溶洞對隧道襯砌結構安全影響及回填深度研究

司君嶺

(西南交通大學，四川成都 610031)

1 工程概況

隨著我國交通隧道的快速發展，越來越多的隧道不可避免地穿越溶洞地層，隧道襯砌背后出現空洞往往會造成襯砌承受不均勻荷載，受力模式不同于一般隧道。同時一些溶洞地層含水量豐富，這就導致隧道在該地層中容易出現襯砌滲水漏水、襯砌開裂掉塊，嚴重情況下還會造成隧道整體結構失穩。因此，對于穿越溶洞地層隧道安全性研究及溶洞對策研究具有重大意義。

2 模型建立

本文計算采用ANSYS軟件建立荷載結構模型進行數值分析(圖1)。圍巖級別為V級，襯砌類型為Ⅴ[C]型圍巖復合式襯砌，C25混凝土。計算荷載見表1。

表1 參數值選取

圖1 計算模型示意(單位:kPa)

空洞填充后，空洞區出現回填荷載，圍巖應力狀態發生改變，加上填土本身具有一定黏性，且其物理力學性質與圍巖相近，故填土與圍巖可視為一個共同受力的系統，會對襯砌變形產生抑制作用，應考慮其為襯砌結構提供的抗力。但由于填土的非均勻性，其彈性反力系數應適當考慮折減，因此在荷載結構模型中填土區域的地層彈簧剛度引入折減系數進行計算。

3 數值模擬結果及分析

3.1 不回填情況下溶洞安全影響分析

為了探明溶洞對隧道襯砌結構受力及安全度的影響，在不回填溶洞情況下，數值模擬得到初期支護內力(彎矩和軸力)圖(圖2～圖5)，以及初期支護截面安全系數(表2)。

圖2 無溶洞隧道彎矩(單位:N·m)

圖3 無溶洞隧道軸力(單位:N)

圖4 有溶洞隧道彎矩(單位:N·m)

圖5 有溶洞隧道軸力(單位:N)

對比有無空洞情況下隧道內力圖可以看出，當隧道右上方出現空洞時，整體彎矩分布形式明顯不同，空洞區附近(B′)彎矩顯著增加，隧道左拱腰(B)彎矩反向變化。進而由安全系數計算結果可知，除拱頂(A)、左拱墻上(C)、右拱墻下(D′)外，其他監測點處安全度均不符合規范標準，可見溶洞產生對隧道襯砌結構安全性影響很大。

表2 初期支護控制截面上安全系數

3.2 回填情況下回填深度分析

取拱頂(A)、拱腰(B、B′)、拱墻(C、C′、D、D′)、拱腳(E、E′)為控制截面，為了直觀體現剛度折減對結構受力的影響規律，引入不同地層剛度折減系數(取0.1,0.2,0.5,1)進行直觀反映，計算得到的不同剛度折減下安全系數隨回填深度關系(圖6)。

(a)折減系數0.1

可以看到，隨著回填深度的增加，受力形式趨近于無空洞狀態，右拱墻上(C′)安全系數單調減少，右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數單調增加，其余監測點安全系數呈現出先增加后減少的趨勢，且在7 m時達到最高；當剛度折減系數達到0.2以上時，回填4 m即能達到穩定要求。

為了更直觀反映剛度折減系數的影響狀況，下面整理各回填深度下安全系數隨剛度折減系數的變化規律曲線(圖7)。

(a)回填深度1m

由曲線可以看出，回填3 m時，若回填覆土能提供原圍巖0.3倍地層抗力剛度系數，則初期支護可以穩定；回填4 m時，回填覆土只需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數即能達到穩定，且回填5 m時，回填覆土仍需提供原圍巖0.2倍地層抗力剛度系數。故綜上所述，回填4 m為最為經濟有效。

4 結束語

本文分別對隧道在無空洞地層、有空洞地層、回填空洞地層中進行數值模擬，得到如下結論：

(1)溶洞造成隧道襯砌結構整體受力形式發生改變，空洞區附近彎矩顯著增加，隧道左拱腰彎矩反向變化，襯砌大部分區域安全系數下降，不滿足規范要求。

(2)采用回填方式可有效增加隧道整體安全性。

(3)隨著回填深度的增加右拱墻上(C′)安全系數單調增加，右拱腰(B′)、左拱墻上(C)、左拱腰(B)安全系數單調減少，其余監測點安全系數呈現出先增加后減少的趨勢，且在7 m時達到最高。

(4)從剛度折減系數與回填深度對結構安全系數的影響規律進行研究，可以看出回填4 m可使隧道安全性達到要求，且最為經濟，為以后相似工程需要確定回填深度提供一種量化參考方法。