高壓富水巖溶大斷面公路隧道初支測(cè)試研究
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范建國(guó)1，鄧如勇1，康海波2，方 勇1
（1．西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031：2．四川路橋建設(shè)股份有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）
[摘要]高壓富水巖溶地區(qū)由于水壓以及溶腔的存在，導(dǎo)致圍巖與襯砌之間的作用復(fù)雜多變。對(duì)于大斷面公路隧道，雖然與標(biāo)準(zhǔn)斷面公路隧道受力相似，但是由于斷面凈寬的急劇擴(kuò)大，導(dǎo)致襯砌承受更大彎矩，這就使得受力薄弱環(huán)節(jié)極其危險(xiǎn)。在巖溶地區(qū)的大斷面公路隧道，斷面受力狀態(tài)更加復(fù)雜。對(duì)隧道斷面安裝測(cè)試元件，監(jiān)測(cè)隧道橫斷面受力狀況，計(jì)算得到斷面襯砌內(nèi)力，同時(shí)用軟件FLAC3D進(jìn)行有限元分析，比較以及驗(yàn)證斷面內(nèi)力，并得到結(jié)論：大斷面公路隧道受力狀況與標(biāo)準(zhǔn)斷面受力相似，但是由于斷面面積的增大，斷面凈寬的急劇增加導(dǎo)致拱肩和拱腳承受巨大剪力，拱頂彎矩增大，同時(shí)由于圍巖中巖溶的存在，導(dǎo)致斷面受力會(huì)發(fā)生突變。
[關(guān)鍵詞]隧道工程；巖溶；大斷面；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；有限元分析
[中圖分類號(hào)]U455.7 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)11-0069-03
0 引言
富水巖溶地層是隧道工程中最具危害性的災(zāi)害之一。對(duì)于大斷面公路隧道，特別是3車道及其以上的隧道，一方面，遇到富水巖溶地層時(shí)，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布相對(duì)于普通地層有很大區(qū)別，在溶洞附近有較強(qiáng)的應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)隧道開挖后，這種應(yīng)力不均勻分布還會(huì)加劇。另一方面，地下水的存在還會(huì)影響圍巖、支護(hù)以及襯砌的相互作用關(guān)系。
鄒成杰通過(guò)研究不同洞徑、不同位置溶洞對(duì)隧道位移作用，提出了隧道周圍存在的水平溶洞對(duì)隧道的位移影響最大。李彪等通過(guò)京珠高速實(shí)例發(fā)現(xiàn)溶洞洞徑的增大或溶洞與隧道距離的減小，隧道與溶洞最近點(diǎn)的位移都有明顯增大之勢(shì)。周樂(lè)凡以渝懷鐵路隧道為工程背景，深入研究了富水巖溶地質(zhì)情況對(duì)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的作用方式以及影響效果。宋戰(zhàn)平通過(guò)研究隧道在不同圍巖狀況和不同地應(yīng)力條件下溶洞周圍的應(yīng)力和位移作用，歸納并總結(jié)出溶洞對(duì)隧道周圍支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響效果。史世雍等在夏家廟隧道的工程研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，得到了溶洞尺度的不同對(duì)隧道周圍應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)影響的不同的結(jié)論。
本文以重慶雙碑隧道為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析富水巖溶3車道公路隧道初支受力情況。
1 工程地質(zhì)條件
重慶雙碑隧道位于重慶市沙坪壩區(qū)雙碑。隧道全長(zhǎng)總計(jì)4 373m，為雙向6車道大斷面公路隧道，隧道左、右洞線路中心線間距約20m，大斷面3車道開挖凈寬約為16m，緊急停車帶開挖寬度約19. 3m。
1.1 地形地貌
重慶雙碑隧道位于中梁山南沿線部分，地貌構(gòu)造屬于剝蝕條帶狀，且為低山地貌，所處山脈沿東偏北~西偏西方向延伸，隧道整體海拔高程在300. 000~ 600. 000m，而隧道穿越地段的最高海拔為581. 400m，雙碑隧道出口處附近海拔約為210. 260m。
