下伏溶洞對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究

石菊創(chuàng)　熊雅文　張志超　王頒法

作者簡(jiǎn)介：

石菊創(chuàng)（1987—），工程師，主要從事公路工程檢測(cè)工作。

摘要：文章依托工程實(shí)踐，通過(guò)運(yùn)營(yíng)隧道病害檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的典型巖溶發(fā)育特征，借助Midas GTS NX有限元數(shù)值分析軟件，研究不同埋深條件的下伏溶洞對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響。研究結(jié)果表明：隨著下伏溶洞埋深逐漸增大，隧道二次襯砌最大剪應(yīng)力和最大豎向位移逐漸減小;當(dāng)溶洞埋深>7 m時(shí)，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖有仰拱區(qū)段的后期運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)變形影響較小;當(dāng)溶洞埋深>5 m時(shí)，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖有仰拱區(qū)段的后期運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力影響較小。

關(guān)鍵詞：運(yùn)營(yíng)隧道;下伏溶洞;數(shù)值分析;襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;地質(zhì)雷達(dá)

中國(guó)分類號(hào)：U457+.5A351284

0 引言

廣西地區(qū)多山，隨著西部大開(kāi)發(fā)和交通強(qiáng)國(guó)政策的持續(xù)推進(jìn)，廣西地區(qū)高速公路里程迅猛增加，越來(lái)越多的高速公路隧道需穿越復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域，而巖溶發(fā)育是廣西灰?guī)r地區(qū)的典型地質(zhì)條件之一，使隧道建設(shè)難度增加。現(xiàn)階段，針對(duì)巖溶隧道的研究主要集中在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[1-4]、巖溶隧道處治技術(shù)[5-7]、巖溶隧道施工階段穩(wěn)定性分析[8-9]等方面，而針對(duì)巖溶隧道在運(yùn)營(yíng)階段的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響方面的研究較少。根據(jù)廣西地區(qū)隧道管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，每逢雨季，巖溶運(yùn)營(yíng)隧道常常發(fā)生襯砌突水、突泥、路面起拱等重大病害，因此，有必要對(duì)巖溶隧道在運(yùn)營(yíng)階段的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。

本文依托廣西靖西至那坡高速公路那圩隧道襯砌開(kāi)裂、滲漏水病害專項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目，借助MIDAS GTS NX有限元數(shù)值分析軟件，研究了下伏溶洞在不同埋深條件下，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度，為巖溶地區(qū)運(yùn)營(yíng)隧道預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為類似隧道工程病害檢測(cè)和穩(wěn)定性分析技術(shù)提供參考。

1 工程概況

靖西至那坡高速公路那圩隧道于2015年12月建成通車，由廣西和云南共同管理。其中，隧道進(jìn)口段上行線YK503+813～YK504+465的管養(yǎng)單位是廣西交通投資集團(tuán)百色高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司。2020-09-12，百色運(yùn)營(yíng)公司在對(duì)那圩隧道進(jìn)行巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，隧道上行線YK503+903～YK504+465區(qū)段存在路面積水、襯砌裂縫、滲漏水并伴有泥沙溢出等病害，下行線也存在少量施工縫滲漏水情況。

根據(jù)竣工資料可知，隧道區(qū)穿越地層主要為：（1）第四系全新統(tǒng)殘坡積紅黏土，主要分布在隧道洞身段，厚0.00～28.00 m，褐色、硬塑、干強(qiáng)度高;（2）泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組（D2d）淺灰色石灰?guī)r，分布于進(jìn)口段和出口段，洞身段也有局部覆蓋;（3）[JP+1]印之期輝綠巖，主要分布于洞身段。隧址區(qū)無(wú)常年地表水分布，地下水為裂隙溶洞水，賦存在灰?guī)r中，水量貧乏，隧址區(qū)未見(jiàn)泉水分布。常水位埋藏較深，低于隧道底板。隧址區(qū)洞身段溶洞非常發(fā)育，主要分布在K503+800～K504+470區(qū)段，其中灰?guī)r區(qū)溶洞尤其發(fā)育。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

