道橋跨越大溶洞下穩(wěn)定性分析與治理

龍浩軍，高建科

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008;2.浙江金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 230051)

0 引言

巖溶對(duì)道橋工程的危害很大，諸如由于碳酸巖地區(qū)中的巖溶洞穴和裂隙的存在，在其上覆進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，通常會(huì)引起一些典型的溶洞發(fā)育區(qū)工程地質(zhì)問題，如溶洞頂板坍塌、地面塌陷，地基承載力不足和失穩(wěn)滑動(dòng)及不均勻沉降等［1］。在我國道橋建設(shè)工程中，遭遇溶洞發(fā)育喀斯特地形區(qū)而引發(fā)的重大地質(zhì)災(zāi)害更是屢見不鮮。

國內(nèi)外評(píng)價(jià)溶洞頂板穩(wěn)定性的研究方法目前有很多，對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性研究，主要包括理論的定性分析和定量的評(píng)價(jià)兩個(gè)方面［2］。巖溶洞穴往往可以說是一種自然水動(dòng)力開挖所造就的隧道，可以采用幾何和力學(xué)的簡(jiǎn)化方法構(gòu)造其幾何力學(xué)工程隧道模型對(duì)其進(jìn)行定量的分析評(píng)價(jià)［3］。溶洞頂板穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的一般步驟為:實(shí)際洞穴勘察→概化幾何模型→建立力學(xué)模型→分析數(shù)學(xué)模型→探索計(jì)算方法→得出結(jié)論［4，5］。

在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，一旦遭遇地質(zhì)條件復(fù)雜，洞穴規(guī)模較大、跨度較長(zhǎng)且埋藏較深的巖溶洞穴時(shí)，往往會(huì)給工程的設(shè)計(jì)方案的選擇和施工帶來很多困難［6］。通常，在溶洞的頂板厚度h ＞10 m、跨度L ＜5 m 且頂板比較完整時(shí)，不必進(jìn)行處理。而在實(shí)際工程建設(shè)中，常常存在大量埋深大，跨度長(zhǎng)的巖溶發(fā)育工程場(chǎng)地，此時(shí)多采用挖﹑填﹑換﹑跨﹑錨﹑固﹑嵌﹑樁基等方法進(jìn)行工程處理以減小或避開不穩(wěn)定溶洞的影響，這樣無疑給設(shè)計(jì)和施工帶來許多困難，并不能經(jīng)濟(jì)有效的很好的解決實(shí)際工程問題［6，7］。

本文以實(shí)體工程中所常見的埋深大，跨度長(zhǎng)的大橋橋梁基礎(chǔ)下隱伏溶洞為基礎(chǔ)，抽象出一種典型的計(jì)算幾何概化模型，采用近似結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，對(duì)溶洞頂板分別進(jìn)行抗彎、抗剪切穩(wěn)定性驗(yàn)算。并對(duì)該不穩(wěn)定溶洞模型提出經(jīng)濟(jì)、可行的治理方案，著重介紹治理措施中的拱跨越方案。

1 計(jì)算模型概化

針對(duì)實(shí)踐工程中，地質(zhì)條件復(fù)雜、洞穴規(guī)模大、跨度較長(zhǎng)且埋藏較深的巖溶溶洞，會(huì)給道橋工程的設(shè)計(jì)和施工帶來許多困難這一問題，本文結(jié)合工程實(shí)體中常?？辈斓降倪@類所常見的埋深大，跨度長(zhǎng)的道路橋梁基礎(chǔ)下隱伏溶洞實(shí)際洞體計(jì)算概化幾何模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

2 穩(wěn)定性分析

國內(nèi)外評(píng)價(jià)溶洞頂板穩(wěn)定性的研究方法目前有很多，對(duì)巖溶洞穴地基穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)經(jīng)歷了從定性→半定量→定量的過程，各類評(píng)價(jià)方法都有其一定的適用局限性。在結(jié)合工程地質(zhì)勘察的分析基礎(chǔ)上，對(duì)這類所常見的埋深大，跨度長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大橋橋梁基礎(chǔ)下隱伏溶洞采用近似結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，對(duì)溶洞頂板分別進(jìn)行抗彎、抗剪切穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2.1 抗彎穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算

