強(qiáng)降雨條件下管道型隱伏溶洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響研究

孫星亮, 郭旭柯, 司 南

(1. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043; 2. 河北省第四建筑工程有限公司, 河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著國家社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國隧道工程修建的數(shù)量不斷攀升,隧道工程修建的重點(diǎn)也不斷地向著更加復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域轉(zhuǎn)移[1-2]。貴州省處于云貴高原向廣西峰林平原和四川盆地過渡的斜坡地帶,地形起伏大,碳酸鹽巖廣布,巖溶發(fā)育,地下水豐富。隧道在運(yùn)營階段,高壓富水巖溶區(qū)域極易出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水及突涌水災(zāi)害,直接影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及隧道的運(yùn)營安全[3-4]。

由于目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的局限性,存在于隧道斷面以外的隱伏溶洞很難全部探測(cè)到并予以處理,在隧道建成通車經(jīng)歷雨季強(qiáng)降雨后,地表匯水由巖溶漏斗或落水洞大量進(jìn)入隧道周邊溶洞,而隧道內(nèi)部排水能力有限,隱伏溶洞內(nèi)水位快速上升形成高水壓作用于襯砌結(jié)構(gòu)。高水壓極易擊穿施工縫防水板噴射而出,從而使襯砌結(jié)構(gòu)局部失效。近年來,眾多學(xué)者針對(duì)巖溶隧道襯砌破壞機(jī)制及水壓力分布特征進(jìn)行了大量研究。例如: 李術(shù)才等[5]、潘東東等[6]利用數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究了富水巖溶隧道突水災(zāi)變模式,揭示了巖溶隧道突水致災(zāi)機(jī)制;彭奇等[7]通過模型試驗(yàn)考慮了溶洞布置形態(tài)、節(jié)理面傾角、溶洞與隧道間距及溶洞直徑4種因素,探究強(qiáng)降雨條件下發(fā)生的圍巖力學(xué)機(jī)制;鄒育麟等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研方法研究了季節(jié)性降雨對(duì)巖溶隧道襯砌的影響,探討了滲漏水病害特征、致災(zāi)及成因機(jī)制;何翊武等[9]以溫克爾彈性地基梁理論為基礎(chǔ),研究了巖溶隧道底部溶洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響。在水壓力分布特征方面: Liu等[10]采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算方法計(jì)算外部高水壓力對(duì)隧道襯砌的影響,認(rèn)為襯砌破壞主要是由溶洞內(nèi)高壓水頭導(dǎo)致的;Zhou等[11]通過模型試驗(yàn)對(duì)不同排水方式下的水壓力分布特征進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在全封堵情況下襯砌背后水壓力不進(jìn)行折減,在全排水條件下襯砌背后水壓力較小;申志軍[12]通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)宜萬鐵路巖溶隧道運(yùn)營期間襯砌水壓力,利用模型試驗(yàn)及理論分析方式研究了二次襯砌水壓力分布特征,提出了高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計(jì)算概化模型。

上述研究成果均是在假設(shè)溶洞的位置、形狀、尺寸及充填特征等為已知條件下得出的,主要針對(duì)于一般性溶洞。對(duì)于巖溶隧道而言,在溶蝕作用及降雨下滲沖刷條件下,容易產(chǎn)生連通地表的管道型儲(chǔ)水通道。對(duì)于管道型巖溶隧道產(chǎn)生的安全問題,已引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。例如: Chu[13]通過建立充填型巖溶管道失穩(wěn)力學(xué)模型,采用軟件開展了巖溶管道突水災(zāi)變演化微、宏觀模擬分析,揭示了巖溶管道突水全過程的演化機(jī)制;王健華等[14]建立了巖溶管道型突涌水模型,針對(duì)巖溶管道型突涌水過程的動(dòng)態(tài)演化特征及涌水量預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究;王剛等[15]、余洪璋[16]分別對(duì)季節(jié)性強(qiáng)降雨條件下管道型巖溶隧道襯砌安全性進(jìn)行了研究,得到了巖溶運(yùn)營隧道的相關(guān)結(jié)論;周毅等[17]依托尚家灣隧道突涌水實(shí)例,開展了大比例尺三維流固耦合模型試驗(yàn),探究了充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)的突水機(jī)制。

