高压富水岩溶大断面公路隧道初支测试研究

 范建国1，邓如勇1，康海波2，方  勇1

（1．西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川  成都  610031：2．四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司，四川  成都  610200）

[摘要]高压富水岩溶地区由于水压以及溶腔的存在，导致围岩与衬砌之间的作用复杂多变。对于大断面公路隧道，虽然与标准断面公路隧道受力相似，但是由于断面净宽的急剧扩大，导致衬砌承受更大弯矩，这就使得受力薄弱环节极其危险。在岩溶地区的大断面公路隧道，断面受力状态更加复杂。对隧道断面安装测试元件，监测隧道横断面受力状况，计算得到断面衬砌内力，同时用软件FLAC3D进行有限元分析，比较以及验证断面内力，并得到结论：大断面公路隧道受力状况与标准断面受力相似，但是由于断面面积的增大，断面净宽的急剧增加导致拱肩和拱脚承受巨大剪力，拱顶弯矩增大，同时由于围岩中岩溶的存在，导致断面受力会发生突变。

[关键词]隧道工程；岩溶；大断面；现场测试；有限元分析

[中图分类号]U455.7  [文章编号]1002-8498(2016)11-0069-03

0  引言

 富水岩溶地层是隧道工程中最具危害性的灾害之一。对于大断面公路隧道，特别是3车道及其以上的隧道，一方面，遇到富水岩溶地层时，围岩的应力场分布相对于普通地层有很大区别，在溶洞附近有较强的应力集中区。当隧道开挖后，这种应力不均匀分布还会加剧。另一方面，地下水的存在还会影响围岩、支护以及衬砌的相互作用关系。

 邹成杰通过研究不同洞径、不同位置溶洞对隧道位移作用，提出了隧道周围存在的水平溶洞对隧道的位移影响最大。李彪等通过京珠高速实例发现溶洞洞径的增大或溶洞与隧道距离的减小，隧道与溶洞最近点的位移都有明显增大之势。周乐凡以渝怀铁路隧道为工程背景，深入研究了富水岩溶地质情况对铁路隧道衬砌结构的作用方式以及影响效果。宋战平通过研究隧道在不同围岩状况和不同地应力条件下溶洞周围的应力和位移作用，归纳并总结出溶洞对隧道周围支护结构内力的影响效果。史世雍等在夏家庙隧道的工程研究基础上，应用ANSYS数值模拟结构，得到了溶洞尺度的不同对隧道周围应力场和位移场影响的不同的结论。

 本文以重庆双碑隧道为工程背景，根据现场测试数据，分析富水岩溶3车道公路隧道初支受力情况。

1  工程地质条件

 重庆双碑隧道位于重庆市沙坪坝区双碑。隧道全长总计4 373m，为双向6车道大断面公路隧道，隧道左、右洞线路中心线间距约20m，大断面3车道开挖净宽约为16m，紧急停车带开挖宽度约19. 3m。

1.1  地形地貌

 重庆双碑隧道位于中梁山南沿线部分，地貌构造属于剥蚀条带状，且为低山地貌，所处山脉沿东偏北~西偏西方向延伸，隧道整体海拔高程在300. 000~ 600. 000m，而隧道穿越地段的最高海拔为581. 400m，双碑隧道出口处附近海拔约为210. 260m。

 首先，隧道所处地层受到隧址区地应力和构造应力的影响，背斜的轴部发生了隆起，经过长期的隆起形成中梁山骨架。在漫长的进化以及地质演变过程中，中梁山轴部处漏出的碳酸盐被流水溶化、侵蚀。但是，轴部两侧的厚硬砂岩由于抗风化能力强，基本不发生变化，所以在山体两侧形成了岭，总体就构成了“一山二岭一槽”的高位槽谷地形。

1.2  水文气象

 隧址区内主要水系以过境的长江以及长江的支流嘉陵江为主，长江自西南流入，而嘉陵江自西北流入，两江流至朝天门后汇合向东流出；隧址区次级支流较多，包括小安溪河、璧山河、梁滩河、御临河等，次级支流基本上为北东~南西向发育，在岩性较差的丘陵地区蜿蜒盘旋；更次一级的溪流在隧址区内的发育极为普遍，总体特点大都是在各低山区发育，将低山斜坡横切向丘陵区发育。双碑隧道隶属亚热带季风气候，特点为夜雨多、雨量充沛、雾气大、日照少及空气湿度大等。

1.3  岩溶特征

 研究区的岩溶水岩组主要为T21 +T1j及T1f3，T1f1地层，T21+T1j岩溶含水岩组分布于中梁山的东、西槽谷中，地貌上为2个槽。岩溶槽谷是最大的岩溶景观，其次是地表岩溶形态，有落水洞、天窗、溶沟、溶槽等，在东槽谷的北段，发育有一系列的串珠状落水洞、暗河天窗、溶蚀洼地；西槽谷的横向开放边界附近，也有水平溶洞分布。中梁山观音峡背斜是波状扭曲的不对称背斜，不同的构造部位岩溶发育强度存在显著差异。在背斜北段，由于西翼倾

