層中的裂隙水長期賦存于碎石中,接收大氣降雨和地下水下滲補給,其含水量受季節(jié)性降雨影響明顯。隧道周邊管道型隱伏溶洞巖溶水壓病害致災嚴重,影響隧道正常運營使用。

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 試驗平臺設(shè)計

模型試驗系統(tǒng)主要由模型箱、相似圍巖襯砌材料、溶洞及襯砌巖墻裝置、外水加壓穩(wěn)壓和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。隧道圍巖邊界為1.6 m×1 m×2 m(長×寬×高)。模型箱采用Q235的鋼板外加方鋼管焊接加工而成。試驗模擬運營隧道,僅考慮二次襯砌受力特征,且設(shè)計為不排水條件系統(tǒng)。為保證箱體密封性,連接處采用通縫焊接密封,前后鋼板面預留馬蹄形斷面空洞。試驗模型箱示意如圖1所示。襯砌結(jié)構(gòu)和溶洞在澆筑時設(shè)置在指定位置,通過外水加壓穩(wěn)壓設(shè)備模擬強降雨條件下的地表水快速補給。

(a) 模型箱整體

(b) 襯砌定位處

2.2 試驗模型

2.2.1 相似材料配置

基于相似理論并結(jié)合試驗條件綜合考慮,確定模型幾何相似比Cl=30,確定重度相似常數(shù)Cγ=1。由相似理論可以推導其他相似關(guān)系,彈性模量、應(yīng)力相似比均為30∶1,內(nèi)摩擦角相似比為1∶1。

根據(jù)相似關(guān)系,圍巖相似材料強度為0.69 MPa,二次襯砌相似材料強度為1.1 MPa。根據(jù)相關(guān)文獻[18],通過多次試驗,確定襯砌材料配比為水∶石膏∶硅藻土∶硼砂=1∶2∶0.1∶0.01;圍巖材料配比為細砂∶重晶石粉∶白水泥∶黃油=21∶14.5∶5∶0.9。通過滲透試驗,圍巖滲透系數(shù)為4.91×10-6cm/s。材料物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學參數(shù)

2.2.2 模型制備

二次襯砌采用Q235鋼模板拼裝而成的鋼模澆筑得到,厚度為15 mm。通過對比多種試驗方案[19],根據(jù)現(xiàn)場溶洞的形狀描述,將連通地表的管道型溶洞進行簡化,澆筑圍巖材料時埋置PVC管以制備溶洞;同時利用PVC管材輔助制備溶洞與襯砌接觸之間的巖墻(厚度20 mm)。待材料初凝后將PVC管緩慢拔出。通過注水并利用空壓機進行施壓穩(wěn)壓,以模擬不同水壓力。試驗組件細部如圖2所示。

(a) 襯砌鋼模板

(b) 空壓機連接形式

2.3 試驗工況設(shè)計及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

2.3.1 試驗工況設(shè)計

試驗重點研究管道型溶洞位于襯砌拱頂時,強降雨條件下水頭急劇積聚對襯砌結(jié)構(gòu)的不良影響。溶洞直徑為7.5 cm(模擬實際直徑2.25 m溶洞),連通地表,洞內(nèi)水頭從0開始為9級施加,每級增加50 cm水頭(模擬實際工況15 m水頭)。每級水頭施加后,待監(jiān)測讀數(shù)穩(wěn)定10 min后進行數(shù)據(jù)采集。試驗模擬工況如圖3所示。

(a) 模擬工況

(b) 實際模型箱

2.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

試驗采用孔隙水壓計測量襯砌結(jié)構(gòu)所受水壓力值,并采用土壓力盒、數(shù)顯千分表及電阻式應(yīng)變片連接高速應(yīng)變儀利用計算機采集接觸壓力和襯砌應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗測點布置如圖4所示,且沿襯砌中截面等距離(15 cm)布置3個監(jiān)測斷面。

(a) 測點布置

(b) 模型試驗測點布置

(c) 應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集器

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 水壓力及接觸壓力結(jié)果分析

不同水頭變化下測點水壓力值如圖5所示。不同水頭變化下測點接觸壓力如圖6所示。由圖5可知: 1)同一水頭下,拱頂部位受到的水壓力最大,近似等于施加的水頭,左右兩側(cè)壓力值沿隧道軸線呈對稱分布,均小于拱頂值; 2)同一監(jiān)測位置的壓力值隨著水頭的增大而增大,增長率略有降低; 3)不同監(jiān)測點水壓力值在同一水頭下從拱頂至仰拱呈現(xiàn)不斷減小的趨勢,仰拱底部最小,主要原因是水壓力直接作用于拱頂,而其他部位沒有直接的水力補充。