2.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖雷達(dá)，將寬頻帶的脈沖電磁波發(fā)射到介質(zhì)中，通過(guò)接收反射信號(hào)達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的目的。雷達(dá)系統(tǒng)向被探測(cè)物發(fā)射電磁波脈沖，電磁波脈沖穿過(guò)介質(zhì)表面，碰到目標(biāo)物或不同介質(zhì)的界面而被反射回來(lái)，根據(jù)電磁波的雙程走時(shí)，分析確定探測(cè)目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性，介質(zhì)界面根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱、頻率變化及延伸情況確定，如圖1所示。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

由于檢測(cè)條件限制，本次雷達(dá)檢測(cè)主要針對(duì)路面下方基巖情況進(jìn)行探測(cè)，采用美國(guó)勞雷SIR-20型雷達(dá)主機(jī)，配備200 MHz雷達(dá)天線進(jìn)行探測(cè)。200 MHz頻率天線的有效探測(cè)深度約為5 m，分別在那圩隧道上行線的左、右車道各布置1條縱向測(cè)線。雷達(dá)檢測(cè)的異常部位如圖2～4所示。

通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，上行線右車道YK504+345～YK504+358段、YK504+388～YK504+405段和左車道YK504+290～YK504+295段、YK504+335～YK504+345段、YK504+385～YK504+400段范圍內(nèi)，反射信號(hào)三振向明顯、反射頻率低，呈現(xiàn)弧形反射特征，初步推測(cè)為下伏溶洞發(fā)育，埋深約在2.5～3.0 m，縱向發(fā)育寬度約為5～15 m。由地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，本隧道巖溶主要分布在單車道下方，其中右車道下伏溶洞分布相對(duì)較多，YK504+388～YK504+400段左右兩車道均存在下伏溶洞發(fā)育。

3 襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)隧道竣工資料可知，YK504+390位置為Va級(jí)圍巖，采用Va型襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，二襯設(shè)置有仰拱，仰拱底部設(shè)置鋼拱架支護(hù)（如圖5所示）。本文采用MIDAS GTS NX有限元軟件，針對(duì)下伏溶洞對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，選取YK504+390位置為隧道典型橫斷面，溶洞設(shè)置在右車道正下方，采用二維有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，采用地層-結(jié)構(gòu)法建立模型。其中采用二維平面應(yīng)變單元模擬隧道圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)，采用桁架單元模擬錨桿，取隧道周邊3倍洞徑范圍的巖土體進(jìn)行建模。整體數(shù)值模型如圖6所示，局部模型如圖7所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次模擬作如下假設(shè)：

（1）假設(shè)溶洞為直徑3.0 m的圓形截面，不考慮溶洞的實(shí)際不規(guī)則形狀。

（2）假設(shè)隧道巖體為均質(zhì)體。

（3）由于本次研究主要針對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)階段的襯砌結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀況，因此不考慮隧道實(shí)際施工的開(kāi)挖工法，統(tǒng)一按照全斷面法施工。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1-2018）[10]中的圍巖參數(shù)推薦值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取V級(jí)圍巖的模型參數(shù)。隧道初期支護(hù)考慮最不利狀況，采用C25噴射混凝土參數(shù)模擬，二次襯砌也采用C25鋼筋混凝土參數(shù)模擬，中空注漿錨桿采用Q235鋼筋的參數(shù)模擬。具體模型參數(shù)取值如表1所示。

3.2 分析工況

本次分析共設(shè)置五組不同工況，各工況如下：

（1）工況一：在右車道下方埋深2.5 m位置，設(shè)置直徑3 m的下伏溶洞。

（2）工況二：在右車道下方埋深3.5 m位置，設(shè)置直徑3 m的下伏溶洞。

（3）工況三：在右車道下方埋深5 m位置，設(shè)置直徑3 m的下伏溶洞。

（4）工況四：在右車道下方埋深7 m位置，設(shè)置直徑3 m的下伏溶洞。

（5）工況五：無(wú)下伏溶洞工況。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文主要選取隧道二次襯砌最大豎向位移、最大剪應(yīng)力、最小剪應(yīng)力作為研究對(duì)象，不同工況下的計(jì)算結(jié)果如表2所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知：

