樁基加固對巖溶隧道基底加載沉降的影響研究

馮海洲, 楊 懿, 馬曉鵬, 吳丁丁

(西南交通大學土木工程學院巖土工程系， 四川成都 610031)

我國西南地區巖溶區域分布廣泛，渝懷、成昆、云桂線等鐵路線路上都分布有巖溶區，不同發育程度以及分布的巖溶區影響鐵路的安全運營。英國Nottingham大學Lu Zhengxin (2004)、俄羅斯學者A.V. Ani-keev(1999)、美國學者Thomas M.Tharp分別采用二維拉格朗日快速變換(2D-FLAC)、物理模型試驗法、有限單元法物理模型試驗法的研究方式，研究分析影響溶洞頂板安全厚度的因素。宋戰平等提出巖溶頂板(隧道底板)的最小安全厚度計算公式。趙明階等通過模型試驗研究不同尺寸的溶洞對隧道圍巖穩定性的影響。史世雍等通過ANSYS有限元數值計算研究不同大小、距離的頂部溶洞對隧道圍巖穩定性的影響。譚代明等運用有限差分軟件FLAC3D對側部含有溶洞的隧道圍巖穩定性進行數值模擬研究。

以往對溶洞隧道基底加載沉降以及巖溶隧道在樁基加固措施前后所受的影響方面研究較少。本文以云桂高速鐵路長慶段巖溶隧道為研究背景，借鑒現有的巖溶隧道研究的成果，研究有限巖溶邊界下施加列車荷載作用時，隧道基底采取樁基加固前后的沉降變形的規律。

1 隧道工程與地質概況

云桂線高速鐵路長慶坡隧道起止里程為DK494+653～DK494+329,隧道全長約12.68 km,隧道凈寬14.2 m，凈高為11.8 m。隧道穿越地層主要為灰巖地層，節理裂隙發育，溶蝕強烈，地表溶蝕明顯，溶縫、溶孔、溶槽、巖溶漏斗及豎向溶洞等巖溶極為發育。經勘測，DK481+895～DK481+974處隧道拱墻及基底發育一充填性溶洞，充填物為粉質黏土，含少量角礫。巖溶內的充填土體只有少量水甚至不存在水，該區段修建時也沒有出現巖溶大量涌水的情況，且本區段的混凝土沒有收到水的侵蝕。溶洞基底形態近似魚形，沿線路方向長度約79.0 m，垂直于線路方向寬度50.0 m以上，溶洞高約58.0 m，溶洞范圍為拱頂以上0～9.4 m，平均約4.2 m，隧道左邊墻外側為0～30.0 m，隧道右邊墻外側為0～9.5 m，平均約5.7 m，隧底以下深度為0～38.0 m，平均約22.0 m。圖1是長慶坡隧道左線巖溶情況。

圖1 長慶坡隧道左線巖溶縱斷面

2 巖溶隧道模型

2.1 建立模型

陶志平等通過數值研究認為，當巖溶上邊界最大為1倍隧道直徑，下邊界最大為3倍隧道直徑，其左右邊界最大為2倍隧道直徑時即可視作有限巖溶邊界，超過該邊界范圍視為無限巖溶邊界。

巖溶邊界示意圖如圖2所示。隧道模型為直墻連接半圓拱，隧道高11.5 m，直徑14 m，襯砌厚0.5 m，除去邊界效應影響，依據文獻資料和彈性力學原理，模型尺寸取90 m×90 m×5 m。各工況均采用同樣的樁加固措施：加固樁樁徑1.5 m，設置4根樁，縱向樁間距5 m，橫向樁間距2 m，巖溶樁均打入巖溶下邊界以下基巖2 m處。巖溶的上、下、左、右邊界具體為U、D、L、R到隧道中心原點的距離。隧道三維模型圖見圖3。

為簡化數值計算研究，數值計算作如下假設：

(1)隧道所經過的巖溶地帶的地質作用已經穩定，忽略巖溶尺寸在開挖至完工期間的微小變化。

(2)圍巖以及巖溶填充巖土體為各向同性、均勻、連續的彈塑性體，符合小變形假設。

(3)隧道施工采用新奧法，隧道前進方向開挖后隨即進行支護。

(4)根據地質勘察結果，不考慮地下水的影響。

圖2 有限邊界巖溶示意

圖3 三維模型

2.2 確定計算參數

對模型材料賦值計算，溶洞內充填土體料為粉質黏土、圍巖為灰巖，模型材料力學參數具體見表1。圍巖以及巖土體采用M-C彈塑性模型[9]，隧道開挖區域采用Null空模型，初期支護、二襯以及加固樁基滿足M-C本構模型的線彈性模型，各材料均采用實體單元劃分。采取靜力荷載計算方式確定線路雙線運營的列車荷載。依據TB 10621-2009《高速鐵路設計規范》[13]，巖溶隧道底部荷載布置為均布荷載，考慮襯砌以及列車荷載，荷載換算值為200 kN/m。

2.3 計算模型的邊界約束

為模擬實際隧道空間關系，對隧道模型的邊界條件應采取一定的約束：對模型的左右邊界限制其水平向位移，對模型所有節點限制豎向位移，對其底部邊界限制其豎向位移，隧道模型頂部不再添加其他約束條件。

2.4 確定計算流程

首先進行無溶洞初始地應力場的模擬，再將巖溶區材料賦值為溶洞材料，從而形成充填性溶洞應力場，并進行隧道開挖和支護，最后施加荷載。由于研究加載后隧道基底沉降，應將隧道因開挖及支護產生的位移清零，模擬線路運營時列車荷載導致隧道底部巖溶區的沉降變形。