綜上,以上文獻(xiàn)針對(duì)巖溶管道突水災(zāi)變機(jī)制及整治措施進(jìn)行了相關(guān)研究,取得了豐富的研究成果。在地表強(qiáng)降雨補(bǔ)給下,管道型溶洞內(nèi)水頭急劇增高,進(jìn)而產(chǎn)生高水壓力集中作用于巖溶隧道襯砌,危及巖溶隧道運(yùn)營安全,有關(guān)系統(tǒng)研究管道型溶洞對(duì)運(yùn)營隧道襯砌內(nèi)力影響規(guī)律的文獻(xiàn)尚有所欠缺?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,以貴州紫云到望謨高速公路的大坪隧道為工程依托,采用室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)管道型溶洞位置、尺寸以及水壓力大小對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征進(jìn)行探究,以期對(duì)運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)災(zāi)害預(yù)防和治理提供一定參考。

1 工程背景

本文以紫云到望謨雙車道高速公路段的大坪隧道為工程背景,隧道位于安順市紫云縣松山鎮(zhèn)火花鄉(xiāng)。隧道采用復(fù)合式襯砌斷面,左右分離式設(shè)計(jì),左線隧道全長(zhǎng)2 442 m,隧道最大埋深約423.3 m;右線隧道總長(zhǎng)為2 428 m,隧道最大埋深約420.1 m。圍巖級(jí)別主要為Ⅳ級(jí),地層巖性以中風(fēng)化灰?guī)r為主。隧址區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育,巖溶形態(tài)發(fā)展較為豐富,溶蝕裂隙、溶槽、溶溝谷作用明顯。隧道地處亞熱帶溫潤氣候區(qū),雨量充沛,年平均降水量高達(dá)1 337.1 mm。工程區(qū)第四系覆蓋層中的裂隙水長(zhǎng)期賦存于碎石中,接收大氣降雨和地下水下滲補(bǔ)給,其含水量受季節(jié)性降雨影響明顯。隧道周邊管道型隱伏溶洞巖溶水壓病害致災(zāi)嚴(yán)重,影響隧道正常運(yùn)營使用。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要由模型箱、相似圍巖襯砌材料、溶洞及襯砌巖墻裝置、外水加壓穩(wěn)壓和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。隧道圍巖邊界為1.6 m×1 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型箱采用Q235的鋼板外加方鋼管焊接加工而成。試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)營隧道,僅考慮二次襯砌受力特征,且設(shè)計(jì)為不排水條件系統(tǒng)。為保證箱體密封性,連接處采用通縫焊接密封,前后鋼板面預(yù)留馬蹄形斷面空洞。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涫疽馊鐖D1所示。襯砌結(jié)構(gòu)和溶洞在澆筑時(shí)設(shè)置在指定位置,通過外水加壓穩(wěn)壓設(shè)備模擬強(qiáng)降雨條件下的地表水快速補(bǔ)給。

(a) 模型箱整體

(b) 襯砌定位處

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

2.2.1 相似材料配置

基于相似理論并結(jié)合試驗(yàn)條件綜合考慮,確定模型幾何相似比Cl=30,確定重度相似常數(shù)Cγ=1。由相似理論可以推導(dǎo)其他相似關(guān)系,彈性模量、應(yīng)力相似比均為30∶1,內(nèi)摩擦角相似比為1∶1。

根據(jù)相似關(guān)系,圍巖相似材料強(qiáng)度為0.69 MPa,二次襯砌相似材料強(qiáng)度為1.1 MPa。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[18],通過多次試驗(yàn),確定襯砌材料配比為水∶石膏∶硅藻土∶硼砂=1∶2∶0.1∶0.01;圍巖材料配比為細(xì)砂∶重晶石粉∶白水泥∶黃油=21∶14.5∶5∶0.9。通過滲透試驗(yàn),圍巖滲透系數(shù)為4.91×10-6cm/s。材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模型制備