（1）二次襯砌最大豎向位移位于仰拱底部，最大剪應(yīng)力位于仰拱填充層與襯砌交界面右側(cè)，最小剪應(yīng)力位于仰拱填充層與襯砌交界面左側(cè)。選取工況二，即下伏溶洞埋深為3.5 m的工況分析二次襯砌豎向位移和剪應(yīng)力的分布規(guī)律。

（2）隨著溶洞埋深的增加，二次襯砌最大位移逐漸減小。當(dāng)無(wú)下伏溶洞發(fā)育時(shí)，最大豎向位移為6.46 mm;當(dāng)下伏溶洞埋深7 m時(shí)，最大豎向位移增加約2.6%;當(dāng)下伏溶洞埋深5 m時(shí)，最大豎向位移增加約10.8%;當(dāng)下伏溶洞埋深3.5 m時(shí)，最大豎向位移增加約13.1%;當(dāng)下伏溶洞埋深2.5 m時(shí)，最大豎向位移增加約16.1%。

（3）隨著溶洞埋深的增加，二次襯砌最大剪應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)無(wú)下伏溶洞發(fā)育時(shí)，最大剪應(yīng)力為117 kPa;當(dāng)下伏溶洞埋深7 m時(shí)，最大剪應(yīng)力減小約6.8%;當(dāng)下伏溶洞埋深5 m時(shí)，最大剪應(yīng)力減小約9.4%;當(dāng)下伏溶洞埋深3.5 m時(shí)，最大剪應(yīng)力增加約13.6%;當(dāng)下伏溶洞埋深2.5 m時(shí)，最大剪應(yīng)力增加約28.2%。

（4）隨著溶洞埋深的增加，二次襯砌最小剪應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)無(wú)下伏溶洞發(fā)育時(shí)，最小剪應(yīng)力為104 kPa;當(dāng)下伏溶洞埋深7 m時(shí)，最小剪應(yīng)力增加約29.8%;當(dāng)下伏溶洞埋深5 m時(shí)，最小剪應(yīng)力增加約48.1%;當(dāng)下伏溶洞埋深3.5 m時(shí)，最小剪應(yīng)力增加約13.4%;當(dāng)下伏溶洞埋深2.5 m時(shí)，最小剪應(yīng)力減小約2.9%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌路面下方的隱伏巖溶發(fā)育情況進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，分析了典型下伏溶洞的分布特征，并借助MIDAS GTS NX有限元軟件數(shù)值分析手段，對(duì)不同埋深下伏溶洞工況進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）200 MHz地質(zhì)雷達(dá)天線在運(yùn)營(yíng)隧道路面下方淺埋溶洞探測(cè)效果較好。

（2）隨著下伏溶洞埋深逐漸增加，二次襯砌最大豎向位移逐漸減小，當(dāng)溶洞埋深>7 m時(shí)，豎向位移增長(zhǎng)≤2.6%，因此可初步推測(cè)，溶洞埋深>7 m時(shí)，對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖有仰拱區(qū)段的后期運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)安全影響較小。

（3）隨著下伏溶洞埋深逐漸增加，二次襯砌最大剪應(yīng)力整體呈逐漸減小趨勢(shì)，當(dāng)埋深>5 m時(shí)，二次襯砌最大剪應(yīng)力無(wú)明顯增長(zhǎng)。

（4）隨著下伏溶洞埋深逐漸增加，二次襯砌最小剪應(yīng)力無(wú)明顯變化規(guī)律，當(dāng)埋深為5 m時(shí)，最小剪應(yīng)力達(dá)到極值。

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