圖5 不同水頭變化下測點水壓力值(單位: kPa)

圖6 不同水頭變化下測點接觸壓力(單位: kPa)

由圖6和圖5對比分析可知: 1)襯砌巖墻的接觸壓力與水壓力變化特征基本一致,由于巖墻的存在,除拱頂外的其他部位接觸壓力值均明顯小于同部位的水壓力; 2)襯砌拱頂受到較大的接觸壓力,產(chǎn)生了壓力集中分布現(xiàn)象。因此,在強降雨巖溶區(qū)域條件下,應(yīng)當優(yōu)化隧道襯砌周邊的排水設(shè)施,避免發(fā)生因積聚高水頭而導致局部襯砌受力不良,確保巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

2.4.2 襯砌內(nèi)力特征分析

模型試驗襯砌內(nèi)力分布如圖7所示?？梢钥闯?1)襯砌結(jié)構(gòu)整體承受壓應(yīng)力,拱頂部位軸力和彎矩最大,彎矩和軸力呈對稱分布,且隨著水頭增加而逐級增大; 2)拱頂部位受溶腔水頭影響顯著,左右拱肩內(nèi)力隨水頭變化幅度次之,溶洞對襯砌結(jié)構(gòu)存在一定的影響范圍,導致拱肩內(nèi)力值變化較為明顯,拱頂和仰拱處于內(nèi)拉外壓的彎拉應(yīng)力狀態(tài)。

由圖7分析可知: 1)當溶洞內(nèi)從0.5 m開始充水時,襯砌拱頂處軸力和彎矩分別為-1.173 kN和-0.011 4 kN·m;當水頭增加至4.5 m時,軸力和彎矩增加至-9.367 kN和-0.028 9 kN·m,分別增大了約8倍和2.5倍,襯砌拱頂軸力急劇增大,對襯砌受力不利。2)不同水頭情況下,仰拱處內(nèi)力變化最小,對其影響較小。3)水頭施加至1.5 m時,內(nèi)力增幅最大,襯砌極易發(fā)生破壞。隨著水頭的不斷增加,襯砌結(jié)構(gòu)受力擴散趨于承載力極限狀態(tài),軸力和彎矩值不斷增大,增長率逐漸降低,內(nèi)力增長呈明顯“S”形。針對于此,應(yīng)當根據(jù)襯砌受力分布特征對襯砌結(jié)構(gòu)進行局部補強加固,提高襯砌結(jié)構(gòu)抗破壞能力。

(a) 襯砌軸力分布(單位: kN)

(b) 襯砌彎矩分布(單位: kN·m)

2.4.3 位移變化分析

模型試驗位移變化如圖8所示。可以看出: 1)溶洞位于拱頂上方時,襯砌拱頂位移值隨著水頭增大而增大,邊墻水平位移值變化較小,基本不受水頭變化的影響,這是由于本次模擬為強降雨條件下水頭積聚以近似點荷載的情況施壓于襯砌引起的; 2)發(fā)生滲漏水破壞時拱頂位移為2.014 mm,此時水壓力值為45 kPa(實際1.35 MPa); 3)隨著水頭不斷的增加,位移不斷增大,破壞風險逐漸升高,因此在拱頂存在高壓充水溶腔時應(yīng)當將拱頂豎直位移作為重點監(jiān)測對象。

圖8 模型試驗位移變化值

綜上可知,當管道型溶洞位于襯砌拱頂時,拱頂部位的內(nèi)力及位移響應(yīng)明顯,為斷面最不利位置。通過室內(nèi)模型試驗真實地反映了工程實際災變條件,闡明了內(nèi)力位移變化特征,但試驗中存在著周期長、經(jīng)濟效益差的缺點。

