隧道上方大型無(wú)填充型溶洞護(hù)拱厚度的研究

(湖南省懷芷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 懷化 418000)

0 前言

拱頂大型溶洞一般是指溶腔高度大于10 m的溶洞，在巖溶發(fā)育區(qū)域，大型無(wú)填充物溶洞時(shí)常出現(xiàn)在隧道上方，處治措施為：加強(qiáng)溶洞區(qū)域初期支護(hù)，在初期支護(hù)做好之后往隧道拱頂泵送一定厚度的混凝土護(hù)拱，初期支護(hù)的變形還沒有達(dá)到施做二次襯砌的條件，因此這時(shí)二次襯砌往往沒有施做。這些溶洞通常情況下已經(jīng)穩(wěn)定，不過，在隧道爆破開挖震動(dòng)作用下，溶腔壁可能會(huì)出現(xiàn)石塊掉落，這時(shí)如果初期支護(hù)上方混凝土護(hù)拱的的厚度不夠的話，在落石沖擊荷載的作用下，初期支護(hù)很容易開裂、甚至造成隧道垮塌。湖南張花高速科洞隧道在施工過程中拱頂出現(xiàn)大型溶洞，由于沒有具體探明落石的高度，且混凝土護(hù)拱的厚度僅為0.5 m，在前方掌子面繼續(xù)施工過程中溶洞段隧道初期支護(hù)出現(xiàn)大面積開裂，后經(jīng)查實(shí)為溶洞落石沖擊力所致。國(guó)內(nèi)大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定混凝土護(hù)拱的厚度，至于為什么定這個(gè)厚度，并沒有一個(gè)明確的說法。本文以某隧道拱頂大型溶洞為工程實(shí)例，通過探明落石高度及重量，在考慮落石沖擊力的基礎(chǔ)上，并依據(jù)隧道規(guī)范，通過計(jì)算，確定混凝土護(hù)拱的最小值。

1 工程概況

某隧道在開挖過程中在拱頂遇到特大型無(wú)充填物溶洞，溶洞寬約7 m，高約20 m，該處隧道埋深約40 m，圍巖以強(qiáng)—中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為主，該溶洞處治方法為加強(qiáng)初期支護(hù)(厚度由原來(lái)的22 cm增加至26 cm，工字鋼間距調(diào)整為0.5 m)，泵送C15混凝土回填溶腔，隧道拱頂溶洞處治見圖1所示。

圖1 溶洞處治(單位： cm)

鑒于該溶洞較高，倘若溶腔內(nèi)部有石塊掉落，將會(huì)形成巨大的沖擊力，這就要求混凝土護(hù)拱足夠厚，才能避免初期支護(hù)遭到破壞。要探討混凝土護(hù)拱的厚度，首先就要確定沖擊荷載的大小，而沖擊荷載與落石重量、高度有關(guān)，在爆破開挖之前，對(duì)該溶洞進(jìn)行了充分的勘察，結(jié)果顯示溶腔壁約18 m高的位置有落石的風(fēng)險(xiǎn)，該落石重量約為300 kg(估計(jì)值)，本文探討了當(dāng)混凝土護(hù)拱厚度分別為1、1.5、2、2.5 m時(shí)，并考慮沖擊荷載，通過計(jì)算分別得出隧道初期支護(hù)應(yīng)力，并與規(guī)范值進(jìn)行比較，從而確定混凝土護(hù)拱最小厚度。

2 落石沖擊力的計(jì)算

根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T D70—2010)，落石沖擊力可以按下式計(jì)算，公式中各參數(shù)依據(jù)公路隧道細(xì)則來(lái)取值。

1) 落石沖擊荷載P采用下列公式：

(1)

式中：Q為落石重力,kN；P為落石沖擊荷載,kN；g為重力加速度，取9.81 m/s2；v0為沖擊時(shí)的速度，m/s；t為沖擊持續(xù)時(shí)間，s。

2) 落石沖擊速度：

(2)

(3)

式中：μ為系數(shù)，可按式(3)計(jì)算；H為落石的高度，m；K為石塊沿山坡滾動(dòng)系數(shù)；α為山坡坡度角，(°)。

3) 落石沖擊持續(xù)時(shí)間t:

(4)

(5)

式中：c為壓縮波在緩沖回填土中的往復(fù)速度,m/s；h為緩沖回填土計(jì)算厚度,m；γ為回填土的重度,kN/m3：E為回填土的彈性模量；v為回填土的泊松比。

