隧道顶部空腔充水对初期支护结构位移影响分析

殷怀连

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

岩溶隧道施工时，不可避免地会遇上不同位置、不同充填程度、不同发育程度的岩溶。根据隧道施工时是否揭露岩溶，可将岩溶分为非隐伏岩溶和隐伏岩溶。对于非隐伏岩溶，由于施工的揭露，可以查明岩溶的规模、充填情况、与地表连通性等，根据已查明的岩溶特征，一般可以采取正确合理的处理措施。而对于隐伏岩溶，一类是修建过程中没有发现此类岩溶的存在;二类是修建过程中发现此类岩溶，但对它的认识不够;若对此两类隐伏岩溶处理不当，可能对隧道安全施工和运营产生巨大影响。如隧道施工时其周围的隐伏岩溶是空溶腔，二次衬砌施工以前，由于地表降雨等影响使隐伏空腔再次充水，如果空腔内水量急剧增加，以致溶腔内水压升高，若初期支护结构强度不足以承担水压荷载，则隐伏空腔内水压有可能将初期支护“压溃”，从而引发突水突泥灾害。如渝怀铁路某隧道隐伏岩溶暗河地段[1］，由于地表降雨(2003年6月25日降雨量达189.4 mm)，暗河内水压增高，使 DK193+275～DK193+258、DK193+330～DK193+350段边墙初支结构因暗河水压过高而被挤压严重变形毁损。又如宜万铁路某隧道5.16突水突泥[2］:2009年5月15～16日隧区连降大雨，总降雨量达51.7 mm，受降雨影响，Ⅰ线DK133+005～DK193+017段(初支已施做完毕，仰拱及二衬未施做)右侧拱肩部发生突水，并伴有大量泥砂、卵石涌出，瞬时涌水量630 m3/h，突泥量约8 000 m3，导致溃口附近初期支护及横撑被破坏。

目前，国内对岩溶隧道突水机理及处治对策研究较多[3-9］，而就隧道周围隐伏空腔再次充水对隧道支护结构位移、内力的影响研究较少。以某岩溶隧道(空腔位于隧道的顶部)为工程背景，利用数值分析软件，全面分析了顶部隐伏空腔再次充水情况下隧道初支结构变形特征，所得结论可为该段隧道初期支护结构和二次衬砌结构的优化设计提供依据。

1 隧道工程概况

1.1 工程水文地质条件

某岩溶隧道为双线铁路隧道，全长13 833 m。隧道开挖界限高12.58 m，宽12.95 m，最大埋深680 m;隧道穿越三叠系大冶组、嘉陵江组，二叠系，石炭系，泥盆系，志留系地层，其中志留系、泥盆系等碎屑岩长度占隧道总长度的37%左右，二叠系栖霞组、茅口组、吴家坪组、长兴组，三叠系大冶组、嘉陵江组等灰岩地层占隧道总长度的63%左右。灰岩段地表岩溶强烈发育，单管式、网络式暗河系统发育，施工中易发生规模不等的突水突泥灾害。

在里程DK73+654～DK73+674.8段隧道拱顶部探测存在一隐伏空腔;空腔走向基本与隧道平行且多位于隧道的拱顶部;空腔高度为10.5～13.8 m，横向宽度为6.9～10.3 m，纵向跨度为17.8～21.6 m，空腔底部与隧道拱顶部的净距为4.9～6.8 m。施工时正值旱季，钻孔发现仅有少量水流出，空腔有少量淤泥碎石充填物。

1.2 隧道初期支护结构

隧道空腔段初期支护结构:全环格栅钢架，纵向间距为0.8 m;φ25 mm砂浆锚杆，长3.0 m，纵向间距1.6 m，环向间距0.4 m;钢筋网采用6.5 mm钢筋，间距@20 cm×@20 cm;喷射混凝土C25，厚25 cm。