3 數(shù)值模擬對比試驗分析

3.1 計算模型構(gòu)建

根據(jù)對比試驗的一致性,模擬采用等比例試驗模型邊界大小。二次襯砌采用彈性本構(gòu)實體單元進行模擬,采用空模型來模擬管道型溶洞,不考慮溶洞的發(fā)育。巖墻周圍設(shè)置接觸面模擬滑動與擠出條件,模型設(shè)置為不排水條件。數(shù)值模擬模型如圖9所示。

(a) 整體有限元模型

(b) 單元加密區(qū)

3.2 計算參數(shù)選取

圍巖及襯砌材料與試驗材料取值相同。接觸面單元分為2個部分,分別為圍巖及溶洞的接觸面,接觸面法向剛度為0.5×109Pa/m,切向剛度為109Pa/m,巖墻泊松比取0.3。數(shù)值模擬參數(shù)取值如表2所示。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)取值

3.3 模型邊界條件

模型除上表面為自由邊界外,其他邊界面為固定法向位移條件。僅考慮二次襯砌受力情況,采用分級施加面力來模擬室內(nèi)試驗等水頭施加的情況,將45 kPa分為9級荷載分級施加,管道壁按梯度變化荷載施加水平應(yīng)力。

3.4 模型試驗及數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

3.4.1 襯砌內(nèi)力特征對比分析

數(shù)值模擬襯砌內(nèi)力分布如圖10所示。對比圖10和圖7可知: 1)溶洞位于隧道拱頂時,模擬結(jié)果整體變化趨勢與試驗結(jié)果基本一致,均在拱頂部位產(chǎn)生顯著的內(nèi)力變化;當應(yīng)力達到45 kPa時,拱頂位置的安全系數(shù)小于1,與試驗特征一致。2)進一步對比可知,當溶洞內(nèi)應(yīng)力為5 kPa時,襯砌拱頂數(shù)值解與試驗解的軸力和彎矩偏差為3.4%和1.1%;當應(yīng)力增大至45 kPa時,偏差率分別為2.4%和0.3%,隨著水壓力的增大,誤差的影響逐漸降低。數(shù)值模擬得到的襯砌內(nèi)力分布特征與模型試驗結(jié)果基本一致,尤其在襯砌拱頂位置內(nèi)力值擬合相似度極高。

(a) 襯砌軸力分布(單位: kN)

(b) 襯砌彎矩分布(單位: kN·m)

3.4.2 位移變化對比分析

數(shù)值模擬位移變化如圖11所示。由圖11和圖8對比分析可知: 1)2個試驗結(jié)果位移值誤差均在10%以內(nèi),2個解存在一定的偏差,其原因可能是在進行數(shù)值模擬時選取的單元襯砌材料都為理想化的結(jié)構(gòu)單元,地應(yīng)力及荷載邊界條件的簡化也會造成一定的影響; 2)整體而言,溶洞位于拱頂時,模擬得到的位移值與試驗結(jié)果吻合良好,從而可以說明模擬的有效性,并驗證了數(shù)值模擬條件參數(shù)選取和模型構(gòu)建的合理性。

4 數(shù)值模擬實際工程分析

為了進一步探究管道型隱伏溶洞對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)特征,設(shè)置了1.5、2.25、3 m方管狀溶洞分別位于拱頂、邊墻和仰拱底部等9種實際工況,具體計算工況如表3所示。

圖11 數(shù)值模擬位移變化值

表3 實際工程數(shù)值計算工況

4.1 計算模型建立

模型尺寸為100 m(X)×30 m(Y)×110 m(Z),二次襯砌采用45 cm厚的C30素混凝土。溶洞截面設(shè)置為正方形,處于模型中心位置,均連通地表,與襯砌之間的巖墻厚度為0.6 m。部分圍巖自重由均布荷載施加于模型頂部,模型各部分參數(shù)選取及條件設(shè)置均同3.2、3.3節(jié)一致。實際工程模擬部分計算工況示意如圖12所示。

圖12 計算工況示意圖(單位: m)

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.2.1 工況Ⅰ 溶洞位于襯砌拱頂時內(nèi)力變化情況

4.2.1.1 襯砌內(nèi)力分布特征

工況Ⅰ襯砌內(nèi)力分布如圖13所示?？梢钥闯? 1)當溶洞位于拱頂時,襯砌結(jié)構(gòu)受力沿隧道軸線呈對稱分布; 2)拱頂部位隨著溶洞應(yīng)力的增加,內(nèi)力增加最為顯著,呈現(xiàn)明顯的“S”形增長; 3)隨著溶洞內(nèi)水壓力的增加,襯砌軸力和彎矩最大位置處均由仰拱底部變化至拱頂,拱頂和仰拱承受彎拉應(yīng)力。

