襯砌背后富水溶洞對鐵路隧道結構影響研究
——以渝懷鐵路涪秀二線新圓梁山隧道為例

2021-08-05 01:59:00王成林黃明利

鐵道標準設計 2021年8期

姜波,王成林,黃明利,管強

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司,重慶 400023； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 3.中鐵十一局集團第五工程有限公司,重慶 400037)

隨著國家對交通基礎設施投入的加大，在巖溶地區修建的隧道數量逐年攀升，施工中遇到高壓富水大型充填溶洞時，常常采用泄水降壓處理。運營過程中，由于降雨影響再加上排水系統堵塞，靠近襯砌的溶洞極可能重新充滿水，威脅襯砌安全。不同于一般隧道襯砌由圍巖壓力和結構次應力引起的襯砌開裂等問題，富水巖溶隧道更多是水荷載的直接作用導致的。宜昌市季家坡隧道，降雨后，巖溶裂隙空間內積水形成高水壓，邊墻底板破裂突水，累計積水8 000 m3[1]；武吉高速公路南石壁隧道運營期間由于巖溶發育，襯砌承受高水壓導致襯砌開裂、路面拱起[2]。如何保證高水壓下運營階段襯砌結構的安全性，對襯砌結構設計尤其重要。學者們對溶洞作用下襯砌的水壓力進行了研究，鄒育麟等[3]認為襯砌背后水壓力與斷層、向斜核部、巖溶發育區等構成的儲水構造有關，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，襯砌開裂，造成滲漏病害；董輝等[4]發現襯砌外水壓力還與節理面傾角和溶洞布置形態有關，且節理傾角的作用強于溶洞布置形態；萬飛，丁燕平等[5-6]對隧道襯砌的內力進行研究，表明水荷載作為襯砌的主要荷載之一對隧道軸力和彎矩影響巨大；聶志凌，莫陽春等[7-9]對水壓充填型溶洞下襯砌的安全性進行研究，發現襯砌安全性與溶洞的位置、規模、水壓力及襯砌斷面形式有關。由于隧道周圍不規則溶洞、襯砌施工缺陷、隧道排水系統堵塞等原因，襯砌背后水壓力分布極不均勻。申志軍[10]對運營中宜萬線的野三關、大支坪、馬鹿箐、云霧山隧道進行了長期水壓監測，結果發現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]對宜萬鐵路齊岳山隧道進行水壓力監測，得到了類似的規律。

近年來，很多學者對施工期間富水溶洞引發的問題關注較多[12-15]，對襯砌內力和安全性的研究相對較少。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，采用數值模擬方法，探究襯砌背后存在富水溶洞情況下，襯砌內力及其安全性，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(距既有線30 m)擴建而成。該隧道穿越長2 200 m的高壓富水區-毛壩向斜段，發育有3個大型溶洞。1號溶洞為泥砂型充填溶洞，2號溶洞為粉細砂型充填溶洞，3號溶洞為黏土型充填溶洞。其中，2號溶洞是位于毛壩向斜核心部位的粉細砂型充填溶洞，注漿難度極大，雨季受排水系統限制，施工期間測得2號溶洞水壓達3.013 MPa，施工及運營風險極大。毛壩向斜縱斷面見圖1。

圖1 毛壩向斜段縱斷面

根據文獻[19]研究成果，2號溶洞與地表連通，分布范圍約70 m。2號溶洞分布情況見圖2。

圖2 2號溶洞分布示意

從圖2可看出，在隧道里程YDK340+365～YDK340+395之間，溶洞大規模分布，擴挖斷面已經穿過溶洞，在YDK340+375處，溶洞距既有平導僅2 m。

2 荷載特征和計算模型

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展，并尋找襯砌背后薄弱點，地下水直接作用在襯砌結構上。當襯砌結構穿過富水溶洞群，隧道周圍注漿效果差時，地下水沖刷充填的注漿材料，長期作用下，地下水沖過初期支護，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構其他部位。

圖3 襯砌背后富水溶洞示意

襯砌結構計算采用荷載結構法[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，忽略溶洞部位處應力集中；

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

根據假定，高水壓下荷載結構模型見圖4。

圖4 襯砌背后富水溶洞下荷載-結構法計算模型

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象，劃分網格時每延米約劃分2個單元，共劃分52個單元，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，襯砌尺寸和計算單元劃分見圖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力和安全系數，計算參數和工況如下。