1.3 空腔内水压监测

2008年9月13日，当地突降大暴雨，地表雨水经岩溶洞管道流入空腔，从而使空腔充水。为测定空腔内的水压力，在DK73+654断面和DK73+654断面拱顶处设置了2个水压测试孔。经测定空腔内最高水压达1.22 MPa，水压较长时间稳定在0.8～1.0 MPa左右，溶腔内水压时程曲线如图1所示。

图1 空腔内充水压力时程曲线

2 数值模拟与分析

2.1 三维模型

为方便建模，把空腔简化为“半椭球+椭圆柱+半椭球”形状。计算模型范围:水平方向－45 m≤x≤30 m，轴向方向0≤y≤105 m，铅直方向－45 m≤z≤30 m，计算模型如图2所示。其边界约束条件[10］为:两侧边界约束水平方向位移，底部边界约束铅直方向位移，顶部为自由表面，上部围岩按自重作用在模型的顶部表面。

图2 隧道计算模型(1/2)

2.2 计算参数

计算时，围岩采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型;初期支护采用shell结构单元[11］。初始应力场考虑了自重应力和构造应力，侧压系数取0.47。系统锚杆和注浆加固可按提高加固区围岩参数来考虑。钢拱架采用等效方法计算[12］;空腔内水压沿径向作用在空腔的内表面上。围岩和支护结构参数如表1所示。

表1 围岩和支护结构的参数

3 数值模拟结果分析

图3为空腔内水压为1.0 MPa时，隧道初期支护结构水平位移、轴向位移和竖向位移云图。

从图3(a)可以看出:初支结构最大水平位移位于充水空腔段拱肩和拱腰之间的区域，以隧道中心左右两侧呈对称分布，向隧道外侧变形，其值在1.0 mm左右;在非充水空腔段的初支也有同样的特征，但其值约为充水段的50%。

从图3(b)可以看出:以充水空腔的中心位置为对称轴，沿着隧道轴向前后两段初支位移呈对称分布。在充水空腔的中心位置初支轴向位移为零，而在中心左右两侧各7～10 m的拱顶区域有最大的轴向位移，其值约为0.54 mm。

从图3(c)可以看出:充水空腔底部靠近充水空腔侧的初支结构拱顶区域有较大的竖直向下位移，其最大值约为11 mm;在非充水空腔段的初期支护最大位移也位于拱顶区域，其值约为7～8 mm。

图3只能宏观地看出初支结构位移在空间上的总体分布规律，并不能直观看出初支结构位移沿隧道轴向的变化规律。在此选取隧道轴向5处典型特征位置的初支结构位移进行分析。图4为初支结构特征位置水平位移、轴向位移和竖向位移沿隧道轴向的空间分布曲线。

图3 隧道初期护结构位移云图(单位:m)

图4 初支结构特征位置位移沿隧道轴向变化曲线

从图4(a)可以看出:由于隧道及荷载的对称性，拱顶和仰拱底2处初期支护的水平位移为零。沿着隧道的轴向、边墙和拱肩3处水平位移呈“几”字形变化，在y=0～35 m范围缓慢增大，在y=35～52.5 m范围内急剧增大，并在y=52.5 m断面达到最大值，接着在y=52.5～70 m范围内急剧减小，在y=70～105 m围内缓慢减小。在整个过程中，边墙处最大值为0.60 mm，拱肩处最大值为0.99 mm。

从图4(b)可以看出:沿着隧道的轴向，5处特征位置位移变化曲线可以分为两种类型，在0～15 m范围内，沿着隧道的轴向，5处特征位置的轴向位移均逐渐向负的方向增大，表明在顶部水压力的作用下，初支向背离空腔方向发生变形。在y=15～45 m范围内，拱底、墙脚和边墙3处的轴向位移值变化较小，而拱顶和拱肩两处负值继续增大，在y=45 m断面达到最大，拱顶和拱肩最大轴向位移值分别为 －0.408 mm、－0.199 mm;在y=45～52.5 m范围内，5处特征位置的轴向位移均逐渐增大，并在y=52.5 m断面均为零;y=52.5～105 m范围内与y=0～52.5 m范围内，呈现负的对称分布，对拱顶处影响最大，对其他4处特征位置影响较小。

