高速公路隧道溶洞拱頂落石處置技術(shù)

以貴州省某高速公路隧道穿越大型溶洞為工程依托，針對隧道突出的溶洞拱頂落石沖擊隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)，采用現(xiàn)場踏勘和數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行處置。首先通過對溶洞補(bǔ)充勘察測繪，掌握溶洞的幾何形態(tài)及工程地質(zhì)條件，然后通過作圖法對落石沖擊下隧道襯砌的最大荷載值與拱頂吹砂層厚度和回填混凝土厚度關(guān)系進(jìn)行了分析，得到了合理的吹砂層厚度和回填混凝土厚度，接著再采用荷載-結(jié)構(gòu)法對不同落石作用位置下的隧道二次襯砌的變形和受力進(jìn)行分析，得到落石沖擊荷載作用在拱墻中部時二次襯砌變形和受力最不利，最后按照最不利工況下的二次襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行截面厚度和配筋計(jì)算，得到最終的二次襯砌截面參數(shù)，同時輔以溶洞基底處置和排水處理等其他措施，最終形成高速公路隧道溶洞拱頂落石處置技術(shù)。

公路隧道； 溶洞落石； 落石沖擊； 數(shù)值計(jì)算； 處置措施

U455.49 B

［定稿日期］2022-12-07

［作者簡介］張玉強(qiáng)（1989—），男，本科，工程師，主要從事建筑工程工作。

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，特別是西南山嶺地區(qū)隧道數(shù)量和規(guī)模的逐步增加，越來越多的隧道將會穿越巖溶地層，而巖溶隧道施工過程中暴露的問題也越來越多。目前，針對巖溶地區(qū)施工隧道的研究方法主要有解析法［1］、數(shù)值模擬法［2］和模型試驗(yàn)法［3］，主要對巖溶風(fēng)險(xiǎn)因素［4］、施工力學(xué)行為［5］、圍巖動態(tài)監(jiān)測［6］、巖溶影響因素及規(guī)律［7］、溶洞探測分析與圍巖變形預(yù)測［8］、施工安全控制［9］等問題進(jìn)行研究。李慎奎等［10］以武漢地鐵巖溶專項(xiàng)勘察資料和地鐵工程中巖溶處理案例為依據(jù)，采用綜合統(tǒng)計(jì)方法分析巖溶發(fā)育特征和規(guī)律，總結(jié)了地鐵車站、區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)時的處理方法。宋戰(zhàn)平［11］采用數(shù)值模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)的方式研究了隱伏溶洞對隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。史世雍等［12］運(yùn)用有限元軟件研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞分布對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。周雪銘等［13］結(jié)合清連高速公路白須公特大巖溶隧道施工過程，采用三維有限元軟件（ANSYS）對白須公隧道的處治結(jié)構(gòu)與隧道開挖的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了樁-承臺-單邊支撐墻-聯(lián)系梁的處治方式是安全可靠的。

本文以貴州某高速平安定隧道為工程背景，針對K49+890～+910段遇到的大型溶洞，采用數(shù)值計(jì)算的方法對溶洞落石沖擊隧道拱頂不同位置下的襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行模擬分析，并據(jù)此給出隧道襯砌的加固方案和溶洞的處置方案。

1 工程概況

貴州某高速公路隧道K49+925～+895溶洞基本沿洞身軸線發(fā)育，并向洞身左右兩側(cè)延伸，溶洞從K9+925 開始沿拱頂以上斜向小里程方向發(fā)育，至K49+895終止向向小里程方向延伸，長30 m。在拱頂正上方形成巨大溶腔，根據(jù)測量斷面顯示，溶腔總體橫向呈橢圓形，上大下小，寬度5～20 m，距離拱頂以上頂板高5～17 m，溶洞側(cè)壁多處有黏土夾碎石等附著，洞壁潮濕，頂板有少量全風(fēng)化頁巖附著，有點(diǎn)滴狀滲水。

2 施工揭示溶洞情況

現(xiàn)場踏勘觀察分析溶洞側(cè)壁目前處于天然穩(wěn)定狀態(tài)。溶洞頂板由于跨度大、臨空面寬，巖體受產(chǎn)狀、節(jié)理切割成巨大塊狀巖體，塊徑約長6～9 m，寬3～6 m，厚0.5～1.5 m。塊狀巖體拼接附著在溶洞頂板表面，形成危巖體，分布于K49+895～+915 段隧道拱腰中上部至拱頂上方溶洞頂板表面。在施工擾動、坡面滲水軟化層間軟弱夾層、潤滑節(jié)理裂隙情況下，頂板附著塊狀巖體容易失穩(wěn)掉塊、坍落。綜合考慮判定：K49+895～+915 段隧道拱腰中上部至拱頂上方溶洞頂板屬欠穩(wěn)定狀態(tài)（圖1、圖2）。

3 防落石沖擊隧道的結(jié)構(gòu)形式

為保證溶洞段襯砌結(jié)構(gòu)安全，選擇溶洞頂板最高K49+901為計(jì)算斷面，對溶洞段襯砌進(jìn)行抗落石沖擊驗(yàn)算。通過計(jì)算得到的隧道襯砌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

