隧道大角度上跨既有溶洞時底板安全厚度分析及工程應用

皮嘉偉 邵明圓 田國慶 王順然

1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300；2.中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司 廣東深圳 518083；3.西安建筑科技大學隧道與地下結構工程研究所 陜西西安 710055

宋戰平等[1]對隧道在巖溶區建設過程中支護結構及隧道巖體受力、變形情況進行研究。臧守杰[2]對巖溶隧道底板的最小厚度計算公式進行研究，得到了一種半定量評價方式和理論計算公式。宋戰平等[3]通過數值模擬及現場監測的方法，研究了不同位置及尺寸的既有溶洞對隧道的影響。周棟梁等[4]以巖石剪切和沖切破壞為理論基礎，充分考量溶洞不同位置的不同破壞模式，得出巖溶區隧道在不同破壞模式下底板厚度的安全值，并給出了安全值的計算公式。宋戰平等[5]采用數值模擬的方法對隧道周邊不同位置的、不同大小的溶洞進行分析，提出了溶洞影響的范圍劃分圖，并對影響程度進行分級。

近年來許多學者對巖溶隧道的風險評估及安全管控措施做出了大量研究。劉敦文等[6]對富水巖溶隧道涌水的風險性進行評價；朱建群等[7]對巖溶隧道突水突泥風險評估模型及其應用進行研究。

由以上分析可知，巖溶隧道風險控制是巖溶隧道施工中的重點，但關于上跨既有溶洞情況下的隧道施工問題研究較少。本文主要研究隧道上跨既有溶洞時中間巖柱的穩定問題，首先對隧道與溶洞兩者的作用系統進行簡化，再對懸臂板力學模型進行分析，得出隧道底板的最小安全厚度，并用該方法對安六城際鐵路對門寨隧道巖溶段的隧道底板厚度做出安全評價及施工建議。

1 底板安全厚度力學模型

1.1 簡化模型

溶洞的形狀極為復雜，無法直接進行分析計算。因此在力學分析時，需根據溶洞的形狀進行一定的簡化，最后進行分析與討論。一般來說，近水平溶洞與隧道的位置關系可以分為大角度相交和小角度相交兩種，以下將對大角度上跨既有溶洞進行研究。大角度相交一般是指隧道軸線與溶洞軸向正交或溶洞的在隧道斷面方向的跨度大于兩倍的隧道斷面直徑，因此在大角度上跨既有溶洞時，期施工難點在于隧道與溶洞之間的巖體的穩定性。

一般情況下，考慮到巖體的不均勻性，溶洞的頂板并不是一塊完整的巖體，期間存在著部分裂隙，一側部固結于巖體中，另一側為自由端，可將其視為懸臂板，設板的長度為L，寬度為B，此時，其簡化后的力學模型如圖1 所示。

圖1 頂板跨中存在裂縫時巖柱的力學模型簡化

1.2 懸臂巖板的力學分析

對于懸臂巖柱，當溶洞在隧道斷面內的跨度和其在隧道軸線上的跨度相差不大時，此時隧道底板巖柱可作為懸臂板來討論。根據實際情況，懸臂版上的力分為兩種：一種是懸臂板的自重，可簡化為在板上均勻分布的均布荷載；另一種是懸臂板受到的人為荷載P，可簡化為集中力。其受力模型如圖2 所示。

圖2 懸臂板均布力計算簡圖

對于受集中荷載的無限懸臂板（其力學模型如圖3所示），板上任一點的彎應力（σ）可用式(1)表示。

圖3 懸臂板集中力計算簡圖

式中：Km，Kw——取決于荷載位置和該點位置的無量綱系數；

為分析懸臂板均布力時板上任一點的應力，以懸臂板集中力計算結果式（1）—（3）為基礎，按積分原理計算其應力。此時，板上固定端最大應力計算見式（4）。

可得Km和X/L之間的關系如式（5）所式。

將式（5）代入式（4）中，并對此式進行積分，則得式（6）。

在式(6)中，對于巖板的自重荷載，取L1和L2分別為0，P=G自重，則有式（7）。

對于由人為荷載引起的最大應力，取P=F爆+P靜水+P設備，則有式（8）。

根據懸臂巖板的強度條件σmax≤［σt］，則最小安全厚度（h）計算見式（10）。

同樣，考慮施工擾動等對底板強度的弱化作用，取H≥MAX「H剪/η，H粒/η」。

2 工程應用實例

對門寨隧道全長1756m，內軌頂面高程為1375.244～1383.423m。隧道區基巖大多裸露，隧口有少量坡洪積、坡殘積覆土；洞身穿越地層巖性為三疊系中統關嶺組一段泥巖、頁巖，三疊系下統永寧鎮組第二段灰巖、鹽溶角礫巖夾、泥質巖。

溶洞段DK34+120～DK34+215 段穿越地層巖性為灰巖、泥質灰巖夾頁巖。開挖揭露溶洞口標高為1378.38m，鉆探揭露溶洞底最低標高為1334.42m，溶洞頂板厚0～19.3m，起伏不均，溶洞高度5～44m，半充填型溶洞，充填物為塊石、碎石夾黏土，局部為隧道人工棄渣，充填物松散，孔隙較大。溶洞沿一組區域性張節理N60～80°W/ 90°方向延伸，主軸與線路交角40°～54°發育，走向與巖層傾向基本一致。溶洞形態圖如圖4所示。由圖可知，此溶洞位于隧道下方，且跨度較大，局部溶洞與隧道相連，施工過程中危險性較大。針對溶洞的具體形態、圍巖情況及位置，決定采用懸臂板模型對其進行計算。由相關設計資料可知，隧道下方的溶洞較大且隧道底板薄厚不一，最薄處厚度僅為0，應當對底板進行加固。最終經專家論證，決定采用回填加固以保證隧道施工的安全。

圖4 溶洞形態圖

3 結語

(1) 根據溶洞與隧道的不同空間位置以及溶洞和隧道的相對尺度的不同，考慮此時隧道施工中的存在的主要問題，提出了隧道底板最小安全厚度的概念。

(2) 先對隧道的底板巖體進行了合理的簡化，將隧道底板巖柱簡化后力學模型并進行了分析和討論，最后得出相應的厚度計算公式。

(3) 在安六城際鐵路對門寨隧道段施工過程中，由于該段隧道底板厚度較小，施工中存在風險，故采用本文提出的底板厚度公式進行計算，計算得出隧道實際底板厚度小于安全厚度的結果，應當對底板進行加固。這表明計算公式可為隧道施工提供指導意見，也為未來的巖溶發育區的隧道建設起到參考作用。