高速公路隧道拱部溶洞内孤石柔性防治动力分析

石珏胜，胡 伟，胡 洲

0 引言

高速公路隧道在施工和运营过程会出现多种地质灾害［1］，拱顶溶洞内孤石受水渗流、动载荷等因素影响而滑落的地质灾害由于其发生频率较小而被忽视。目前，对高速公路隧道周边溶洞的研究主要体现在两个方面:①分析顶、底部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩稳定性的影响［2，3］;②确定底部溶洞的顶板安全厚度［4］，而关于隧道拱顶溶洞内孤石破坏的报道极少，针对这种孤石滑落对支护结构造成的破坏进行防治的有关文献还未发现。

工程上对隧道施工过程中遇到的溶洞依据其不同位置采取不同处理方法，拱部以上溶洞视其岩石破碎程度采用喷锚支护加固溶洞壁，加设护拱及拱顶回填的办法处理，图1为拱顶溶洞采用喷锚支护、浆砌片石及混凝土套拱的联合处理方式，是一种典型的刚性处理方式，显然未考虑溶洞内可能存在的孤石滑落时形成的动载荷对隧道初期钢拱架支护的破坏［5～7］，同时，这种处理方式工程量大，造价高，尤其在溶洞不明的情况下施工时存在较大风险性。

本文采用铁丝网和中砂藕合方式替代隧道拱部溶洞的刚性处理方法，通过建立实体模型，改变中砂层厚度、铁丝网的规格及溶洞孤石载荷大小，来模拟分析溶洞内孤石滑落撞击后作用于砂层与钢拱架间的接触压力的变化规律，以保障隧道在施工及运营期间的支护结构安全。

图1 隧道拱部溶洞刚性处理

1 试验模型简介

常张高速公路狗子滩隧道在处理溶洞的施工过程中出现了拱顶溶洞内的孤石砸坏钢拱架的现象［8］。为此，依托溶洞、溶沟大量出现的狗子滩隧道，开展了隧道拱部溶洞内孤石柔性防治技术研究。

1.1 试验材料及载荷

本文现场模拟试验材料有镀锌铁丝网、中砂、压力盒及数据采集仪。

铁丝网:试验采用的铁丝直径φ为1.7、2.0、2.3、2.6 和 2.8 mm;铁丝网网格尺寸 65 mm ×65 mm;铁丝网固定在四根铸铁桩上。

砂:采用工地上使用的工程砂，经级配分析属中砂。

压力盒:采用钢弦式压力盒，量程为5 MPa，精度为 0.001 MPa。

数据采集仪:动态电阻应变仪，型号为TGS602。

试验载荷利用隧道开挖的白云质灰岩，岩块重量分别为 4.2、3.7、3.1 和 2.5 t，装载机和挖掘机联合缓慢释放重力荷载，加载高度H分别为1、2、3、4、5和6 m。

1.2 试验模型

中砂与铁丝网藕合模型剖面见图2所示，图中a为模型的长度，h为砂层高度，b为上层铁丝网上砂层高度，c为两层铁丝网间间距，d为下层铁丝网距地面距离。

图2 试验模型横断面图

试验时的模型长度a值为2 m和4 m，呈正方形，因此，压应力监测点取模型的右半部分来布设。压力盒的分布见图3和图4，呈环状分布，径向间距为0.5 m。

图3 a=4 m时压力盒分布

图4 a=2 m时压力盒分布

2 试验结果及分析

2.1 试验工况

在现场模拟钢拱架受溶洞内孤石动载荷作用时的受力变化规律试验中，以变化的荷载大小、中砂层厚度及铁丝直径这3个参数组合成多种不同的工况，而每一个参数取4种工况，来进行大量的反复试验，试验参数组合情况见表1。试验载荷作用于模型的中心。

表1 试验工况

2.2 试验结果分析

对不同工况的试验结果进行分析。

2.2.1 工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ及工况Ⅳ组合

该工况组合用于分析不同载荷作用下，各监测点接触压力变化规律。试验时#1号压力盒监测到的压力值最大，图5为#1号压力盒监测到的最大压应力与荷载在不同高度H下释放的变化规律。对图中的曲线分别进行非线性拟合，随着载荷释放高度的增加，作用于#1测点上的最大压应力均呈幂函数形式而增大的变化规律，以工况Ⅳ(a=2 m)拟合得到曲线的相关系数最大为0.999 68，拟合曲线见图6，拟合的曲线方程如式(1)，此曲线方程可用于分析溶洞内孤石在不同高度滑落时作用于钢拱架上压应力的变化特征。

图5 不同工况下最大压应力与荷载高度关系

式中:σmax为#1号测点最大压应力值;H为载荷作用高度。

图6 工况Ⅳ(a=2 m)下曲线拟合

图7为同一高度不同载荷大小作用下，#1号压力盒监测到的最大压应力变化关系。在同一高度下，对图7中曲线进行非线性拟合表明:最大压应力值随荷载增大均呈幂函数形式而增大的变化规律，但压应力增长缓慢。在H=4 m及a=4 m条件，得到的拟合曲线的相关系数最大，其值为0.999 45，此时的拟合曲线方程为式(2)，此曲线方程可用于分析溶洞内重量不等的孤石滑落时作用于钢拱架上压应力的变化特征。