當(dāng)溶洞頂板巖層比較完整，近于水平層出，跨度較大時(shí)(厚跨比h/L ＜0.5);此時(shí)，溶洞頂板的穩(wěn)定性往往主要受彎矩控制。因此，可簡(jiǎn)化為兩端固定頂板抗彎模型，按上文計(jì)算模型與抗彎強(qiáng)度理論推導(dǎo)如下。

據(jù)巖體抗彎強(qiáng)度理論:

式中:［σ］為巖體的抗彎強(qiáng)度允許值(取為其抗壓強(qiáng)度Rc的1/20);M 為溶洞頂板所承受的彎矩;I 為溶洞頂板截面慣性矩;ymax為邊緣最大抗壓力處至中性軸的距離。

梁板的最大彎矩:

其中取:q'=αq+γshs+γrhr(3)

聯(lián)立求得:

式中:hr為溶洞頂板厚度;Rc為巖體抗壓強(qiáng)度;l 為溶洞跨度;hs為覆蓋層厚度;p 為單抗設(shè)計(jì)荷載;q 為橋下路面上的車輛行人均布荷載;q'為溶洞頂板處總的均布荷載;α 為均布荷載附加應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)溶洞勘察地質(zhì)條件分以下3 種情況考慮:

其中，A 取1/2 或1/8 或1/20，當(dāng)溶洞頂板巖層較完整時(shí)，受力模型簡(jiǎn)化為兩臂固定梁，此時(shí)A 取1/20;當(dāng)溶洞頂板一支座點(diǎn)裂縫發(fā)育，而頂板其它地方較完整時(shí)，受力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，此時(shí)A 取1/8;當(dāng)溶洞頂板裂縫發(fā)育且兩端支座點(diǎn)巖石比較完整時(shí)，受力模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)懸臂梁，此時(shí)A 取1/2。

本文計(jì)算中按兩端固定梁板，取A=1/20。

2.2 抗剪穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算

當(dāng)溶洞頂板巖層較完整且厚、強(qiáng)度較高，但洞跨較小時(shí)，溶洞頂板通常受其剪力作用控制，可將其簡(jiǎn)化為抗剪切結(jié)構(gòu)力學(xué)模型［8］，按上文計(jì)算模型與理論公式推導(dǎo)如下。

據(jù)靜力極限平衡條件得:

聯(lián)立求得:

式中:b 為溶洞的短軸長(zhǎng);τf為溶洞灰?guī)r頂板抗剪強(qiáng)度;c，φ 分別為巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角。

3 工程治理

當(dāng)巖溶地(壩)基穩(wěn)定不能滿足要求時(shí)，需經(jīng)比較復(fù)雜的工程處理。在建筑物結(jié)構(gòu)確定的條件下，其處理方法主要?dú)w納為以下三大方面:一是提高巖體抗壓強(qiáng)度;二是提高地基的抗剪強(qiáng)度;三是增強(qiáng)壩基巖體抗?jié)B透能力。這三個(gè)方面的處理措施分別可以概括為:溶蝕洞穴發(fā)育—挖﹑填﹑換﹑跨蓋;地基不穩(wěn)—錨﹑固﹑嵌﹑樁基;滲透變形—鋪﹑截﹑灌。此外，工程常視具體地質(zhì)條件，采取一些其它措施。根據(jù)溶洞的發(fā)育特征(地形地貌、位置、規(guī)模大小、埋深等)，圍巖性質(zhì)與穩(wěn)定性及水文地質(zhì)條件等，因地制宜，合理選擇處理方案進(jìn)行綜合工程處理。