首先，隧道所處地層受到隧址區(qū)地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的影響，背斜的軸部發(fā)生了隆起，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的隆起形成中梁山骨架。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化以及地質(zhì)演變過(guò)程中，中梁山軸部處漏出的碳酸鹽被流水溶化、侵蝕。但是，軸部?jī)蓚?cè)的厚硬砂巖由于抗風(fēng)化能力強(qiáng)，基本不發(fā)生變化，所以在山體兩側(cè)形成了嶺，總體就構(gòu)成了“一山二嶺一槽”的高位槽谷地形。
1.2 水文氣象
隧址區(qū)內(nèi)主要水系以過(guò)境的長(zhǎng)江以及長(zhǎng)江的支流嘉陵江為主，長(zhǎng)江自西南流入，而嘉陵江自西北流入，兩江流至朝天門后匯合向東流出；隧址區(qū)次級(jí)支流較多，包括小安溪河、璧山河、梁灘河、御臨河等，次級(jí)支流基本上為北東~南西向發(fā)育，在巖性較差的丘陵地區(qū)蜿蜒盤旋；更次一級(jí)的溪流在隧址區(qū)內(nèi)的發(fā)育極為普遍，總體特點(diǎn)大都是在各低山區(qū)發(fā)育，將低山斜坡橫切向丘陵區(qū)發(fā)育。雙碑隧道隸屬亞熱帶季風(fēng)氣候，特點(diǎn)為夜雨多、雨量充沛、霧氣大、日照少及空氣濕度大等。
1.3 巖溶特征
研究區(qū)的巖溶水巖組主要為T21 +T1j及T1f3，T1f1地層，T21+T1j巖溶含水巖組分布于中梁山的東、西槽谷中，地貌上為2個(gè)槽。巖溶槽谷是最大的巖溶景觀，其次是地表巖溶形態(tài)，有落水洞、天窗、溶溝、溶槽等，在東槽谷的北段，發(fā)育有一系列的串珠狀落水洞、暗河天窗、溶蝕洼地；西槽谷的橫向開放邊界附近，也有水平溶洞分布。中梁山觀音峽背斜是波狀扭曲的不對(duì)稱背斜，不同的構(gòu)造部位巖溶發(fā)育強(qiáng)度存在顯著差異。在背斜北段，由于西翼傾
角陡、東翼緩，造成可溶巖出露面積差別較大，進(jìn)而導(dǎo)致東翼巖溶發(fā)育程度比西翼強(qiáng)。本區(qū)溶洞均呈NNE向展布，明顯受控于NNE向構(gòu)造。背斜鞍部地勢(shì)較低，為地下水匯集提供了條件，成為局部排泄區(qū)。另外，在背斜兩翼均出露有T3X相對(duì)隔水層，可溶巖的巖溶作用局限于狹長(zhǎng)的地帶內(nèi)。但是同時(shí)由于某些地段的開放性，形成局部侵蝕基準(zhǔn)面，造成巖溶發(fā)育程度的差異，如西槽谷有流水巖、大水溝等橫向開發(fā)邊界，為淺層巖溶水提供了排泄條件，使巖溶作用的水動(dòng)力條件減弱，所以西槽谷巖溶水以溶隙、裂隙流為主；東槽谷無(wú)側(cè)向開放邊界，加之匯水面積大，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，所以東槽谷巖溶水以管道流為主。
2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
2.1 隧道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
道路等級(jí)為城市快速路，路基寬度為30m;隧道單向凈寬為13m；設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100；建筑限界為，主洞凈寬13. 0m、凈高5.00m，緊急停車帶凈寬16. 0m、凈高5.00m。
2.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)土壓力盒和表面應(yīng)變計(jì)，并對(duì)元器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試，獲得實(shí)際條件下隧道初期支護(hù)與圍巖之間壓力和鋼拱架內(nèi)力。
如圖1所示，在鋼拱架上安裝7對(duì)表面應(yīng)變計(jì)，以測(cè)得初支橫截面?zhèn)葔σ约肮绊斕巸?nèi)力；在初支和圍巖之間安裝了5個(gè)土壓力盒，以測(cè)得初支側(cè)墻以及拱頂所承受的土壓力。
2.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)
在鋼拱架內(nèi)側(cè)和同一徑向的外側(cè)布置電阻應(yīng)變計(jì)，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)的電阻改變測(cè)量鋼拱架內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變值，通過(guò)鋼拱架內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變值的變化以及差值計(jì)算結(jié)構(gòu)初支截面彎矩和軸力。
