溶洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全影響及回填深度研究

司君嶺

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

1 工程概況

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(xiàn)空洞往往會(huì)造成襯砌承受不均勻荷載，受力模式不同于一般隧道。同時(shí)一些溶洞地層含水量豐富，這就導(dǎo)致隧道在該地層中容易出現(xiàn)襯砌滲水漏水、襯砌開裂掉塊，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成隧道整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，對(duì)于穿越溶洞地層隧道安全性研究及溶洞對(duì)策研究具有重大意義。

2 模型建立

本文計(jì)算采用ANSYS軟件建立荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析(圖1)。圍巖級(jí)別為V級(jí)，襯砌類型為Ⅴ[C]型圍巖復(fù)合式襯砌，C25混凝土。計(jì)算荷載見表1。

表1 參數(shù)值選取

圖1 計(jì)算模型示意(單位:kPa)

空洞填充后，空洞區(qū)出現(xiàn)回填荷載，圍巖應(yīng)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(xué)性質(zhì)與圍巖相近，故填土與圍巖可視為一個(gè)共同受力的系統(tǒng)，會(huì)對(duì)襯砌變形產(chǎn)生抑制作用，應(yīng)考慮其為襯砌結(jié)構(gòu)提供的抗力。但由于填土的非均勻性，其彈性反力系數(shù)應(yīng)適當(dāng)考慮折減，因此在荷載結(jié)構(gòu)模型中填土區(qū)域的地層彈簧剛度引入折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 不回填情況下溶洞安全影響分析

為了探明溶洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及安全度的影響，在不回填溶洞情況下，數(shù)值模擬得到初期支護(hù)內(nèi)力(彎矩和軸力)圖(圖2～圖5)，以及初期支護(hù)截面安全系數(shù)(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(duì)比有無空洞情況下隧道內(nèi)力圖可以看出，當(dāng)隧道右上方出現(xiàn)空洞時(shí)，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(jìn)而由安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，除拱頂(A)、左拱墻上(C)、右拱墻下(D′)外，其他監(jiān)測點(diǎn)處安全度均不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可見溶洞產(chǎn)生對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響很大。

表2 初期支護(hù)控制截面上安全系數(shù)

3.2 回填情況下回填深度分析

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(xiàn)剛度折減對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律，引入不同地層剛度折減系數(shù)(取0.1,0.2,0.5,1)進(jìn)行直觀反映，計(jì)算得到的不同剛度折減下安全系數(shù)隨回填深度關(guān)系(圖6)。

(a)折減系數(shù)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(shù)單調(diào)減少，右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數(shù)單調(diào)增加，其余監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，且在7 m時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)剛度折減系數(shù)達(dá)到0.2以上時(shí)，回填4 m即能達(dá)到穩(wěn)定要求。

為了更直觀反映剛度折減系數(shù)的影響狀況，下面整理各回填深度下安全系數(shù)隨剛度折減系數(shù)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(shí)，若回填覆土能提供原圍巖0.3倍地層抗力剛度系數(shù)，則初期支護(hù)可以穩(wěn)定；回填4 m時(shí)，回填覆土只需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數(shù)即能達(dá)到穩(wěn)定，且回填5 m時(shí)，回填覆土仍需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數(shù)。故綜上所述，回填4 m為最為經(jīng)濟(jì)有效。

4 結(jié)束語

本文分別對(duì)隧道在無空洞地層、有空洞地層、回填空洞地層中進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

(1)溶洞造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)單調(diào)增加，右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數(shù)單調(diào)減少，其余監(jiān)測點(diǎn)安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，且在7 m時(shí)達(dá)到最高。

(4)從剛度折減系數(shù)與回填深度對(duì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究，可以看出回填4 m可使隧道安全性達(dá)到要求，且最為經(jīng)濟(jì)，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。