根據(jù)式(1)～式(5)得出：

(6)

式中：m為落石的質(zhì)量,kg，當(dāng)落石垂直落下時(shí)，α=90°,這時(shí)Kcotα=0。

當(dāng)護(hù)拱厚度為1 m時(shí)，根據(jù)式(6)得出：P=3 190 kN。

同樣可以得出護(hù)拱厚度分別為1.5、2、2.5 m時(shí)的沖擊荷載P。見表1所示。

表1 沖擊力的值護(hù)拱厚度/m沖擊荷載P/kN護(hù)拱厚度/m沖擊荷載P/kN13190216421 521902 51314

3 數(shù)值計(jì)算

采用midas-gts數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為地層結(jié)構(gòu)法；模型為二維，計(jì)算軟件默認(rèn)隧道縱向?yàn)? m，也就是溶洞長(zhǎng)度、初期支護(hù)、護(hù)拱等縱向長(zhǎng)度均默認(rèn)為1 m。溶洞位置圍巖為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r(可以定義為Ⅳ級(jí)圍巖)，初期支護(hù)承擔(dān)55%的圍巖壓力，圍巖、混凝土護(hù)拱、初期支護(hù)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，材料參數(shù)見表2。計(jì)算模型見圖2，沖擊荷載以集中力的形式加在結(jié)構(gòu)上。

表2 參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/MPa圍巖實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫4200混凝土護(hù)拱實(shí)體單元彈性26000初期支護(hù)實(shí)體單元彈性28000泊松比v容重/(kN·m-3)容重(飽和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)0．3518190．2250．25240．224

圖2 網(wǎng)格模型

通過計(jì)算得出各種護(hù)拱厚度下初期支護(hù)的第1主應(yīng)力情況，見圖3。

從圖3中可以看出，在沖擊荷載作用下，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂，最大壓應(yīng)力發(fā)生在側(cè)墻部位，當(dāng)護(hù)拱厚度分別為1、1.5、2、2.5 m時(shí)，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力值分別為1.6、1.25、0.86、0.54 MPa，而最大壓應(yīng)力值分別為9.32、7.95、6.7、5.88 MPa。C20噴射混凝土抗拉能力弱，而抗壓能力強(qiáng)，一旦出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致混凝土開裂，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTG/T D70—2010》中的表7.3.7-1可知，C20噴射混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.1 MPa，彎曲抗壓強(qiáng)度為11.0 MPa，壓應(yīng)力均要小于規(guī)范強(qiáng)度，當(dāng)護(hù)拱厚度為2 m時(shí)，初期支護(hù)拱頂拉應(yīng)力最大值小于規(guī)范強(qiáng)度，由此得出本項(xiàng)目護(hù)拱最小厚度為2.0 m。

a)護(hù)拱厚度為1 m

b)護(hù)拱厚度為1.5 m

c)護(hù)拱厚度為2 m

d)護(hù)拱厚度為2.5 m

4 結(jié)論及建議

隧道拱頂遇到特大型無(wú)充填物溶洞，溶腔高約20 m，存在著落石風(fēng)險(xiǎn)，本文在考慮落石沖擊力的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道拱頂上方混凝土護(hù)拱厚度進(jìn)行了探討，主要結(jié)論有：①計(jì)算得出護(hù)拱厚度分別為1、1.5、2、2.5 m時(shí)的沖擊荷載，依次為3190、2190、1642、1314 kN；②通過計(jì)算得出了護(hù)拱厚度分別為1、1.5、2、2.5 m時(shí)初期支護(hù)的應(yīng)力分布情況，結(jié)果顯示受沖擊力的影響，初期支護(hù)頂部受拉，并把最大拉應(yīng)力值與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，表明護(hù)拱厚度至少為2 m時(shí)才能保證初期支護(hù)拱部的安全。

本文的建議有：護(hù)拱的厚度與落石沖擊力的大小有關(guān)，而沖擊力的大小與落石重量、高度均有關(guān)，本項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溶腔壁進(jìn)行勘察得出了落石的重量、高度，這可能與實(shí)際并不完全一致，不過為了安全，類似工程應(yīng)該對(duì)落石重量、高度進(jìn)行保守估計(jì)。

[1] JTG/T D70-2010,公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2] 史世雍，梅世龍，楊志剛.隧道頂部溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005，l(5)：698-702.

[3] 李治國(guó).隧道巖溶處理技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2002，76(4)：61-62.