(a) 工況Ⅰ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅰ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅰ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅰ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅰ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅰ-3彎矩分布(單位: kN·m)

4.2.1.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅰ條件下M1處內(nèi)力變化如圖14所示?？梢钥闯? 1)當溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時,M1處軸力和彎矩為-1 358.6 kN和-120.89 kN·m;荷載施加至1.5 MPa時,襯砌軸力和彎矩增加至-3 212.4 kN和-409.17 kN·m,增大了2.4倍和3.4倍。2)拱頂處內(nèi)力變化率最大,拱頂至仰拱處內(nèi)力變化率逐漸降低,外水壓力的存在對襯砌拱頂最為不利。3)當外水壓力為0.3 MPa,管道溶洞尺寸為2.25 m和3 m時,襯砌M1處軸力分別為-2 132.6 kN和-2 332.6 kN,增幅為56.9%和9.4%,彎矩分別為-183.89 kN·m和-203.89 kN·m,增幅為52.1%和10.9%。由此可知,隨著溶洞尺寸的增加,襯砌內(nèi)力不斷增大,內(nèi)力增幅逐漸減小,拱頂處變化最為顯著。

圖14 工況Ⅰ條件下M1處內(nèi)力變化圖

當襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)小于1時,認為襯砌發(fā)生破壞。襯砌發(fā)生破壞時的溶洞應(yīng)力分別為1.2、0.9、0.6 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌破壞時的水壓力不斷降低,說明溶洞尺寸越大對襯砌結(jié)構(gòu)的影響越大,襯砌結(jié)構(gòu)的抵抗能力越低。針對此工況,在隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時,建議采取可靠排水措施避免溶洞內(nèi)水壓力集聚并對襯砌進行增強。

4.2.2 工況Ⅱ 溶洞位于襯砌邊墻時內(nèi)力變化情況

4.2.2.1 襯砌內(nèi)力分布特征

工況Ⅱ襯砌內(nèi)力分布如圖15所示?？梢钥闯? 1)當溶洞位于邊墻右側(cè)0.6 m時,隧道襯砌整體屬于偏壓狀態(tài),右側(cè)受力顯著大于左側(cè)區(qū)域,右側(cè)邊墻受力變化最為明顯; 2)隨著右邊墻溶洞水壓力不斷增加,襯砌最大軸力和彎矩由仰拱部位變化至右側(cè)邊墻。

(a) 工況Ⅱ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅱ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅱ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅱ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅱ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅱ-3彎矩分布(單位: kN·m)

4.2.2.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅱ條件下M5處內(nèi)力變化如圖16所示?？梢钥闯? 1)當溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時,M5處軸力和彎矩分別為-2 272.8 kN和-161.17 kN·m;水壓力增至1.5 MPa時,襯砌軸力和彎矩為4 279.2 kN和-483.12 kN·m,增大了1.9倍和3倍,彎矩增長倍率大于軸力增長倍率,產(chǎn)生彎拉破壞的風險較高。2)當外水壓力為0.3 MPa,管道溶洞尺寸為2.25 m和3 m時,M5處軸力分別為-2 569.8 kN和-2 797.3 kN,增幅為13.1%和8.9%,彎矩分別為-201.17 kN·m和-256.13 kN·m,增幅為24.8%和27.3%。右側(cè)邊墻內(nèi)力變化率最大,溶洞水壓力荷載的存在對襯砌右邊墻最為不利。

右邊墻襯砌發(fā)生破壞時的外荷載分別為1.5、1.2、0.9 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的應(yīng)力逐漸減小,襯砌與溶洞直接作用處為襯砌結(jié)構(gòu)最不利位置。相較于溶洞位于拱頂位置時,抗水壓力能力有所提高,說明溶洞位于邊墻時相比于拱頂偏安全,承載能力更高。