溶洞段的工程處理方案：初期支護(hù)采用工18鋼架，間距50 cm，拱架連接鋼筋間距加密至25 cm，采用雙層網(wǎng)片。上臺階初支施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始進(jìn)行本段的C20混凝土回填工作，回填應(yīng)分層分次泵送，首次泵送混凝土至拱頂以上1 m，待初期支護(hù)落底，隧道仰拱及填充施工完成后再次泵送混凝土至拱頂以上2 m，泵送混凝土達(dá)到強(qiáng)度70%后進(jìn)行隧道拱頂吹砂，吹砂厚度2.5 m。本段隧道二次襯砌采用鋼筋混凝土并加厚至0.7 m，采用對稱配筋，內(nèi)外側(cè)鋼筋均為每延米均布5股鋼筋，每股鋼筋包含2根25 mm號鋼筋。拱頂防落石沖擊的處理措施如圖4所示。

4 防落石沖擊隧道結(jié)構(gòu)的方案制定

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對使用階段可能出現(xiàn)的永久荷載、偶然荷載（落石沖擊荷載）按最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算，以局部變形理論為基礎(chǔ)，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用按照破損階段計(jì)算鋼筋混凝土構(gòu)件的截面強(qiáng)度，對于永久荷載組合構(gòu)件強(qiáng)度安全系數(shù)取2.0，對于永久荷載+偶然荷載安全系數(shù)取1.5。

4.1 計(jì)算參數(shù)

（1）二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級C30。

（2）鋼筋：HRB400熱軋鋼筋。

計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

4.2 吹砂層厚度和回填混凝土厚度計(jì)算

計(jì)算荷載主要包括永久荷載、偶然荷載，其中永久荷載為水土壓力、側(cè)墻壓力荷載和結(jié)構(gòu)自重，偶然荷載為溶洞落石沖擊荷載。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對使用階段可能出現(xiàn)的永久荷載、偶然荷載按最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算（表3）。

4.2.1 恒載

（1）拱頂回填覆土荷載。

覆土荷載=混凝土容重×高度+砂層容重×高度，計(jì)算公式見式（1）。

P0=γ1h1+γ2h2（1）

式中：γ1為緩沖回填體重度（18kN/m3）;h1為緩沖回填體計(jì)算厚度（m）；γ2為緩沖回填體重度（18kN/m3）；h2為混凝土回填厚度（m）。

（2）結(jié)構(gòu)自重。C30鋼筋混凝土自重。

4.2.2 偶然荷載

本計(jì)算模型中偶然荷載主要為落石沖擊荷載，按照公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTG／T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》［14］中規(guī)定公式計(jì)算，見式（2）。

P=Qv0gt（2）

式中：P為落石沖擊力（kN），本計(jì)算取落石體積為長×寬×高（6 m×1.5 m×9 m），為現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)到的最大落石尺寸，重度取23 kN/ m3；Q為落石重力（kN）；g為重力加速度，取9.8m/s2；t為沖擊作用時間。

落石速度見式（3）。

v0=k2gH（3）

式中：H為落石自由落體高度取10.5 m，為現(xiàn)場溶洞壁距離隧道頂板最高高度；k為系數(shù)，取1。

t=2h1c

c=（1-μ）E（1+μ）（1-2μ）ρ

式中：c為壓縮波在回填體中往復(fù)速度（m/s）；μ為回填體的泊松比，本工程為中等密實(shí)干砂土，取0.25；E為回填體彈性模量，本工程為中等密實(shí)干砂土，取25MPa；ρ為回填體的重度，（kN/m3）。

落石沖擊作用的等效與簡化見圖5。

將落石按照最小截面（Smin=1.5 m×6 m）等效為半徑R1的圓形均布荷載P1，荷載作用在隧道上方剛性護(hù)拱后，按照混凝土剛性角φ=30°進(jìn)行擴(kuò)散，混凝土回填厚度為h2，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上荷載壓力為P2，作用半徑為R2。計(jì)算公式見式（4）～式（7）。

R1=Sminπ（4）

P1=PSmin（5）

R2=R1+h2tan（45°-φ2）（6）

P2=PπR22（7）

4.2.3 二次襯砌承受最大豎向荷載

通過計(jì)算二次襯砌上覆恒載和偶然荷載，得到二次襯砌承受的最大豎向荷載Pmax 見式（8）。

Pmax=P0+P2（8）

通過對作用在二次襯砌上的最大荷載公式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落石的大小和高度一定后，Pmax的取值僅與緩沖回填體計(jì)算厚度h1和混凝土回填厚度h2有關(guān)。通過公式計(jì)算取不同的h1、h2，共441組數(shù)據(jù)，繪制Pmax關(guān)于h1取值為［0.1，0.5，1.0，1.5，2.0…9.0，9.5，10.0］，h2取值分別為［0.1，0.5，1.0，1.5，2.0…9.0，9.5，10.0］時的三維曲線圖（圖6）。