二次襯砌采用Q235鋼模板拼裝而成的鋼模澆筑得到,厚度為15 mm。通過對(duì)比多種試驗(yàn)方案[19],根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞的形狀描述,將連通地表的管道型溶洞進(jìn)行簡(jiǎn)化,澆筑圍巖材料時(shí)埋置PVC管以制備溶洞;同時(shí)利用PVC管材輔助制備溶洞與襯砌接觸之間的巖墻(厚度20 mm)。待材料初凝后將PVC管緩慢拔出。通過注水并利用空壓機(jī)進(jìn)行施壓穩(wěn)壓,以模擬不同水壓力。試驗(yàn)組件細(xì)部如圖2所示。

(a) 襯砌鋼模板

(b) 空壓機(jī)連接形式

2.3 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.3.1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)重點(diǎn)研究管道型溶洞位于襯砌拱頂時(shí),強(qiáng)降雨條件下水頭急劇積聚對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的不良影響。溶洞直徑為7.5 cm(模擬實(shí)際直徑2.25 m溶洞),連通地表,洞內(nèi)水頭從0開始為9級(jí)施加,每級(jí)增加50 cm水頭(模擬實(shí)際工況15 m水頭)。每級(jí)水頭施加后,待監(jiān)測(cè)讀數(shù)穩(wěn)定10 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)?zāi)M工況如圖3所示。

(a) 模擬工況

(b) 實(shí)際模型箱

2.3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用孔隙水壓計(jì)測(cè)量襯砌結(jié)構(gòu)所受水壓力值,并采用土壓力盒、數(shù)顯千分表及電阻式應(yīng)變片連接高速應(yīng)變儀利用計(jì)算機(jī)采集接觸壓力和襯砌應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示,且沿襯砌中截面等距離(15 cm)布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

(a) 測(cè)點(diǎn)布置

(b) 模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

(c) 應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集器

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 水壓力及接觸壓力結(jié)果分析

不同水頭變化下測(cè)點(diǎn)水壓力值如圖5所示。不同水頭變化下測(cè)點(diǎn)接觸壓力如圖6所示。由圖5可知: 1)同一水頭下,拱頂部位受到的水壓力最大,近似等于施加的水頭,左右兩側(cè)壓力值沿隧道軸線呈對(duì)稱分布,均小于拱頂值; 2)同一監(jiān)測(cè)位置的壓力值隨著水頭的增大而增大,增長(zhǎng)率略有降低; 3)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓力值在同一水頭下從拱頂至仰拱呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì),仰拱底部最小,主要原因是水壓力直接作用于拱頂,而其他部位沒有直接的水力補(bǔ)充。

圖5 不同水頭變化下測(cè)點(diǎn)水壓力值(單位: kPa)

圖6 不同水頭變化下測(cè)點(diǎn)接觸壓力(單位: kPa)

由圖6和圖5對(duì)比分析可知: 1)襯砌巖墻的接觸壓力與水壓力變化特征基本一致,由于巖墻的存在,除拱頂外的其他部位接觸壓力值均明顯小于同部位的水壓力; 2)襯砌拱頂受到較大的接觸壓力,產(chǎn)生了壓力集中分布現(xiàn)象。因此,在強(qiáng)降雨巖溶區(qū)域條件下,應(yīng)當(dāng)優(yōu)化隧道襯砌周邊的排水設(shè)施,避免發(fā)生因積聚高水頭而導(dǎo)致局部襯砌受力不良,確保巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

2.4.2 襯砌內(nèi)力特征分析

模型試驗(yàn)襯砌內(nèi)力分布如圖7所示。可以看出:1)襯砌結(jié)構(gòu)整體承受壓應(yīng)力,拱頂部位軸力和彎矩最大,彎矩和軸力呈對(duì)稱分布,且隨著水頭增加而逐級(jí)增大; 2)拱頂部位受溶腔水頭影響顯著,左右拱肩內(nèi)力隨水頭變化幅度次之,溶洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)存在一定的影響范圍,導(dǎo)致拱肩內(nèi)力值變化較為明顯,拱頂和仰拱處于內(nèi)拉外壓的彎拉應(yīng)力狀態(tài)。

