高速公路隧道拱部溶洞內(nèi)孤石柔性防治動(dòng)力分析

石玨勝，胡 偉，胡 洲

0 引言

高速公路隧道在施工和運(yùn)營過程會出現(xiàn)多種地質(zhì)災(zāi)害［1］，拱頂溶洞內(nèi)孤石受水滲流、動(dòng)載荷等因素影響而滑落的地質(zhì)災(zāi)害由于其發(fā)生頻率較小而被忽視。目前，對高速公路隧道周邊溶洞的研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①分析頂、底部不同大小、不同距離的溶洞分布對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響［2，3］;②確定底部溶洞的頂板安全厚度［4］，而關(guān)于隧道拱頂溶洞內(nèi)孤石破壞的報(bào)道極少，針對這種孤石滑落對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的破壞進(jìn)行防治的有關(guān)文獻(xiàn)還未發(fā)現(xiàn)。

工程上對隧道施工過程中遇到的溶洞依據(jù)其不同位置采取不同處理方法，拱部以上溶洞視其巖石破碎程度采用噴錨支護(hù)加固溶洞壁，加設(shè)護(hù)拱及拱頂回填的辦法處理，圖1為拱頂溶洞采用噴錨支護(hù)、漿砌片石及混凝土套拱的聯(lián)合處理方式，是一種典型的剛性處理方式，顯然未考慮溶洞內(nèi)可能存在的孤石滑落時(shí)形成的動(dòng)載荷對隧道初期鋼拱架支護(hù)的破壞［5～7］，同時(shí)，這種處理方式工程量大，造價(jià)高，尤其在溶洞不明的情況下施工時(shí)存在較大風(fēng)險(xiǎn)性。

本文采用鐵絲網(wǎng)和中砂藕合方式替代隧道拱部溶洞的剛性處理方法，通過建立實(shí)體模型，改變中砂層厚度、鐵絲網(wǎng)的規(guī)格及溶洞孤石載荷大小，來模擬分析溶洞內(nèi)孤石滑落撞擊后作用于砂層與鋼拱架間的接觸壓力的變化規(guī)律，以保障隧道在施工及運(yùn)營期間的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

圖1 隧道拱部溶洞剛性處理

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?/h2>

常張高速公路狗子灘隧道在處理溶洞的施工過程中出現(xiàn)了拱頂溶洞內(nèi)的孤石砸壞鋼拱架的現(xiàn)象［8］。為此，依托溶洞、溶溝大量出現(xiàn)的狗子灘隧道，開展了隧道拱部溶洞內(nèi)孤石柔性防治技術(shù)研究。

1.1 試驗(yàn)材料及載荷

本文現(xiàn)場模擬試驗(yàn)材料有鍍鋅鐵絲網(wǎng)、中砂、壓力盒及數(shù)據(jù)采集儀。

鐵絲網(wǎng):試驗(yàn)采用的鐵絲直徑φ為1.7、2.0、2.3、2.6 和 2.8 mm;鐵絲網(wǎng)網(wǎng)格尺寸 65 mm ×65 mm;鐵絲網(wǎng)固定在四根鑄鐵樁上。

砂:采用工地上使用的工程砂，經(jīng)級配分析屬中砂。

壓力盒:采用鋼弦式壓力盒，量程為5 MPa，精度為 0.001 MPa。

數(shù)據(jù)采集儀:動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，型號為TGS602。

試驗(yàn)載荷利用隧道開挖的白云質(zhì)灰?guī)r，巖塊重量分別為 4.2、3.7、3.1 和 2.5 t，裝載機(jī)和挖掘機(jī)聯(lián)合緩慢釋放重力荷載，加載高度H分別為1、2、3、4、5和6 m。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

中砂與鐵絲網(wǎng)藕合模型剖面見圖2所示，圖中a為模型的長度，h為砂層高度，b為上層鐵絲網(wǎng)上砂層高度，c為兩層鐵絲網(wǎng)間間距，d為下層鐵絲網(wǎng)距地面距離。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M斷面圖

試驗(yàn)時(shí)的模型長度a值為2 m和4 m，呈正方形，因此，壓應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)取模型的右半部分來布設(shè)。壓力盒的分布見圖3和圖4，呈環(huán)狀分布，徑向間距為0.5 m。

圖3 a=4 m時(shí)壓力盒分布

圖4 a=2 m時(shí)壓力盒分布

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)工況

在現(xiàn)場模擬鋼拱架受溶洞內(nèi)孤石動(dòng)載荷作用時(shí)的受力變化規(guī)律試驗(yàn)中，以變化的荷載大小、中砂層厚度及鐵絲直徑這3個(gè)參數(shù)組合成多種不同的工況，而每一個(gè)參數(shù)取4種工況，來進(jìn)行大量的反復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)組合情況見表1。試驗(yàn)載荷作用于模型的中心。