在現(xiàn)代工程經(jīng)濟(jì)化建設(shè)中，中大型工程的治理方案的選擇不僅僅拘束于工程的安全穩(wěn)定(強(qiáng)度控制)，而且必須考慮其經(jīng)濟(jì)效益(成本控制)，二者相輔相成，綜合考慮。在實(shí)際工程中，一般設(shè)計(jì)人員根據(jù)巖溶道路橋梁地基處理原則，采取充、換填來進(jìn)行必要的處理。而針對(duì)此類溶洞洞體較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度大且埋藏較深的不穩(wěn)定溶洞，采取充、換填處理方案，往往工程量耗大且施工比較困難。為此下面著重介紹本文研究的拱跨越方案，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 兩鉸拱模型簡(jiǎn)圖

此工程模型簡(jiǎn)化為兩鉸拱結(jié)構(gòu)模型，拱為弧線或拋物線形，中間帶水平拉桿，荷載作用主要為上部樁基的集中荷載。模擬計(jì)算在跨度一定、拱高不同的情況下主拱圈內(nèi)力，以確定一個(gè)合理拱高。取單樁承載力q=10 000 kN，通過模擬得出主拱圈最大內(nèi)力與拱高的相關(guān)曲線圖如圖3 ～圖5。

圖3 最大彎矩與拱高的關(guān)系曲線

圖4 最大剪力與拱高的關(guān)系曲線

圖5 最大軸力與拱高的關(guān)系曲線

由圖3、圖4 和圖5 的最大內(nèi)力與拱高的關(guān)系曲線可以看出，兩鉸拱結(jié)構(gòu)的最大彎矩、最大剪力均隨著拱高的增大而減小，而軸力增大，最后都趨向于相對(duì)穩(wěn)定。主拱圈的最大彎矩越小，結(jié)構(gòu)越不易破壞。

因此，在進(jìn)行跨越此類大溶洞工程處理設(shè)計(jì)時(shí)，綜合場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件及溶洞發(fā)育特征，采用拱結(jié)構(gòu)跨越建立其力學(xué)模型，計(jì)算分析溶洞洞穴各個(gè)拱高條件下的內(nèi)力分布情況，并綜合場(chǎng)區(qū)溶洞上覆土層情況、施工條件以及規(guī)范規(guī)定來合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，不失為解決此問題的一種有效方法。此外，對(duì)于這類溶洞采用桁架跨越也不失為較經(jīng)濟(jì)合理的工程處理措施，此處不再分析。

4 結(jié)語

在存在埋深大，跨度長(zhǎng)的大隱伏溶洞巖溶區(qū)進(jìn)行道路橋梁工程建設(shè)時(shí)，拱跨越方案也不失為解決此問題的一種探索。拱殼結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下各個(gè)截面的內(nèi)力比其對(duì)應(yīng)跨度的簡(jiǎn)支梁要小得多，也亦有優(yōu)越的穩(wěn)定性，可充分利用所選材料的抗壓性能。此外，拱跨越方案可移植性比較好，在道路橋梁實(shí)際工程中根據(jù)類型、橋墩跨度、溶洞大小合理調(diào)整拱的類型、拱軸線、主拱圈截面等參數(shù)，以適應(yīng)巖溶區(qū)的實(shí)際工程。因此，拱結(jié)構(gòu)用料較省，自重較輕，能跨越較大空間，能夠較好的適應(yīng)于此類溶洞的工程處理。

此外，在實(shí)際工程處理中結(jié)合巖溶溶洞的發(fā)育情況及考慮場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在施工工程中應(yīng)建立數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，做到信息化施工，往往能夠給巖溶場(chǎng)地的工程建設(shè)和治理帶來質(zhì)的飛躍。

［1］石祥鋒.巖溶區(qū)樁基荷載下隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性研究［D］.武漢:中國科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所)，2005.

［2］葉 泓.巖溶地區(qū)嵌巖樁樁周臨空面的穩(wěn)定性分析［J］.西部探礦工程，2007(2).

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［7］周建普，李獻(xiàn)民.巖溶地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法［J］.礦冶工程，2003(1).

［8］龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程［M］.北京:高等教育出版社，2006.