由圖7分析可知: 1)當(dāng)溶洞內(nèi)從0.5 m開始充水時(shí),襯砌拱頂處軸力和彎矩分別為-1.173 kN和-0.011 4 kN·m;當(dāng)水頭增加至4.5 m時(shí),軸力和彎矩增加至-9.367 kN和-0.028 9 kN·m,分別增大了約8倍和2.5倍,襯砌拱頂軸力急劇增大,對(duì)襯砌受力不利。2)不同水頭情況下,仰拱處內(nèi)力變化最小,對(duì)其影響較小。3)水頭施加至1.5 m時(shí),內(nèi)力增幅最大,襯砌極易發(fā)生破壞。隨著水頭的不斷增加,襯砌結(jié)構(gòu)受力擴(kuò)散趨于承載力極限狀態(tài),軸力和彎矩值不斷增大,增長(zhǎng)率逐漸降低,內(nèi)力增長(zhǎng)呈明顯“S”形。針對(duì)于此,應(yīng)當(dāng)根據(jù)襯砌受力分布特征對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固,提高襯砌結(jié)構(gòu)抗破壞能力。

(a) 襯砌軸力分布(單位: kN)

(b) 襯砌彎矩分布(單位: kN·m)

2.4.3 位移變化分析

模型試驗(yàn)位移變化如圖8所示?？梢钥闯? 1)溶洞位于拱頂上方時(shí),襯砌拱頂位移值隨著水頭增大而增大,邊墻水平位移值變化較小,基本不受水頭變化的影響,這是由于本次模擬為強(qiáng)降雨條件下水頭積聚以近似點(diǎn)荷載的情況施壓于襯砌引起的; 2)發(fā)生滲漏水破壞時(shí)拱頂位移為2.014 mm,此時(shí)水壓力值為45 kPa(實(shí)際1.35 MPa); 3)隨著水頭不斷的增加,位移不斷增大,破壞風(fēng)險(xiǎn)逐漸升高,因此在拱頂存在高壓充水溶腔時(shí)應(yīng)當(dāng)將拱頂豎直位移作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

圖8 模型試驗(yàn)位移變化值

綜上可知,當(dāng)管道型溶洞位于襯砌拱頂時(shí),拱頂部位的內(nèi)力及位移響應(yīng)明顯,為斷面最不利位置。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)真實(shí)地反映了工程實(shí)際災(zāi)變條件,闡明了內(nèi)力位移變化特征,但試驗(yàn)中存在著周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益差的缺點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)分析

3.1 計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的一致性,模擬采用等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔绱笮?。二次襯砌采用彈性本構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行模擬,采用空模型來模擬管道型溶洞,不考慮溶洞的發(fā)育。巖墻周圍設(shè)置接觸面模擬滑動(dòng)與擠出條件,模型設(shè)置為不排水條件。數(shù)值模擬模型如圖9所示。

(a) 整體有限元模型

(b) 單元加密區(qū)

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

圍巖及襯砌材料與試驗(yàn)材料取值相同。接觸面單元分為2個(gè)部分,分別為圍巖及溶洞的接觸面,接觸面法向剛度為0.5×109Pa/m,切向剛度為109Pa/m,巖墻泊松比取0.3。數(shù)值模擬參數(shù)取值如表2所示。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)取值

3.3 模型邊界條件

模型除上表面為自由邊界外,其他邊界面為固定法向位移條件。僅考慮二次襯砌受力情況,采用分級(jí)施加面力來模擬室內(nèi)試驗(yàn)等水頭施加的情況,將45 kPa分為9級(jí)荷載分級(jí)施加,管道壁按梯度變化荷載施加水平應(yīng)力。

3.4 模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.4.1 襯砌內(nèi)力特征對(duì)比分析

數(shù)值模擬襯砌內(nèi)力分布如圖10所示。對(duì)比圖10和圖7可知: 1)溶洞位于隧道拱頂時(shí),模擬結(jié)果整體變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,均在拱頂部位產(chǎn)生顯著的內(nèi)力變化;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到45 kPa時(shí),拱頂位置的安全系數(shù)小于1,與試驗(yàn)特征一致。2)進(jìn)一步對(duì)比可知,當(dāng)溶洞內(nèi)應(yīng)力為5 kPa時(shí),襯砌拱頂數(shù)值解與試驗(yàn)解的軸力和彎矩偏差為3.4%和1.1%;當(dāng)應(yīng)力增大至45 kPa時(shí),偏差率分別為2.4%和0.3%,隨著水壓力的增大,誤差的影響逐漸降低。數(shù)值模擬得到的襯砌內(nèi)力分布特征與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致,尤其在襯砌拱頂位置內(nèi)力值擬合相似度極高。