从图4(c)可以看出:沿着隧道的轴向，拱底、边墙和墙脚3处特征位置竖向位移几乎不受充水腔的影响;拱肩处略受影响，y=52.5 m断面处位移值最大，为－6.754 mm，比y=18 m断面仅增大1.1倍;拱顶处竖向位移变化最大，其影响范围在y=39～66 m范围内，最大值在y=52.5 m断面，其值为－11.49 mm，比普通区段增大1.5倍。

4 顶部空腔充水对初期支护结构位移的影响

4.1 空腔内水压对初支结构位移的影响

为分析空腔内水压的变化以及沿着隧道轴向不同断面的初支结构位移特征，选取2个典型断面进行分析，这2个典型断面分别为y=44.5 m断面(顶部存在充水溶腔但规模较小)和y=52.5 m断面(顶部充水溶腔规模最大)。图5和图6分别为充水空腔与隧道间距为5.2 m，空腔内水压分别为0 MPa、0.1 MPa、0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 和 2.1 MPa 6 种不同水压作用下，2个典型断面初期支护水平、轴向和竖向三个方向位移随溶腔内水压的变化曲线。

由图5(a)和图6(a)可以看出:

①当水压在0～0.6 MPa变化时，拱肩和边墙2处的水平位移始终为负值，并随着水压的增大，其值逐渐减少，说明在水压不超过0.6MPa时，2处的初支还是向隧道内变形，但在拱顶水压力的作用下，有逐渐向隧道外侧变形的趋势。当水压大于1.0 MPa时，拱肩、边墙和墙脚3处的水平位移始终为正值，并随着水压的增大而增大，说明在水压超过1.0 MPa时，水压力“压迫”初期支护结构向隧道外侧变形。如y=52.5 m断面拱肩处，当水压为0.6 MPa时，其水平位移为－0.19 mm，当水压为1.0 MPa时，其水平位移为0.048 mm，初期支护结构位移方向反向。

图5 y=44.5 m断面隧道初期支护特征位置位移随空腔内水压的变化曲线

图6 y=52.5 m断面隧道初期支护特征位置位移随空腔内水压的变化曲线

②从水平位移受水压的影响程度而言，拱肩处影响最大，边墙处影响次之，墙脚处最小;如水压从1.0 MPa增大到1.5 MPa时，拱肩处增大了0.34 mm，边墙处增大了0.19 mm，墙脚处增大了0.09 mm。

图7 y=44.5 m断面特征位置初期支护位移随充水空腔与隧道间距的变化曲线

③从y=44.5 m断面到y=52.5 m断面，其受水压的变化规律基本一致，但受影响的程度，后者要大于前者。如当水压从1.5 MPa增大到2.1 MPa时，y=44.5 m断面拱肩处增大了0.669 mm，而y=52.5 m断面拱肩处增大了1.31 mm，后者约为前者的2倍。

由图5(b)和图6(b)可以看出:由于隧道及空腔的对称性，y=52.5 m断面隧道特征位置处轴向位移均为零，不受水压的影响，如图5(b)所示。在 y=44.5 m断面，由于该断面与隧道中心有一定的距离，随着空腔内水压越来越大，其轴向位移值也越来越大;从受影响的程度而言，拱顶和拱肩2处最大，边墙和墙脚次之，仰拱底最小，如图6(b)所示。

由图5(c)和图6(c)可以看出:随着空腔内水压逐渐增大，隧道拱圈特征位置初期支护结构竖向位移均逐渐增大，但从受影响程度而言，仰拱底几乎不受影响，墙脚、边墙和拱肩3处受影响程度基本一致，拱顶处受影响程度最大。如y=52.5 m断面，当水压从1.5 MPa增大到2.1 MPa时，仰拱底、墙脚、边墙、拱肩和拱顶分别增加了0.05 mm、0.49 mm、0.74 mm、1.41 mm和8.41 mm，拱顶处竖向位移增量分别为拱肩、边墙、墙脚和仰拱底的6倍、11倍、17倍和168倍。