圖16 工況Ⅱ條件下M5處內(nèi)力變化圖

4.2.3 工況Ⅲ 溶洞位于襯砌仰拱底部時內(nèi)力變化情況

4.2.3.1 襯砌內(nèi)力變化特征

工況Ⅲ襯砌內(nèi)力分布如圖17所示。可以看出: 1)當溶洞位于仰拱底部0.6 m時,襯砌結(jié)構(gòu)受力整體呈沿軸向左右對稱分布; 2)仰拱底部隨著溶洞內(nèi)水壓力的增加內(nèi)力增加最為顯著,襯砌軸力和彎矩最大位置處均為仰拱底部,仰拱及拱肩位置承受彎拉應(yīng)力。

4.2.3.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅲ條件下M8處內(nèi)力變化如圖18所示。可以看出: 1)當溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時,M8處軸力和彎矩分別為-2 913.4 kN和-242.46 kN·m;水壓力增至1.5 MPa時,襯砌軸力和彎矩增加至-5 409.4 kN和-531.29 kN·m,增大了1.86倍和2.2倍。2)仰拱處內(nèi)力變化率最大,仰拱至拱頂內(nèi)力變化率逐漸降低,仰拱底部為最不利受力位置,拱腳處次之。3)當外水壓力為0.3 MPa、溶洞尺寸為2.25 m和3 m時,M8處軸力分別為-3 398.5 kN和-4 178.2 kN,增幅為16.7%和22.9%;彎矩分別為-302.46 kN·m和-362.46 kN·m,增幅為24.7%和19.8%。溶洞尺寸越大,內(nèi)力增加越快。

(a) 工況Ⅲ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅲ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅲ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅲ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅲ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅲ-3彎矩分布(單位: kN·m)

圖18 工況Ⅲ條件下M8處內(nèi)力變化圖

襯砌發(fā)生破壞時的外荷載分別為1.5、1.2、0.9 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌破壞時的水壓力荷載不斷降低,拱底為最不利作用位置。針對此工況,應(yīng)對底部溶洞進行回填注漿加固,確保仰拱及拱腳襯砌的安全性。

綜上可知,溶洞位于拱頂時襯砌發(fā)生破壞的風險最大,拱頂抗水壓力能力顯著降低了0.3 MPa。因此,應(yīng)當重點加強拱頂隱伏溶洞勘探,并關(guān)注襯砌斷面內(nèi)承受較大彎拉應(yīng)力部位的變化特征,及時對溶腔進行排水回填并局部加固。

5 結(jié)論與討論

1)溶洞作用拱頂位置時,隨著水頭的增加,襯砌內(nèi)力及位移不斷增大,呈現(xiàn)“S”形分布規(guī)律,試驗條件下最大承載力為1.35 MPa。水頭直接作用斷面水壓力大于其他監(jiān)測斷面,溶洞直接作用位置為最不利部位,存在有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象,襯砌受力變化從拱頂至拱底逐漸減小。

2)溶洞尺寸不同,襯砌破壞荷載不同。1.5、2.25、3.0 m溶洞位于拱頂時,拱頂及仰拱承受較大的彎拉應(yīng)力,受力呈對稱分布,襯砌發(fā)生破壞時的水壓力分別為1.2、0.9、0.6 MPa。溶洞尺寸越大,襯砌響應(yīng)越明顯,抗水壓力能力越小。

3)溶洞位于邊墻及拱底,抗水壓力能力較拱頂位置均提高了0.3 MPa,作用在邊墻時襯砌處于明顯的偏壓狀態(tài),對襯砌結(jié)構(gòu)受力極為不利。

4)隨著溶洞尺寸和水壓力的不斷增大,襯砌內(nèi)力均不斷增加,其增長率逐漸降低,溶洞的影響范圍也有所擴大,襯砌安全系數(shù)明顯下降。溶洞直接作用部位承受較大的彎拉應(yīng)力,襯砌內(nèi)側(cè)被拉裂的風險較高,屬于最不利位置。

由于管道型隱伏溶洞形態(tài)發(fā)育具有無規(guī)則性,導致運營隧道發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)破壞的災害具有難以預測性,且實際條件下溶洞情況復雜多變,本文通過室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)及數(shù)值模擬軟件探究了溶洞位置、尺寸及水壓力大小對巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律,后續(xù)研究可以考慮進一步分析群發(fā)性溶洞以及多場耦合作用下的巖墻厚度對運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響特征,以期系統(tǒng)地針對運營隧道產(chǎn)生的巖溶問題進行全面探討,為運營隧道運維養(yǎng)護及病害治理提供相關(guān)指導。