(a) 襯砌軸力分布(單位: kN)

(b) 襯砌彎矩分布(單位: kN·m)

3.4.2 位移變化對(duì)比分析

數(shù)值模擬位移變化如圖11所示。由圖11和圖8對(duì)比分析可知: 1)2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果位移值誤差均在10%以內(nèi),2個(gè)解存在一定的偏差,其原因可能是在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)選取的單元襯砌材料都為理想化的結(jié)構(gòu)單元,地應(yīng)力及荷載邊界條件的簡(jiǎn)化也會(huì)造成一定的影響; 2)整體而言,溶洞位于拱頂時(shí),模擬得到的位移值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,從而可以說明模擬的有效性,并驗(yàn)證了數(shù)值模擬條件參數(shù)選取和模型構(gòu)建的合理性。

4 數(shù)值模擬實(shí)際工程分析

為了進(jìn)一步探究管道型隱伏溶洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征,設(shè)置了1.5、2.25、3 m方管狀溶洞分別位于拱頂、邊墻和仰拱底部等9種實(shí)際工況,具體計(jì)算工況如表3所示。

圖11 數(shù)值模擬位移變化值

表3 實(shí)際工程數(shù)值計(jì)算工況

4.1 計(jì)算模型建立

模型尺寸為100 m(X)×30 m(Y)×110 m(Z),二次襯砌采用45 cm厚的C30素混凝土。溶洞截面設(shè)置為正方形,處于模型中心位置,均連通地表,與襯砌之間的巖墻厚度為0.6 m。部分圍巖自重由均布荷載施加于模型頂部,模型各部分參數(shù)選取及條件設(shè)置均同3.2、3.3節(jié)一致。實(shí)際工程模擬部分計(jì)算工況示意如圖12所示。

圖12 計(jì)算工況示意圖(單位: m)

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.2.1 工況Ⅰ 溶洞位于襯砌拱頂時(shí)內(nèi)力變化情況

4.2.1.1 襯砌內(nèi)力分布特征

工況Ⅰ襯砌內(nèi)力分布如圖13所示。可以看出: 1)當(dāng)溶洞位于拱頂時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)受力沿隧道軸線呈對(duì)稱分布; 2)拱頂部位隨著溶洞應(yīng)力的增加,內(nèi)力增加最為顯著,呈現(xiàn)明顯的“S”形增長(zhǎng); 3)隨著溶洞內(nèi)水壓力的增加,襯砌軸力和彎矩最大位置處均由仰拱底部變化至拱頂,拱頂和仰拱承受彎拉應(yīng)力。

(a) 工況Ⅰ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅰ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅰ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅰ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅰ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅰ-3彎矩分布(單位: kN·m)

4.2.1.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅰ條件下M1處內(nèi)力變化如圖14所示?？梢钥闯? 1)當(dāng)溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時(shí),M1處軸力和彎矩為-1 358.6 kN和-120.89 kN·m;荷載施加至1.5 MPa時(shí),襯砌軸力和彎矩增加至-3 212.4 kN和-409.17 kN·m,增大了2.4倍和3.4倍。2)拱頂處內(nèi)力變化率最大,拱頂至仰拱處內(nèi)力變化率逐漸降低,外水壓力的存在對(duì)襯砌拱頂最為不利。3)當(dāng)外水壓力為0.3 MPa,管道溶洞尺寸為2.25 m和3 m時(shí),襯砌M1處軸力分別為-2 132.6 kN和-2 332.6 kN,增幅為56.9%和9.4%,彎矩分別為-183.89 kN·m和-203.89 kN·m,增幅為52.1%和10.9%。由此可知,隨著溶洞尺寸的增加,襯砌內(nèi)力不斷增大,內(nèi)力增幅逐漸減小,拱頂處變化最為顯著。