角陡、东翼缓，造成可溶岩出露面积差别较大，进而导致东翼岩溶发育程度比西翼强。本区溶洞均呈NNE向展布，明显受控于NNE向构造。背斜鞍部地势较低，为地下水汇集提供了条件，成为局部排泄区。另外，在背斜两翼均出露有T3X相对隔水层，可溶岩的岩溶作用局限于狭长的地带内。但是同时由于某些地段的开放性，形成局部侵蚀基准面，造成岩溶发育程度的差异，如西槽谷有流水岩、大水沟等横向开发边界，为浅层岩溶水提供了排泄条件，使岩溶作用的水动力条件减弱，所以西槽谷岩溶水以溶隙、裂隙流为主；东槽谷无侧向开放边界，加之汇水面积大，水动力条件较强，所以东槽谷岩溶水以管道流为主。

2现场测试

2.1  隧道主要技术标准

 道路等级为城市快速路，路基宽度为30m;隧道单向净宽为13m；设计洪水频率为1/100；建筑限界为，主洞净宽13. 0m、净高5.00m，紧急停车带净宽16. 0m、净高5.00m。

2.2现场测试仪器

 通过现场埋设土压力盒和表面应变计，并对元器件进行动态跟踪测试，获得实际条件下隧道初期支护与围岩之间压力和钢拱架内力。

 如图1所示，在钢拱架上安装7对表面应变计，以测得初支横截面侧墙以及拱顶处内力；在初支和围岩之间安装了5个土压力盒，以测得初支侧墙以及拱顶所承受的土压力。

2.3现场测试数据

 在钢拱架内侧和同一径向的外侧布置电阻应变计，通过电阻应变计的电阻改变测量钢拱架内、外侧应变值，通过钢拱架内、外侧应变值的变化以及差值计算结构初支截面弯矩和轴力。

 在隧道的ZK4+465（Ⅲ级围岩普通段）和YK4 +460（Ⅲ级围岩普通段）断面安装仪器并进行初支内力测定，在安装之后记录初值，根据最终稳定后的测量数据进行内力计算。结果如图2，3所示。

 如图2所示左洞ZK4 +465断面内力图，隧道左侧拱肩处初支与围岩之间的土压力为58kPa，明显大于右侧拱肩的20. 5kPa，同时，初支左拱肩的弯矩为8. 5kN .m，右拱肩弯矩为- 12. 1k N．m；如图3所示右洞YK4 +460断面内力图，隧道右侧拱肩处初支与围岩之间的土压力为56kPa，明显大于右侧拱肩的18kPa，同时，初支左拱肩的弯矩为-3.1kN .m，右拱肩弯矩为- 24.9 k N .m。

 初支在隧道开挖断面收敛稳定后进行施作，在隧道内壁上打锚杆、安装钢筋网、支钢拱架以及喷射混凝土。由于隧道的防水层在初支与二衬之间，所以初支不受水压力作用，只受围岩的土压作用。如图2，3所示，大断面高速公路隧道内力基本形式与标准双车道高速公路相同，均为拱顶受到压力而发生收敛，拱墙向围岩方向发生挤压；而由于断面尺寸的不均匀增加，导致拱顶弯矩急剧增大，拱顶下沉加剧，拱肩和拱脚附近受到巨大的剪切应力，成为受力薄弱环节。如前所述断面内力情况，在隧道拱肩处的土压力明显变小，而隧道不存在偏压状况，故在隧道拱肩处可能存在溶腔，使得断面内力发生改变。

3数值模型分析

3.1模型建立以及参数设置

 采用数值模拟软件FLAC3D建立模型，将实际工程的三维隧道力学问题简化为三维数值模型进行有限元分析，对围岩以及衬砌单元按照不同的精度要求进行网格划分。将围岩按照实际工程设定为Ⅲ级围岩，初支为实体单元，根据双碑隧道实际施工参数，衬砌结构设定为C30混凝土，按照C30混凝土设定衬砌参数，同时在衬砌上设置监测点，以监测衬砌内力（见图4）。

3.2结果分析

 分别对标准3车道公路隧道初支以及隧道断面拱肩处存在溶腔的断面进行数值模拟，根据计算结果绘制断面内力图，如图5，6所示。

如图5，6所示，大断面公路隧道溶腔的存在会导致隧道衬砌内力发生显著改变，由于断面拱肩处存在溶腔，导致围岩对断面的压力发生改变，在溶腔附近降低围岩对衬砌的约束作用，溶腔附近衬砌的轴力会降低以及弯矩会增大，而在距离溶腔较远的位置，溶腔的影响明显减小，甚至不发生作用。

 对比现场测试结果，数值模拟与现场测试断面内力图的整体受力特点类似，由于数值模拟的简化以及边界条件的理想化，数值模拟的结果略大于现场测试结果，但是相差不大。

4结语

 1)大断面公路隧道与标准断面公路隧道初支在弯矩和轴力上的受力特点基本相同。

 2)大断面公路隧道由于截面尺寸增大不均匀，导致拱顶受到更大弯矩，同时拱肩与拱脚成为受剪薄弱环节，承受更大剪力。

 3)大断面岩溶隧道由于围岩中可能存在的岩溶空洞，会导致断面局部内力发生改变，形成受力薄弱区域。

 4)溶腔对距离较近的衬砌影响较大，而对距离较远的衬砌影响较小，甚至不产生影响。