為了更真實的模擬隧道開挖后填充土體的卸荷回彈，計算中講巖溶力學參數中的彈性模量替換為回彈模量，隧道開挖隨即進行初期支護，以防隧道產生較大變形。

2.5 隧道監測布點

在隧道開挖方向上，以兩排加固樁的中點的斷面作為監測的平面，在監測平面上布置監測點位，監測的點位如圖4所示。本文重點研究巖溶隧道加固前后基底沉降的變化規律，因此以加載之后的隧道底部的監測點為重點研究對象，根據土力學理論，平面荷載下基礎中心點以下沉降最大，因此本文以隧道底點2沉降變化作為基底沉降值。

圖4 隧道斷面監測點布置

表1 巖溶隧道模型材料參數

3 模擬結果分析

根據前文對于無限邊界巖溶隧道定義，研究巖溶隧道左右無限邊界時將L、R取值為2倍隧道直徑(R=-28m、L=28m且不再變化)，基于巖溶上下邊界與隧道空間的關系，即根據巖溶上下邊界取值D與U設計不同工況。

3.1 巖溶上邊界位于隧道基底以下

巖溶上邊界位于隧道基底以下時，此時U的變化范圍為(-∞，-r)，上下邊界滿足-∞

圖5 隧道基底未加固加載后沉降量

圖6 隧道基底加固后加載后沉降量

由圖5、圖6可知：

(1)未加固前，巖溶隧道上邊界的位置對加固前隧道基底沉降量影響程度較大，上邊界固定時，下邊界在2倍洞徑后，加載沉降量變化不大。

(2)樁基對隧道的加固效果較好，加固后隧道基底的沉降量均在10 mm范圍以，樁基加固措施降低了巖溶頂板厚度對隧道沉降的影響，加載沉降量與下邊界大致呈線性關系。

在巖溶上邊界位于隧道基底以下時，對比不同上邊界取值時隧道基底沉降減少率(圖7)。

圖7 加載后沉降量減少率對比

由圖7可知：

(1)上邊界一定時，加固效果隨下邊界向下擴展出現一個加固效果最佳的D值，約在0.65倍洞徑左右。

(2)下邊界一定時，隨上邊界向上擴展，加固效果不斷增強，說明巖溶頂板厚度越小，樁基加固效果越好，巖溶頂板厚度在5 m范圍內，加固效果最好。

3.2 巖溶上邊界位于隧道范圍內

巖溶上邊界在隧道平面內，上邊界的變化范圍是(-r,r)，上下邊界滿足-∞

圖8 隧道基底未加固加載后沉降量

圖9 隧道基底加固后加載后沉降量

由圖8、圖9可知：

(1)未加固前，隨著下邊界增加，隧道基底沉降量顯著變大，巖溶下邊界在3倍隧道洞徑后基底沉降量變化不大。

(2)加固后隧道基底的沉降量均在10 mm范圍以，樁對隧道的加固效果較好，加載沉降量與下邊界取值近似呈線性變化。在不同上邊界取值時，加固后隧道基底的沉降量變化不大。

在巖溶上邊界位于隧道平面內時，對比不同U值時隧道基底沉降減少率(圖10)。

圖10 加載后沉降量減少率對比

由圖10可知：

(1)上邊界一定時，加固效果隨下邊界向下擴展先增加后減弱，出現一個最佳加固效果的D值，為一倍隧道直徑；而上邊界對加固效果影響較小。

(2)下邊界一定時，加固效果隨上邊界而加固效果略微增強，當下邊界為最佳加固效果之前對應的深度時，上邊界對加固效果幾乎不產生影響。

3.3 巖溶上邊界位于隧道拱頂以上

當巖溶的上邊界超過隧道拱頂時，此時上邊界的變化范圍是(r, ∞)，上下邊界滿足-∞

圖11 隧道基底未加固加載后沉降量

圖12 隧道基底加固后加載后沉降量

由圖11、圖12可知：

(1)未加固前，上邊界位置對隧道基底沉降量影響較小，巖溶下邊界的位置對未加固隧基底沉降量影響程度較大，在下邊界深度約為3倍洞徑以后，沉降量變化不大。

(2)加固后隧道基底的沉降量均在17 mm范圍內，樁對隧道的加固效果較好。上邊界的位置對加固后隧道基底的沉降量影響不大，下邊界深度與基底沉降量大致呈線性變化。

當巖溶的上邊界超過隧道拱頂時，對比不同U值時隧道基底沉降減少率(圖13)。

圖13 加載后沉降量減少率對比

由圖13可知：

上邊界位置一定時，加固效果隨下邊界深度先增加后減弱，出現一個加固最佳效果對應的下邊界深度，深度為一倍隧道直徑。各曲線重合度較高，即上邊界對加固效果影響較小。

4 結束語

根據云桂線長慶段巖溶隧道為研究背景，通過FlAC3D數值研究，分析左右無限邊界巖溶區巖溶隧道樁基加固對隧道基底加載后的影響，分析計算加固前后的隧道基底沉降規律，得出以下結論：

(1)巖溶隧道上邊界在隧道基底以下時，巖溶頂板厚度大于5 m時，巖溶區對隧道基底沉降量影響較小，未加固巖溶隧道下邊界最大的影響范圍約2倍隧道直徑；若巖溶上邊界一定，加固基底沉降量與巖溶下邊界深度大致呈線性關系，下邊界在0.65倍洞徑時達到最佳加固效果。

(2)巖溶隧道上邊界在隧道基底以上時，未加固巖溶隧道的下邊界最大的影響范圍為3倍隧道直徑；若巖溶上邊界一定，加固基底沉降量與下邊界大致呈線性關系，下邊界深度在1倍洞徑時達到最佳加固效果；加固效果受上邊界影響較小。