圖14 工況Ⅰ條件下M1處內(nèi)力變化圖

當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)小于1時(shí),認(rèn)為襯砌發(fā)生破壞。襯砌發(fā)生破壞時(shí)的溶洞應(yīng)力分別為1.2、0.9、0.6 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌破壞時(shí)的水壓力不斷降低,說明溶洞尺寸越大對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響越大,襯砌結(jié)構(gòu)的抵抗能力越低。針對(duì)此工況,在隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),建議采取可靠排水措施避免溶洞內(nèi)水壓力集聚并對(duì)襯砌進(jìn)行增強(qiáng)。

4.2.2 工況Ⅱ 溶洞位于襯砌邊墻時(shí)內(nèi)力變化情況

4.2.2.1 襯砌內(nèi)力分布特征

工況Ⅱ襯砌內(nèi)力分布如圖15所示?？梢钥闯? 1)當(dāng)溶洞位于邊墻右側(cè)0.6 m時(shí),隧道襯砌整體屬于偏壓狀態(tài),右側(cè)受力顯著大于左側(cè)區(qū)域,右側(cè)邊墻受力變化最為明顯; 2)隨著右邊墻溶洞水壓力不斷增加,襯砌最大軸力和彎矩由仰拱部位變化至右側(cè)邊墻。

(a) 工況Ⅱ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅱ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅱ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅱ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅱ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅱ-3彎矩分布(單位: kN·m)

4.2.2.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅱ條件下M5處內(nèi)力變化如圖16所示?？梢钥闯? 1)當(dāng)溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時(shí),M5處軸力和彎矩分別為-2 272.8 kN和-161.17 kN·m;水壓力增至1.5 MPa時(shí),襯砌軸力和彎矩為4 279.2 kN和-483.12 kN·m,增大了1.9倍和3倍,彎矩增長(zhǎng)倍率大于軸力增長(zhǎng)倍率,產(chǎn)生彎拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)較高。2)當(dāng)外水壓力為0.3 MPa,管道溶洞尺寸為2.25 m和3 m時(shí),M5處軸力分別為-2 569.8 kN和-2 797.3 kN,增幅為13.1%和8.9%,彎矩分別為-201.17 kN·m和-256.13 kN·m,增幅為24.8%和27.3%。右側(cè)邊墻內(nèi)力變化率最大,溶洞水壓力荷載的存在對(duì)襯砌右邊墻最為不利。

右邊墻襯砌發(fā)生破壞時(shí)的外荷載分別為1.5、1.2、0.9 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的應(yīng)力逐漸減小,襯砌與溶洞直接作用處為襯砌結(jié)構(gòu)最不利位置。相較于溶洞位于拱頂位置時(shí),抗水壓力能力有所提高,說明溶洞位于邊墻時(shí)相比于拱頂偏安全,承載能力更高。

圖16 工況Ⅱ條件下M5處內(nèi)力變化圖

4.2.3 工況Ⅲ 溶洞位于襯砌仰拱底部時(shí)內(nèi)力變化情況

4.2.3.1 襯砌內(nèi)力變化特征

工況Ⅲ襯砌內(nèi)力分布如圖17所示。可以看出: 1)當(dāng)溶洞位于仰拱底部0.6 m時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)受力整體呈沿軸向左右對(duì)稱分布; 2)仰拱底部隨著溶洞內(nèi)水壓力的增加內(nèi)力增加最為顯著,襯砌軸力和彎矩最大位置處均為仰拱底部,仰拱及拱肩位置承受彎拉應(yīng)力。

4.2.3.2 襯砌內(nèi)力演化分析

工況Ⅲ條件下M8處內(nèi)力變化如圖18所示?？梢钥闯? 1)當(dāng)溶洞為1.5 m、水壓力為0.3 MPa時(shí),M8處軸力和彎矩分別為-2 913.4 kN和-242.46 kN·m;水壓力增至1.5 MPa時(shí),襯砌軸力和彎矩增加至-5 409.4 kN和-531.29 kN·m,增大了1.86倍和2.2倍。2)仰拱處內(nèi)力變化率最大,仰拱至拱頂內(nèi)力變化率逐漸降低,仰拱底部為最不利受力位置,拱腳處次之。3)當(dāng)外水壓力為0.3 MPa、溶洞尺寸為2.25 m和3 m時(shí),M8處軸力分別為-3 398.5 kN和-4 178.2 kN,增幅為16.7%和22.9%;彎矩分別為-302.46 kN·m和-362.46 kN·m,增幅為24.7%和19.8%。溶洞尺寸越大,內(nèi)力增加越快。