(1)計算參數

新圓梁山隧道圍巖及襯砌計算參數見表1。

表1 圍巖參數

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)計算工況

由于襯砌結構的對稱性，對拱頂、拱腰(左側)、拱腳(左側)、拱底部位的富水溶洞進行研究，具體工況見表2。

表2 計算工況

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，以下研究水壓力和溶洞范圍對襯砌受力和安全性的影響。

4 富水溶洞對襯砌受力的影響

4.1 水壓力對襯砌軸力的影響

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，不同溶洞位置下，襯砌軸力與水壓力的關系曲線。

另外，還對富水溶洞范圍3.0 m下，拱頂、拱腰和拱底富水溶洞的工況進行研究，見圖7。

圖6 襯砌軸力與水壓力關系(溶洞范圍1.0 m)

圖7 襯砌軸力與水壓力關系(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；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系無明顯規律。

從圖7可知，溶洞范圍增大到3.0 m時，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到0.5 MPa時，軸力才開始線性增大。

4.2 溶洞范圍對襯砌軸力的影響

從圖6(a)可知，拱頂富水溶洞下，拱頂和拱腳為襯砌內力極值點，對極值點軸力與溶洞范圍的關系進行研究，拱頂、拱腳軸力隨拱頂富水溶洞范圍的增大而增大，見圖8。

圖8 襯砌軸力與溶洞范圍關系(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，軸力同樣隨富水溶洞范圍的增加而增大，見圖9。

圖9 襯砌軸力與溶洞范圍關系(拱腰富水溶洞)

對拱底富水溶洞下，拱腳和拱底軸力進行分析，其軸力圖與溶洞范圍的關系見圖10。

圖10 襯砌軸力與溶洞范圍關系(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，只有水壓力達到1.0 MPa，軸力才隨著溶洞范圍的增大而增大，水壓力達不到該值時，襯砌軸力受溶洞范圍影響較小。

4.3 水壓力對襯砌彎矩的影響

由于計算工況較多，水壓力取1.5 MPa時，襯砌整體彎矩云圖見圖11。由圖11可知，溶洞位置不同，彎矩分布不同，相同點是溶洞位置處為彎矩極大值點，溶洞兩側為彎矩極小值點。

圖11 襯砌彎矩云圖

對拱頂和拱腰富水溶洞襯砌多個部位的彎矩與水壓力的關系進行分析，見圖12。

圖12 襯砌彎矩與水壓力關系

由圖12可知，同襯砌軸力變化規律類似，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系。

對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系進行研究，見圖13。拱底和拱腳彎矩均隨水壓力的增大呈線性增加趨勢。

圖13 襯砌彎矩與水壓力關系(拱底富水溶洞)

4.4 溶洞范圍對襯砌彎矩的影響

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系見圖14。

圖14 拱頂彎矩與溶洞范圍關系(拱頂富水溶洞)

拱腰富水溶洞條件下，左拱腰和拱頂這兩個彎矩極值點與溶洞范圍的關系見圖15。

圖15 襯砌彎矩與溶洞范圍關系(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，其彎矩與溶洞范圍關系見圖16。

圖16 襯砌彎矩與溶洞范圍關系(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。

5 襯砌安全性分析

TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》規定，鋼筋混凝土出現受拉破環時安全系數為2.4，混凝土受壓破壞時安全系數為2.0。

圖17 不同水壓力下襯砌各單元安全系數

對襯砌安全性進行研究，在溶洞范圍1.0 m時，計算襯砌各單元的安全系數，見圖17。

由圖17可知，襯砌整體安全性與溶洞的分布息息相關。與襯砌溶洞單元越近，襯砌安全系數下降幅度越大，襯砌富水溶洞處的安全系數最小，即有壓溶洞下，襯砌背后富水溶洞處最先發生破壞。隨著水壓力的增加，基本上襯砌各個單元的安全系數都在降低，襯砌整體安全性下降，這點在圖17(a)上表現尤為明顯。對危險點的安全系數進行研究，拱頂富水溶洞下，最危險點為單元26，見表3，其他工況類似。

表3 拱頂危險點-單元26安全系數(拱頂富水溶洞)

經計算，鋼筋混凝土襯砌均為受拉破壞，其中，紅色數字為不符合規范要求的危險工況。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，襯砌危險點安全性降低。拱頂富水溶洞范圍3 m時，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，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，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，襯砌僅能承受0.75 MPa的水壓力(表6)。

表3 拱頂危險點-單元26安全系數(拱頂富水溶洞)