表1 試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對不同工況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1 工況Ⅰ、工況Ⅱ、工況Ⅲ及工況Ⅳ組合

該工況組合用于分析不同載荷作用下，各監(jiān)測點(diǎn)接觸壓力變化規(guī)律。試驗(yàn)時(shí)#1號壓力盒監(jiān)測到的壓力值最大，圖5為#1號壓力盒監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力與荷載在不同高度H下釋放的變化規(guī)律。對圖中的曲線分別進(jìn)行非線性擬合，隨著載荷釋放高度的增加，作用于#1測點(diǎn)上的最大壓應(yīng)力均呈冪函數(shù)形式而增大的變化規(guī)律，以工況Ⅳ(a=2 m)擬合得到曲線的相關(guān)系數(shù)最大為0.999 68，擬合曲線見圖6，擬合的曲線方程如式(1)，此曲線方程可用于分析溶洞內(nèi)孤石在不同高度滑落時(shí)作用于鋼拱架上壓應(yīng)力的變化特征。

圖5 不同工況下最大壓應(yīng)力與荷載高度關(guān)系

式中:σmax為#1號測點(diǎn)最大壓應(yīng)力值;H為載荷作用高度。

圖6 工況Ⅳ(a=2 m)下曲線擬合

圖7為同一高度不同載荷大小作用下，#1號壓力盒監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力變化關(guān)系。在同一高度下，對圖7中曲線進(jìn)行非線性擬合表明:最大壓應(yīng)力值隨荷載增大均呈冪函數(shù)形式而增大的變化規(guī)律，但壓應(yīng)力增長緩慢。在H=4 m及a=4 m條件，得到的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)最大，其值為0.999 45，此時(shí)的擬合曲線方程為式(2)，此曲線方程可用于分析溶洞內(nèi)重量不等的孤石滑落時(shí)作用于鋼拱架上壓應(yīng)力的變化特征。

式中:σmax為#1號測點(diǎn)最大壓應(yīng)力值;W為動(dòng)載荷。

圖7 最大壓應(yīng)力與荷載大小關(guān)系曲線

采用鐵絲網(wǎng)和中砂藕合方式替代隧道頂部溶洞的剛性處理方法原則就是衰減孤石產(chǎn)生沖擊波的傳播，以工況Ⅰ在H=5 m及a=4 m條件下，利用各測點(diǎn)壓力盒監(jiān)測到的壓映力值來反映沖擊波的衰減規(guī)律。每個(gè)壓力盒采集數(shù)據(jù)次數(shù)為10次。圖8為各測點(diǎn)壓力盒記錄的壓應(yīng)力變化曲線，曲線表明各測點(diǎn)的壓應(yīng)力隨動(dòng)載荷作用過程而增加，但增加到一定值后，隨著動(dòng)載荷變?yōu)殪o載荷后壓應(yīng)力又出現(xiàn)減小。圖9是以位于同一條直線上的測點(diǎn)壓力盒監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力值與測點(diǎn)距中心#1號測點(diǎn)距離的關(guān)系曲線，對圖中的曲線采用Boltzman方程進(jìn)行擬合，壓應(yīng)力的衰減符合，以#1、#4、#9、#14 及#19 所成直線上壓力盒監(jiān)測到最大壓應(yīng)力數(shù)據(jù)擬合得到壓應(yīng)力衰減典型方程見式(3)，相關(guān)系數(shù)為1。

式中:S為距#1測點(diǎn)的直線距離;σmax為各測點(diǎn)最大壓應(yīng)力值。

2.2.2 工況Ⅰ、工況Ⅴ、工況Ⅵ、工況Ⅶ和工況Ⅷ組合

該工況組合用于分析不同鐵絲直徑下，作用于#1壓力盒上的最大壓應(yīng)力的變化規(guī)律。對于在中心加載的情況，作用于#1號壓力盒的最大壓應(yīng)力與荷載高度、荷載大小間的變化關(guān)系和各測點(diǎn)壓應(yīng)力傳播規(guī)律基本同工況Ⅰ、工況Ⅱ、工況Ⅲ和工況Ⅳ組合所述，本組組合不再重述。在H=5 m及a=4 m條件下，圖10為#1壓力盒在不同鐵絲直徑下監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力變化曲線及采用Boltzman方程擬合的曲線圖，得到的擬合曲線方程見式(4)，相關(guān)系數(shù)為0.999 9。圖10表明，隨著鋼絲直徑的增大，作用于#1壓力盒上的最大應(yīng)力值顯著減小。