(a) 工況Ⅲ-1軸力分布(單位: kN)

(b) 工況Ⅲ-1彎矩分布(單位: kN·m)

(c) 工況Ⅲ-2軸力分布(單位: kN)

(d) 工況Ⅲ-2彎矩分布(單位: kN·m)

(e) 工況Ⅲ-3軸力分布(單位: kN)

(f) 工況Ⅲ-3彎矩分布(單位: kN·m)

圖18 工況Ⅲ條件下M8處內(nèi)力變化圖

襯砌發(fā)生破壞時(shí)的外荷載分別為1.5、1.2、0.9 MPa。隨著溶洞尺寸的不斷增大,襯砌破壞時(shí)的水壓力荷載不斷降低,拱底為最不利作用位置。針對(duì)此工況,應(yīng)對(duì)底部溶洞進(jìn)行回填注漿加固,確保仰拱及拱腳襯砌的安全性。

綜上可知,溶洞位于拱頂時(shí)襯砌發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大,拱頂抗水壓力能力顯著降低了0.3 MPa。因此,應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加強(qiáng)拱頂隱伏溶洞勘探,并關(guān)注襯砌斷面內(nèi)承受較大彎拉應(yīng)力部位的變化特征,及時(shí)對(duì)溶腔進(jìn)行排水回填并局部加固。

5 結(jié)論與討論

1)溶洞作用拱頂位置時(shí),隨著水頭的增加,襯砌內(nèi)力及位移不斷增大,呈現(xiàn)“S”形分布規(guī)律,試驗(yàn)條件下最大承載力為1.35 MPa。水頭直接作用斷面水壓力大于其他監(jiān)測(cè)斷面,溶洞直接作用位置為最不利部位,存在有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象,襯砌受力變化從拱頂至拱底逐漸減小。

2)溶洞尺寸不同,襯砌破壞荷載不同。1.5、2.25、3.0 m溶洞位于拱頂時(shí),拱頂及仰拱承受較大的彎拉應(yīng)力,受力呈對(duì)稱分布,襯砌發(fā)生破壞時(shí)的水壓力分別為1.2、0.9、0.6 MPa。溶洞尺寸越大,襯砌響應(yīng)越明顯,抗水壓力能力越小。

3)溶洞位于邊墻及拱底,抗水壓力能力較拱頂位置均提高了0.3 MPa,作用在邊墻時(shí)襯砌處于明顯的偏壓狀態(tài),對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力極為不利。

4)隨著溶洞尺寸和水壓力的不斷增大,襯砌內(nèi)力均不斷增加,其增長(zhǎng)率逐漸降低,溶洞的影響范圍也有所擴(kuò)大,襯砌安全系數(shù)明顯下降。溶洞直接作用部位承受較大的彎拉應(yīng)力,襯砌內(nèi)側(cè)被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)較高,屬于最不利位置。

由于管道型隱伏溶洞形態(tài)發(fā)育具有無規(guī)則性,導(dǎo)致運(yùn)營隧道發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)破壞的災(zāi)害具有難以預(yù)測(cè)性,且實(shí)際條件下溶洞情況復(fù)雜多變,本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)值模擬軟件探究了溶洞位置、尺寸及水壓力大小對(duì)巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律,后續(xù)研究可以考慮進(jìn)一步分析群發(fā)性溶洞以及多場(chǎng)耦合作用下的巖墻厚度對(duì)運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響特征,以期系統(tǒng)地針對(duì)運(yùn)營隧道產(chǎn)生的巖溶問題進(jìn)行全面探討,為運(yùn)營隧道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)及病害治理提供相關(guān)指導(dǎo)。