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

姜 波,王成林,黃明利,管 強

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

隨著國家對交通基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大，在巖溶地區(qū)修建的隧道數(shù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)次應(yīng)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(dǎo)致的。宜昌市季家坡隧道，降雨后，巖溶裂隙空間內(nèi)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(fā)育，襯砌承受高水壓導(dǎo)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(jié)構(gòu)的安全性，對襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其重要。學(xué)者們對溶洞作用下襯砌的水壓力進(jìn)行了研究，鄒育麟等[3]認(rèn)為襯砌背后水壓力與斷層、向斜核部、巖溶發(fā)育區(qū)等構(gòu)成的儲水構(gòu)造有關(guān)，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(fā)現(xiàn)襯砌外水壓力還與節(jié)理面傾角和溶洞布置形態(tài)有關(guān)，且節(jié)理傾角的作用強于溶洞布置形態(tài)；萬飛，丁燕平等[5-6]對隧道襯砌的內(nèi)力進(jìn)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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)襯砌安全性與溶洞的位置、規(guī)模、水壓力及襯砌斷面形式有關(guān)。由于隧道周圍不規(guī)則溶洞、襯砌施工缺陷、隧道排水系統(tǒng)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(guān)、大支坪、馬鹿箐、云霧山隧道進(jìn)行了長期水壓監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jìn)行水壓力監(jiān)測，得到了類似的規(guī)律。

近年來，很多學(xué)者對施工期間富水溶洞引發(fā)的問題關(guān)注較多[12-15]，對襯砌內(nèi)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(shù)值模擬方法，探究襯砌背后存在富水溶洞情況下，襯砌內(nèi)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(nèi)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(dǎo)(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(qū)-毛壩向斜段，發(fā)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(xì)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(xì)砂型充填溶洞，注漿難度極大，雨季受排水系統(tǒng)限制，施工期間測得2號溶洞水壓達(dá)3.013 MPa，施工及運營風(fēng)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(jù)文獻(xiàn)[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(guī)模分布，擴挖斷面已經(jīng)穿過溶洞，在YDK340+375處，溶洞距既有平導(dǎo)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(fā)展，并尋找襯砌背后薄弱點，地下水直接作用在襯砌結(jié)構(gòu)上。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)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(hù)，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(jié)構(gòu)其他部位。

圖3 襯砌背后富水溶洞示意

襯砌結(jié)構(gòu)計算采用荷載結(jié)構(gòu)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(yīng)力集中；

(2)襯砌背后存在溶洞部位承擔(dān)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(jù)假定，高水壓下荷載結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 襯砌背后富水溶洞下荷載-結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(nèi)力和安全系數(shù)，計算參數(shù)和工況如下。

(1)計算參數(shù)

新圓梁山隧道圍巖及襯砌計算參數(shù)見表1。

表1 圍巖參數(shù)

其中，襯砌厚80 cm，配筋率為1.0%。混凝土采用C40，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(jié)構(gòu)的對稱性，對拱頂、拱腰(左側(cè))、拱腳(左側(cè))、拱底部位的富水溶洞進(jìn)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(guān)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(jìn)行研究，見圖7。

圖6 襯砌軸力與水壓力關(guān)系(溶洞范圍1.0 m)

圖7 襯砌軸力與水壓力關(guān)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(guān)；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(guān)系無明顯規(guī)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(dá)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(nèi)力極值點，對極值點軸力與溶洞范圍的關(guān)系進(jìn)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(guān)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(guān)系(拱腰富水溶洞)

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

圖10 襯砌軸力與溶洞范圍關(guān)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(dá)到1.0 MPa，軸力才隨著溶洞范圍的增大而增大，水壓力達(dá)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(cè)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(guān)系進(jìn)行分析，見圖12。

圖12 襯砌彎矩與水壓力關(guān)系

由圖12可知，同襯砌軸力變化規(guī)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(guān)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(guān)系進(jìn)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(guān)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(guān)系見圖14。

圖14 拱頂彎矩與溶洞范圍關(guān)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(guān)系見圖15。

圖15 襯砌彎矩與溶洞范圍關(guān)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(guān)系見圖16。

圖16 襯砌彎矩與溶洞范圍關(guān)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(dāng)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(wěn)。

5 襯砌安全性分析

TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土出現(xiàn)受拉破環(huán)時安全系數(shù)為2.4，混凝土受壓破壞時安全系數(shù)為2.0。

圖17 不同水壓力下襯砌各單元安全系數(shù)

對襯砌安全性進(jìn)行研究，在溶洞范圍1.0 m時，計算襯砌各單元的安全系數(shù)，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(guān)。與襯砌溶洞單元越近，襯砌安全系數(shù)下降幅度越大，襯砌富水溶洞處的安全系數(shù)最小，即有壓溶洞下，襯砌背后富水溶洞處最先發(fā)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(shù)都在降低，襯砌整體安全性下降，這點在圖17(a)上表現(xiàn)尤為明顯。對危險點的安全系數(shù)進(jìn)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(shù)(拱頂富水溶洞)

經(jīng)計算，鋼筋混凝土襯砌均為受拉破壞，其中，紅色數(shù)字為不符合規(guī)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(shù)(拱頂富水溶洞)

表4 拱腰危險點-單元15安全系數(shù)(拱腰富水溶洞)

表5 拱腳危險點-單元6安全系數(shù)(拱腳富水溶洞)

表6 拱底危險點-單元1安全系數(shù)(拱底富水溶洞)

安全系數(shù)越小，襯砌越危險，對水壓力1.0 MPa、溶洞范圍3.0 m下的安全系數(shù)比較，危險程度排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱頂富水溶洞。

對水壓力1.0 MPa、溶洞范圍2.0 m下的拱頂富水溶洞和拱腳富水溶洞的安全系數(shù)比較，拱頂富水溶洞比拱腳富水溶洞較危險。不同部位富水溶洞的危險程度簡單排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱頂富水溶洞>拱腳富水溶洞。

6 結(jié)論

通過對新圓梁山隧道襯砌拱頂、拱腰、拱腳和拱底4個部位的襯砌背后富水溶洞進(jìn)行受力及安全性分析，研究了不同溶洞范圍、不同水壓力下襯砌軸力和彎矩特性，并對各工況下的安全系數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)襯砌整體的軸力和彎矩與水壓力大致線性正相關(guān)；軸力隨空洞范圍的增大而增大，但彎矩隨著空洞范圍的增大逐漸增加，最終趨于平穩(wěn)。

(2)水壓力和溶洞范圍的增大均降低襯砌整體的安全性，越靠近富水溶洞，襯砌安全系數(shù)下降幅度越大，富水溶洞處為襯砌最不利位置，襯砌破壞先從富水溶洞處發(fā)生。

(3)對橢圓形襯砌而言，拱腰處的溶洞嚴(yán)重降低襯砌安全性，應(yīng)加強拱腰處背后注漿，提高襯砌安全性。

(4)襯砌安全性與襯砌結(jié)構(gòu)形式和溶洞位置息息相關(guān)，部分襯砌單元破壞，其他單元仍有較大安全儲備，結(jié)構(gòu)設(shè)計與注漿設(shè)計應(yīng)相結(jié)合，提高襯砌整體安全性。