在隧道的ZK4+465（Ⅲ級(jí)圍巖普通段）和YK4 +460（Ⅲ級(jí)圍巖普通段）斷面安裝儀器并進(jìn)行初支內(nèi)力測(cè)定，在安裝之后記錄初值，根據(jù)最終穩(wěn)定后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。結(jié)果如圖2，3所示。
如圖2所示左洞ZK4 +465斷面內(nèi)力圖，隧道左側(cè)拱肩處初支與圍巖之間的土壓力為58kPa，明顯大于右側(cè)拱肩的20. 5kPa，同時(shí)，初支左拱肩的彎矩為8. 5kN .m，右拱肩彎矩為- 12. 1k N．m；如圖3所示右洞YK4 +460斷面內(nèi)力圖，隧道右側(cè)拱肩處初支與圍巖之間的土壓力為56kPa，明顯大于右側(cè)拱肩的18kPa，同時(shí)，初支左拱肩的彎矩為-3.1kN .m，右拱肩彎矩為- 24.9 k N .m。
初支在隧道開挖斷面收斂穩(wěn)定后進(jìn)行施作，在隧道內(nèi)壁上打錨桿、安裝鋼筋網(wǎng)、支鋼拱架以及噴射混凝土。由于隧道的防水層在初支與二襯之間，所以初支不受水壓力作用，只受圍巖的土壓作用。如圖2，3所示，大斷面高速公路隧道內(nèi)力基本形式與標(biāo)準(zhǔn)雙車道高速公路相同，均為拱頂受到壓力而發(fā)生收斂，拱墻向圍巖方向發(fā)生擠壓；而由于斷面尺寸的不均勻增加，導(dǎo)致拱頂彎矩急劇增大，拱頂下沉加劇，拱肩和拱腳附近受到巨大的剪切應(yīng)力，成為受力薄弱環(huán)節(jié)。如前所述斷面內(nèi)力情況，在隧道拱肩處的土壓力明顯變小，而隧道不存在偏壓狀況，故在隧道拱肩處可能存在溶腔，使得斷面內(nèi)力發(fā)生改變。
3數(shù)值模型分析
3.1模型建立以及參數(shù)設(shè)置
采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型，將實(shí)際工程的三維隧道力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為三維數(shù)值模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)圍巖以及襯砌單元按照不同的精度要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將圍巖按照實(shí)際工程設(shè)定為Ⅲ級(jí)圍巖，初支為實(shí)體單元，根據(jù)雙碑隧道實(shí)際施工參數(shù)，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)定為C30混凝土，按照C30混凝土設(shè)定襯砌參數(shù)，同時(shí)在襯砌上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)襯砌內(nèi)力（見圖4）。
3.2結(jié)果分析
分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)3車道公路隧道初支以及隧道斷面拱肩處存在溶腔的斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制斷面內(nèi)力圖，如圖5，6所示。
如圖5，6所示，大斷面公路隧道溶腔的存在會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌內(nèi)力發(fā)生顯著改變，由于斷面拱肩處存在溶腔，導(dǎo)致圍巖對(duì)斷面的壓力發(fā)生改變，在溶腔附近降低圍巖對(duì)襯砌的約束作用，溶腔附近襯砌的軸力會(huì)降低以及彎矩會(huì)增大，而在距離溶腔較遠(yuǎn)的位置，溶腔的影響明顯減小，甚至不發(fā)生作用。
對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷面內(nèi)力圖的整體受力特點(diǎn)類似，由于數(shù)值模擬的簡(jiǎn)化以及邊界條件的理想化，數(shù)值模擬的結(jié)果略大于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，但是相差不大。
4結(jié)語(yǔ)
1)大斷面公路隧道與標(biāo)準(zhǔn)斷面公路隧道初支在彎矩和軸力上的受力特點(diǎn)基本相同。
2)大斷面公路隧道由于截面尺寸增大不均勻，導(dǎo)致拱頂受到更大彎矩，同時(shí)拱肩與拱腳成為受剪薄弱環(huán)節(jié)，承受更大剪力。
3)大斷面巖溶隧道由于圍巖中可能存在的巖溶空洞，會(huì)導(dǎo)致斷面局部?jī)?nèi)力發(fā)生改變，形成受力薄弱區(qū)域。
4)溶腔對(duì)距離較近的襯砌影響較大，而對(duì)距離較遠(yuǎn)的襯砌影響較小，甚至不產(chǎn)生影響。
