隧道頂部空腔充水對初期支護結構位移影響分析

殷懷連

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

巖溶隧道施工時，不可避免地會遇上不同位置、不同充填程度、不同發(fā)育程度的巖溶。根據(jù)隧道施工時是否揭露巖溶，可將巖溶分為非隱伏巖溶和隱伏巖溶。對于非隱伏巖溶，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。而對于隱伏巖溶，一類是修建過程中沒有發(fā)現(xiàn)此類巖溶的存在;二類是修建過程中發(fā)現(xiàn)此類巖溶，但對它的認識不夠;若對此兩類隱伏巖溶處理不當，可能對隧道安全施工和運營產(chǎn)生巨大影響。如隧道施工時其周圍的隱伏巖溶是空溶腔，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，若初期支護結構強度不足以承擔水壓荷載，則隱伏空腔內(nèi)水壓有可能將初期支護“壓潰”，從而引發(fā)突水突泥災害。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段邊墻初支結構因暗河水壓過高而被擠壓嚴重變形毀損。又如宜萬鐵路某隧道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51.7 mm，受降雨影響，Ⅰ線DK133+005～DK193+017段(初支已施做完畢，仰拱及二襯未施做)右側拱肩部發(fā)生突水，并伴有大量泥砂、卵石涌出，瞬時涌水量630 m3/h，突泥量約8 000 m3，導致潰口附近初期支護及橫撐被破壞。

目前，國內(nèi)對巖溶隧道突水機理及處治對策研究較多[3-9］，而就隧道周圍隱伏空腔再次充水對隧道支護結構位移、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構變形特征，所得結論可為該段隧道初期支護結構和二次襯砌結構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 隧道工程概況

1.1 工程水文地質(zhì)條件

某巖溶隧道為雙線鐵路隧道，全長13 833 m。隧道開挖界限高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、泥盆系等碎屑巖長度占隧道總長度的37%左右，二疊系棲霞組、茅口組、吳家坪組、長興組，三疊系大冶組、嘉陵江組等灰?guī)r地層占隧道總長度的63%左右。灰?guī)r段地表巖溶強烈發(fā)育，單管式、網(wǎng)絡式暗河系統(tǒng)發(fā)育，施工中易發(fā)生規(guī)模不等的突水突泥災害。

在里程DK73+654～DK73+674.8段隧道拱頂部探測存在一隱伏空腔;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 隧道初期支護結構

隧道空腔段初期支護結構:全環(huán)格柵鋼架，縱向間距為0.8 m;φ25 mm砂漿錨桿，長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

2008年9月13日，當?shù)赝唤荡蟊┯辏乇碛晁?jīng)巖溶洞管道流入空腔，從而使空腔充水。為測定空腔內(nèi)的水壓力，在DK73+654斷面和DK73+654斷面拱頂處設置了2個水壓測試孔。經(jīng)測定空腔內(nèi)最高水壓達1.22 MPa，水壓較長時間穩(wěn)定在0.8～1.0 MPa左右，溶腔內(nèi)水壓時程曲線如圖1所示。

圖1 空腔內(nèi)充水壓力時程曲線

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 三維模型

為方便建模，把空腔簡化為“半橢球+橢圓柱+半橢球”形狀。計算模型范圍: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，計算模型如圖2所示。其邊界約束條件[10］為:兩側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 隧道計算模型(1/2)

2.2 計算參數(shù)

計算時，圍巖采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型;初期支護采用shell結構單元[11］。初始應力場考慮了自重應力和構造應力，側壓系數(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)來考慮。鋼拱架采用等效方法計算[12］;空腔內(nèi)水壓沿徑向作用在空腔的內(nèi)表面上。圍巖和支護結構參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖和支護結構的參數(shù)

3 數(shù)值模擬結果分析

圖3為空腔內(nèi)水壓為1.0 MPa時，隧道初期支護結構水平位移、軸向位移和豎向位移云圖。

從圖3(a)可以看出:初支結構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呈對稱分布，向隧道外側變形，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稱軸，沿著隧道軸向前后兩段初支位移呈對稱分布。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的初支結構拱頂區(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只能宏觀地看出初支結構位移在空間上的總體分布規(guī)律，并不能直觀看出初支結構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構位移進行分析。圖4為初支結構特征位置水平位移、軸向位移和豎向位移沿隧道軸向的空間分布曲線。

圖3 隧道初期護結構位移云圖(單位:m)

圖4 初支結構特征位置位移沿隧道軸向變化曲線

從圖4(a)可以看出:由于隧道及荷載的對稱性，拱頂和仰拱底2處初期支護的水平位移為零。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。在整個過程中，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可以分為兩種類型，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值繼續(xù)增大，在y=45 m斷面達到最大，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)負的對稱分布，對拱頂處影響最大，對其他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 頂部空腔充水對初期支護結構位移的影響

4.1 空腔內(nèi)水壓對初支結構位移的影響

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構位移特征，選取2個典型斷面進行分析，這2個典型斷面分別為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個典型斷面初期支護水平、軸向和豎向三個方向位移隨溶腔內(nèi)水壓的變化曲線。

由圖5(a)和圖6(a)可以看出:

①當水壓在0～0.6 MPa變化時，拱肩和邊墻2處的水平位移始終為負值，并隨著水壓的增大，其值逐漸減少，說明在水壓不超過0.6MPa時，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，有逐漸向隧道外側變形的趨勢。當水壓大于1.0 MPa時，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，說明在水壓超過1.0 MPa時，水壓力“壓迫”初期支護結構向隧道外側變形。如y=52.5 m斷面拱肩處，當水壓為0.6 MPa時，其水平位移為－0.19 mm，當水壓為1.0 MPa時，其水平位移為0.048 mm，初期支護結構位移方向反向。

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

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

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，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位移隨充水空腔與隧道間距的變化曲線

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。如當水壓從1.5 MPa增大到2.1 MPa時，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稱性，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)水壓越來越大，其軸向位移值也越來越大;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結構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，當水壓從1.5 MPa增大到2.1 MPa時，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 空腔與隧道間距對初支結構位移的影響

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，y=44.5 m斷面和y=52.5 m斷面的隧道初支結構三向位移隨隧道與充水空腔間距的變化曲線。

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

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，當充水空腔與隧道間距從7.5 m減少到5.2 m和3.4 m時，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。當隧道與空腔間距從7.5 m減小到5.3 m時，拱頂處軸向位移從0.29 mm增大到0.385 mm，增大約1.33倍;當隧道間距再從5.3 m減小到3.3 m時，其軸向位移從0.385 mm增大到0.516 mm，增大約1.34倍。對于y=52.5 m斷面，由于隧道結構的對性，其軸向位移接近于零，因此，隧道與溶洞間距的變化對其無影響，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。如當間距從5.2 m減少到3.4 m時，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初支結構位移的影響規(guī)律是一致的，但對不同斷面影響程度不一樣，如y=52.5 m斷面，當間距從7.2 m減少到5.2 m時，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 結論

初期支護結構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對稱分布，向隧道外側變形，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，而在中心左右兩側各10 m的拱頂區(qū)域有較大的軸向位移，呈對稱分布，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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