4.2 空腔与隧道间距对初支结构位移的影响

图7和图8分别为空腔内水压为1.0 MPa，隧道与充水空腔间距分别为3.4 m、5.2 m和7.2 m时，y=44.5 m断面和y=52.5 m断面的隧道初支结构三向位移随隧道与充水空腔间距的变化曲线。

图8 y=52.5 m断面初期支护特征位置位移随充水空腔与隧道间距的变化曲线

图7 (a)和图8(a)可以看出:

①随着充水空腔与隧道间距逐渐减小，除拱顶和仰拱底两处水平位移为零外，拱肩、边墙和墙脚3处的水平位移逐渐增大，如y=52.5 m断面拱肩处，当充水空腔与隧道间距从7.5 m减少到5.2 m和3.4 m时，其值从0.026 mm增大到0.285 mm和0.383 mm，分别增大11倍和15倍。

②比较2图还可以看出:两断面各特征水平位移值变化较小，表明充水空腔与隧道间距的变化对特征位置水平位移影响较小。

图7(b)和图8(b)可以看出:

①对于y=44.8 m断面，随着空腔与隧道间距逐渐减少，轴向位移逐渐增大。当隧道与空腔间距从7.5 m减小到5.3 m时，拱顶处轴向位移从0.29 mm增大到0.385 mm，增大约1.33倍;当隧道间距再从5.3 m减小到3.3 m时，其轴向位移从0.385 mm增大到0.516 mm，增大约1.34倍。对于y=52.5 m断面，由于隧道结构的对性，其轴向位移接近于零，因此，隧道与溶洞间距的变化对其无影响，如图7(b)所示。

②从受影响的程度而言，拱顶处影响最大，拱肩处次之，边墙、墙脚和仰拱底3处影响最小。如当间距从5.2 m减少到3.4 m时，拱顶处增大了0.13 mm，拱肩处增大了0.05 mm，边墙、墙脚和仰拱底3处几乎不受影响。

图7(c)和图8(c)可以看出:

①随着充水空腔与隧道间距离的逐渐减小，竖向位移逐渐增大。从受影响的程度而言，拱顶最大，拱肩次之，边墙和墙脚2处再次，仰拱底最小。如y=52.5 m断面，当充水空腔与隧道间距从5.2 m减少到3.4 m，拱顶、拱肩、边墙、墙脚和仰拱底5处分别增大2.01 mm、1.20 mm、0.45 mm、0.35 mm 和0.26 mm。

②比较2图还可以看出，充水空腔与隧道间距的变化对初支结构位移的影响规律是一致的，但对不同断面影响程度不一样，如y=52.5 m断面，当间距从7.2 m减少到5.2 m时，拱顶处的竖向位移增量为1.67 mm，而y=44.5 m断面拱顶处的竖向位移增量为0.81 mm，前者为后者的2倍多。

5 结论

初期支护结构最大水平位移位于充水空腔中心段拱肩和边墙之间的区域，以隧道中心左右两侧对称分布，向隧道外侧变形，其值在1.0 mm左右;轴向位移在充水空腔的中心位置处为零，而在中心左右两侧各10 m的拱顶区域有较大的轴向位移，呈对称分布，其最大值为0.54 mm;竖向位移在充水空腔底部靠近充水空腔侧的拱顶区域最大，其最大值约为11 mm。

随着空腔内水压逐渐增大，拱肩和边墙2处水平位移由向隧道内变形逐渐向隧道外变形，其临界水压在0.6～1.0 MPa;竖向位移随着水压的增大而增大，其中对拱顶处影响最大，拱肩、边墙和墙脚3处次之，仰拱底几乎不受影响。

随着充水空腔与隧道间距离的逐渐减小，水平位移和竖向位移逐渐增大，从受影响的程度而言，拱顶最大，拱肩次之，边墙和墙脚2处再次，仰拱底最小。

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