從圖6可以看出，當(dāng)吹砂層厚度小于2.5 m后，襯砌最大荷載急劇增加，當(dāng)吹砂層厚度大于2.5 m后，混凝土厚度的變化對襯砌最大厚度的影響較小，綜合考慮施工便宜性和二次襯砌受力情況，混凝土厚度取2.0 m。

4.3 截面參數(shù)計(jì)算

采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)為彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬地層對結(jié)構(gòu)的水平位移和底板垂直位移的約束作用，地層彈簧僅能承受壓力。計(jì)算軟件采用有限元計(jì)算軟件，計(jì)算取縱向每延米結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算模型如圖7所示。

由于落石下落的位置具有隨機(jī)性，根據(jù)落石沖擊位置的作用中心距離隧道中心的距離不同，選取6種計(jì)算工況（表4）。

4.3.1 變形

通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌變形最大值的位置隨著落石作用中心的移動而由隧道拱頂逐漸向邊墻移動，同時可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)落石作用中心位于拱頂之外時，隧道的變形均表現(xiàn)出落石作用一側(cè)變形大，另一側(cè)變形小的特點(diǎn)。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌變形的最大值隨著落石作用中心不斷遠(yuǎn)離拱頂表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，落石作用中心位于拱墻中心（x=-3）時，二次襯砌的變形最大，為11.76 mm。

4.3.2 彎矩

通過圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落石作用中心（x>-2）時，隧道二次襯砌彎矩最大值的位置位于隧道拱部；當(dāng)落石作用中心（x<-2）時，隧道二次襯砌彎矩最大值的位置位于靠近落石作用側(cè)的仰拱端部；由圖11可以發(fā)現(xiàn)隧道二次襯砌彎矩的最大值隨著落石作用中心不斷遠(yuǎn)離拱頂表現(xiàn)出先減小后增大再減小的規(guī)律，落石作用中心位于拱墻中心（x=-3）時，二次襯砌的彎矩最大，為1 420 kN·m。

4.3.3 軸力

通過圖12可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落石作用中心偏離拱頂中心后，二次襯砌軸力的最大值出現(xiàn)在落石作用側(cè)的邊墻處。由圖13可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌軸力的最大值隨著落石作用中心不斷遠(yuǎn)離拱頂表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，落石作用中心位于拱墻中心（x=-3）時，二次襯砌的軸力最大，為4 460 kN。

4.3.4 剪力

通過圖14可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)落石作用中心偏離拱頂中心后，二次襯砌剪力的最大值出現(xiàn)在落石作用側(cè)的墻腳處。由圖15可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌剪力的最大值隨著落石作用中心不斷遠(yuǎn)離拱頂表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，落石作用中心位于拱墻中心（x=-3）時，二次襯砌的剪力最大，為2 270 kN。

通過對不同落石作用位置下隧道二次襯砌的變形、彎矩、軸力、剪力分析可以發(fā)現(xiàn)，落石作用中心位于隧道拱墻中部（x=-3）時，隧道二次襯砌的變形受力最不利。為了保證隧道二次襯砌在落石沖擊作用下的安全，對最不利工況下二次襯砌結(jié)構(gòu)按照永久荷載和偶然荷載的最小安全系數(shù)1.5，進(jìn)行截面厚度和鋼筋根數(shù)的計(jì)算，得到最不利工況下的二次襯砌參數(shù)為截面厚度70 cm，鋼筋10根=25 mm雙層布置。將上訴截面參數(shù)帶入其他工況得到不同工況下截面安全系數(shù)最小值如表5所示。

5 溶洞其他處置措施

（1）隧道基底處理措施：對隧道仰拱以下巖溶填充物予以清除，空洞溶采用石碴回填至仰拱以下3.5 m位置，并采用C15混凝土回填至仰拱底部。仰拱采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，換、回填混凝土數(shù)量以現(xiàn)場收方為準(zhǔn)。

（2）排水處理措施：系統(tǒng)環(huán)向排水管加密至1m/道，橫向?qū)芗用苤? m/道。

（3）沉降縫措施：K49+910、K49+900和K49+890位置增設(shè)3道沉降縫。

6 結(jié)論

通過本文研究高速公路隧道拱頂落石處置技術(shù)，得到結(jié)論：

（1）通過作圖法明確了隧道拱頂吹砂層厚度和回填混凝土厚度分別為2.5 m和2 m，為類似工程防落石沖擊時確定吹砂層厚度和回填混凝土厚度提供了一種方法。

（2）通過荷載-結(jié)構(gòu)法對不同落石作用位置下的隧道二次襯砌的變形和受力進(jìn)行分析，得到落石沖擊荷載作用在拱墻中部時二次襯砌變形和受力最不利，最后通過對最不利工況下的二次襯砌結(jié)構(gòu)按照永久荷載+偶然荷載組合的最小安全系數(shù)1.5進(jìn)行截面厚度和配筋計(jì)算，得到最終的二次襯砌截面參數(shù)。為防止落石沖擊的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種計(jì)算方法。

（3）通過計(jì)算得到隧道拱頂溶洞回填措施和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施后，結(jié)合溶洞基底處理和排水處理技術(shù)共同形成高速公路隧道拱頂溶洞落石處置技術(shù)。

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