式中:σmax為#1號測點(diǎn)最大壓應(yīng)力值;D為鐵絲直徑。

2.2.3 工況Ⅰ、工況Ⅸ、工況Ⅹ和工況Ⅺ組合

該工況組合用于分析不同中砂層厚度下，作用于#1壓力盒上的最大壓應(yīng)力的變化規(guī)律。對于在中心加載的情況，作用于#1號壓力盒的最大壓應(yīng)力與荷載高度、荷載大小間的變化關(guān)系和各測點(diǎn)壓應(yīng)力傳播規(guī)律基本同工況Ⅰ、工況Ⅱ、工況Ⅲ和工況Ⅳ組合所述，本組組合不再重述。在H=5 m及a=4 m條件下，圖11為#1壓力盒在不同中砂層厚度下監(jiān)測到的最大壓應(yīng)力變化曲線及采用冪函數(shù)方程擬合的曲線圖，得到的擬合曲線方程見式(5)，相關(guān)系數(shù)為0.999 98。圖11表明，隨著中砂層厚度的增大，作用于#1壓力盒上的最大應(yīng)力值顯著減小，但中砂層增大到一定厚度后，最大壓應(yīng)力遞減不顯著。

圖8 壓應(yīng)力變化曲線

圖9 壓應(yīng)力與距離變化曲線

圖10 最大壓應(yīng)力與鐵絲直徑關(guān)系曲線

圖11 最大壓應(yīng)力與中砂層厚度關(guān)系曲線

式中:σmax為#1號測點(diǎn)最大壓應(yīng)力值;h為中砂層厚度。

2.3 對比試驗(yàn)結(jié)果分析

對比試驗(yàn)用于分析溶洞常規(guī)剛性處理方式與本文柔性處理方式下的各測點(diǎn)壓應(yīng)力作用規(guī)律。剛性處理模擬模型采用漿砌片石，平面模型尺寸為a=2 m，以圖4的方式來布置壓力盒。剛性處理試驗(yàn)工況為:W=4.2 t、h=1 m及荷載釋放高度H=5 m。

圖12為各測點(diǎn)壓力盒記錄的壓應(yīng)力變化曲線，曲線表明各測點(diǎn)的壓應(yīng)力隨動(dòng)載荷作用過程而增加，直至達(dá)到最大值，不同于柔性處理情況下出現(xiàn)第10次記錄值出現(xiàn)減小情況;測點(diǎn)#1壓力盒監(jiān)測到的壓應(yīng)力最大為3.214 MPa，而在柔性處理情況下的最大壓應(yīng)力值為0.468 MPa，為后者的6.87倍;同工況Ⅰ在a=2 m條件下的柔性處理相比，各個(gè)不同半徑上相對應(yīng)測點(diǎn)上的壓力盒在采取第10次監(jiān)測到的壓應(yīng)力差值要小得多，壓應(yīng)力的傳播規(guī)律不服從公式(3)的Boltzman方程的衰減規(guī)律。

圖12 剛性支護(hù)壓力分布關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文首次提出采用中砂和鐵絲網(wǎng)的形式，來代替溶洞處理的剛性形式來防止孤石的破壞，并成功應(yīng)用于狗子灘隧道的拱部溶洞處理;通過采用實(shí)體模型，在現(xiàn)場經(jīng)過反復(fù)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):采用對溶洞的柔性防治方法，在孤石載荷作用下，鋼拱架受到的最大壓應(yīng)力與荷載大小、荷載釋放高度、中砂層厚度呈冪函數(shù)關(guān)系，與鐵絲直徑呈Boltzman函數(shù)關(guān)系;壓應(yīng)力的衰減呈Boltzman函數(shù)關(guān)系;通過一定條件的對比試驗(yàn)，剛性支護(hù)時(shí)產(chǎn)生的對拱鋼架作用力是柔性支護(hù)的6.87倍，采用尾砂與鋼絲網(wǎng)的柔性支護(hù)，充分發(fā)揮了抵抗動(dòng)載荷能力。

［1］徐則民，黃潤秋.深埋特長隧道及其施工地質(zhì)災(zāi)害［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2000.

［2］史世雍，等.隧道頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2001，1(5):698 －702.

［3］趙明階，敖建華.隧道底部溶洞對圍巖變形特性的影響分析［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22(2).

［4］王 勇，等.隧道底部溶洞頂板安全厚度的預(yù)測模型［J］.公路，2006，5(5):228 －232.

［5］JTJ 026－90，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］黃成光.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］胡 偉，等.常張高速公路狗子灘隧道施工監(jiān)測及信息化施工技術(shù)研究［Z］.長沙金昌健交通科技發(fā)展有限公司，2004.