式中:σmax为#1号测点最大压应力值;W为动载荷。

图7 最大压应力与荷载大小关系曲线

采用铁丝网和中砂藕合方式替代隧道顶部溶洞的刚性处理方法原则就是衰减孤石产生冲击波的传播，以工况Ⅰ在H=5 m及a=4 m条件下，利用各测点压力盒监测到的压映力值来反映冲击波的衰减规律。每个压力盒采集数据次数为10次。图8为各测点压力盒记录的压应力变化曲线，曲线表明各测点的压应力随动载荷作用过程而增加，但增加到一定值后，随着动载荷变为静载荷后压应力又出现减小。图9是以位于同一条直线上的测点压力盒监测到的最大压应力值与测点距中心#1号测点距离的关系曲线，对图中的曲线采用Boltzman方程进行拟合，压应力的衰减符合，以#1、#4、#9、#14 及#19 所成直线上压力盒监测到最大压应力数据拟合得到压应力衰减典型方程见式(3)，相关系数为1。

式中:S为距#1测点的直线距离;σmax为各测点最大压应力值。

2.2.2 工况Ⅰ、工况Ⅴ、工况Ⅵ、工况Ⅶ和工况Ⅷ组合

该工况组合用于分析不同铁丝直径下，作用于#1压力盒上的最大压应力的变化规律。对于在中心加载的情况，作用于#1号压力盒的最大压应力与荷载高度、荷载大小间的变化关系和各测点压应力传播规律基本同工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ和工况Ⅳ组合所述，本组组合不再重述。在H=5 m及a=4 m条件下，图10为#1压力盒在不同铁丝直径下监测到的最大压应力变化曲线及采用Boltzman方程拟合的曲线图，得到的拟合曲线方程见式(4)，相关系数为0.999 9。图10表明，随着钢丝直径的增大，作用于#1压力盒上的最大应力值显著减小。

式中:σmax为#1号测点最大压应力值;D为铁丝直径。

2.2.3 工况Ⅰ、工况Ⅸ、工况Ⅹ和工况Ⅺ组合

该工况组合用于分析不同中砂层厚度下，作用于#1压力盒上的最大压应力的变化规律。对于在中心加载的情况，作用于#1号压力盒的最大压应力与荷载高度、荷载大小间的变化关系和各测点压应力传播规律基本同工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ和工况Ⅳ组合所述，本组组合不再重述。在H=5 m及a=4 m条件下，图11为#1压力盒在不同中砂层厚度下监测到的最大压应力变化曲线及采用幂函数方程拟合的曲线图，得到的拟合曲线方程见式(5)，相关系数为0.999 98。图11表明，随着中砂层厚度的增大，作用于#1压力盒上的最大应力值显著减小，但中砂层增大到一定厚度后，最大压应力递减不显著。

图8 压应力变化曲线

图9 压应力与距离变化曲线

图10 最大压应力与铁丝直径关系曲线

图11 最大压应力与中砂层厚度关系曲线

式中:σmax为#1号测点最大压应力值;h为中砂层厚度。

2.3 对比试验结果分析

对比试验用于分析溶洞常规刚性处理方式与本文柔性处理方式下的各测点压应力作用规律。刚性处理模拟模型采用浆砌片石，平面模型尺寸为a=2 m，以图4的方式来布置压力盒。刚性处理试验工况为:W=4.2 t、h=1 m及荷载释放高度H=5 m。

图12为各测点压力盒记录的压应力变化曲线，曲线表明各测点的压应力随动载荷作用过程而增加，直至达到最大值，不同于柔性处理情况下出现第10次记录值出现减小情况;测点#1压力盒监测到的压应力最大为3.214 MPa，而在柔性处理情况下的最大压应力值为0.468 MPa，为后者的6.87倍;同工况Ⅰ在a=2 m条件下的柔性处理相比，各个不同半径上相对应测点上的压力盒在采取第10次监测到的压应力差值要小得多，压应力的传播规律不服从公式(3)的Boltzman方程的衰减规律。

图12 刚性支护压力分布关系曲线

3 结论

本文首次提出采用中砂和铁丝网的形式，来代替溶洞处理的刚性形式来防止孤石的破坏，并成功应用于狗子滩隧道的拱部溶洞处理;通过采用实体模型，在现场经过反复模拟试验发现:采用对溶洞的柔性防治方法，在孤石载荷作用下，钢拱架受到的最大压应力与荷载大小、荷载释放高度、中砂层厚度呈幂函数关系，与铁丝直径呈Boltzman函数关系;压应力的衰减呈Boltzman函数关系;通过一定条件的对比试验，刚性支护时产生的对拱钢架作用力是柔性支护的6.87倍，采用尾砂与钢丝网的柔性支护，充分发挥了抵抗动载荷能力。

［1］徐则民，黄润秋.深埋特长隧道及其施工地质灾害［M］.成都:西南交通大学出版社，2000.

［2］史世雍，等.隧道顶部溶洞对围岩稳定性的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2001，1(5):698 －702.

［3］赵明阶，敖建华.隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析［J］.重庆交通学院学报，2003，22(2).

［4］王 勇，等.隧道底部溶洞顶板安全厚度的预测模型［J］.公路，2006，5(5):228 －232.

［5］JTJ 026－90，公路隧道设计规范［S］.

［6］关宝树.隧道施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］黄成光.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］胡 伟，等.常张高速公路狗子滩隧道施工监测及信息化施工技术研究［Z］.长沙金昌健交通科技发展有限公司，2004.