溶洞对隧道衬砌结构安全影响及回填深度研究

司君岭

(西南交通大学，四川成都 610031)

1 工程概况

随着我国交通隧道的快速发展，越来越多的隧道不可避免地穿越溶洞地层，隧道衬砌背后出现空洞往往会造成衬砌承受不均匀荷载，受力模式不同于一般隧道。同时一些溶洞地层含水量丰富，这就导致隧道在该地层中容易出现衬砌渗水漏水、衬砌开裂掉块，严重情况下还会造成隧道整体结构失稳。因此，对于穿越溶洞地层隧道安全性研究及溶洞对策研究具有重大意义。

2 模型建立

本文计算采用ANSYS软件建立荷载结构模型进行数值分析(图1)。围岩级别为V级，衬砌类型为Ⅴ[C]型围岩复合式衬砌，C25混凝土。计算荷载见表1。

表1 参数值选取

图1 计算模型示意(单位:kPa)

空洞填充后，空洞区出现回填荷载，围岩应力状态发生改变，加上填土本身具有一定黏性，且其物理力学性质与围岩相近，故填土与围岩可视为一个共同受力的系统，会对衬砌变形产生抑制作用，应考虑其为衬砌结构提供的抗力。但由于填土的非均匀性，其弹性反力系数应适当考虑折减，因此在荷载结构模型中填土区域的地层弹簧刚度引入折减系数进行计算。

3 数值模拟结果及分析

3.1 不回填情况下溶洞安全影响分析

为了探明溶洞对隧道衬砌结构受力及安全度的影响，在不回填溶洞情况下，数值模拟得到初期支护内力(弯矩和轴力)图(图2～图5)，以及初期支护截面安全系数(表2)。

图2 无溶洞隧道弯矩(单位:N·m)

图3 无溶洞隧道轴力(单位:N)

图4 有溶洞隧道弯矩(单位:N·m)

图5 有溶洞隧道轴力(单位:N)

对比有无空洞情况下隧道内力图可以看出，当隧道右上方出现空洞时，整体弯矩分布形式明显不同，空洞区附近(B′)弯矩显著增加，隧道左拱腰(B)弯矩反向变化。进而由安全系数计算结果可知，除拱顶(A)、左拱墙上(C)、右拱墙下(D′)外，其他监测点处安全度均不符合规范标准，可见溶洞产生对隧道衬砌结构安全性影响很大。

表2 初期支护控制截面上安全系数

3.2 回填情况下回填深度分析

取拱顶(A)、拱腰(B、B′)、拱墙(C、C′、D、D′)、拱脚(E、E′)为控制截面，为了直观体现刚度折减对结构受力的影响规律，引入不同地层刚度折减系数(取0.1,0.2,0.5,1)进行直观反映，计算得到的不同刚度折减下安全系数随回填深度关系(图6)。

(a)折减系数0.1

可以看到，随着回填深度的增加，受力形式趋近于无空洞状态，右拱墙上(C′)安全系数单调减少，右拱腰(B′)、左拱墙上(C)、左拱腰(B)安全系数单调增加，其余监测点安全系数呈现出先增加后减少的趋势，且在7 m时达到最高；当刚度折减系数达到0.2以上时，回填4 m即能达到稳定要求。

为了更直观反映刚度折减系数的影响状况，下面整理各回填深度下安全系数随刚度折减系数的变化规律曲线(图7)。

(a)回填深度1m

由曲线可以看出，回填3 m时，若回填覆土能提供原围岩0.3倍地层抗力刚度系数，则初期支护可以稳定；回填4 m时，回填覆土只需提供原围岩0.2倍地层抗力刚度系数即能达到稳定，且回填5 m时，回填覆土仍需提供原围岩0.2倍地层抗力刚度系数。故综上所述，回填4 m为最为经济有效。

4 结束语

本文分别对隧道在无空洞地层、有空洞地层、回填空洞地层中进行数值模拟，得到如下结论：

(1)溶洞造成隧道衬砌结构整体受力形式发生改变，空洞区附近弯矩显著增加，隧道左拱腰弯矩反向变化，衬砌大部分区域安全系数下降，不满足规范要求。

(2)采用回填方式可有效增加隧道整体安全性。

(3)随着回填深度的增加右拱墙上(C′)安全系数单调增加，右拱腰(B′)、左拱墙上(C)、左拱腰(B)安全系数单调减少，其余监测点安全系数呈现出先增加后减少的趋势，且在7 m时达到最高。

(4)从刚度折减系数与回填深度对结构安全系数的影响规律进行研究，可以看出回填4 m可使隧道安全性达到要求，且最为经济，为以后相似工程需要确定回填深度提供一种量化参考方法。