道桥跨越大溶洞下稳定性分析与治理

龙浩军，高建科

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008;2.浙江金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 230051)

0 引言

岩溶对道桥工程的危害很大，诸如由于碳酸岩地区中的岩溶洞穴和裂隙的存在，在其上覆进行工程建设时，通常会引起一些典型的溶洞发育区工程地质问题，如溶洞顶板坍塌、地面塌陷，地基承载力不足和失稳滑动及不均匀沉降等［1］。在我国道桥建设工程中，遭遇溶洞发育喀斯特地形区而引发的重大地质灾害更是屡见不鲜。

国内外评价溶洞顶板稳定性的研究方法目前有很多，对溶洞顶板稳定性研究，主要包括理论的定性分析和定量的评价两个方面［2］。岩溶洞穴往往可以说是一种自然水动力开挖所造就的隧道，可以采用几何和力学的简化方法构造其几何力学工程隧道模型对其进行定量的分析评价［3］。溶洞顶板稳定性分析评价的一般步骤为:实际洞穴勘察→概化几何模型→建立力学模型→分析数学模型→探索计算方法→得出结论［4，5］。

在岩溶地区进行工程建设时，一旦遭遇地质条件复杂，洞穴规模较大、跨度较长且埋藏较深的岩溶洞穴时，往往会给工程的设计方案的选择和施工带来很多困难［6］。通常，在溶洞的顶板厚度h ＞10 m、跨度L ＜5 m 且顶板比较完整时，不必进行处理。而在实际工程建设中，常常存在大量埋深大，跨度长的岩溶发育工程场地，此时多采用挖﹑填﹑换﹑跨﹑锚﹑固﹑嵌﹑桩基等方法进行工程处理以减小或避开不稳定溶洞的影响，这样无疑给设计和施工带来许多困难，并不能经济有效的很好的解决实际工程问题［6，7］。

本文以实体工程中所常见的埋深大，跨度长的大桥桥梁基础下隐伏溶洞为基础，抽象出一种典型的计算几何概化模型，采用近似结构力学分析方法，对溶洞顶板分别进行抗弯、抗剪切稳定性验算。并对该不稳定溶洞模型提出经济、可行的治理方案，着重介绍治理措施中的拱跨越方案。

1 计算模型概化

针对实践工程中，地质条件复杂、洞穴规模大、跨度较长且埋藏较深的岩溶溶洞，会给道桥工程的设计和施工带来许多困难这一问题，本文结合工程实体中常常勘察到的这类所常见的埋深大，跨度长的道路桥梁基础下隐伏溶洞实际洞体计算概化几何模型如图1 所示。

图1 计算模型简图

2 稳定性分析

国内外评价溶洞顶板稳定性的研究方法目前有很多，对岩溶洞穴地基稳定性的分析评价经历了从定性→半定量→定量的过程，各类评价方法都有其一定的适用局限性。在结合工程地质勘察的分析基础上，对这类所常见的埋深大，跨度长，结构复杂的大桥桥梁基础下隐伏溶洞采用近似结构力学分析方法，对溶洞顶板分别进行抗弯、抗剪切稳定性验算。

2.1 抗弯稳定性结构力学模型计算

当溶洞顶板岩层比较完整，近于水平层出，跨度较大时(厚跨比h/L ＜0.5);此时，溶洞顶板的稳定性往往主要受弯矩控制。因此，可简化为两端固定顶板抗弯模型，按上文计算模型与抗弯强度理论推导如下。

据岩体抗弯强度理论:

式中:［σ］为岩体的抗弯强度允许值(取为其抗压强度Rc的1/20);M 为溶洞顶板所承受的弯矩;I 为溶洞顶板截面惯性矩;ymax为边缘最大抗压力处至中性轴的距离。

梁板的最大弯矩:

其中取:q'=αq+γshs+γrhr(3)

联立求得:

式中:hr为溶洞顶板厚度;Rc为岩体抗压强度;l 为溶洞跨度;hs为覆盖层厚度;p 为单抗设计荷载;q 为桥下路面上的车辆行人均布荷载;q'为溶洞顶板处总的均布荷载;α 为均布荷载附加应力系数。

根据溶洞勘察地质条件分以下3 种情况考虑:

其中，A 取1/2 或1/8 或1/20，当溶洞顶板岩层较完整时，受力模型简化为两臂固定梁，此时A 取1/20;当溶洞顶板一支座点裂缝发育，而顶板其它地方较完整时，受力简化为简支梁，此时A 取1/8;当溶洞顶板裂缝发育且两端支座点岩石比较完整时，受力模型简化为两个悬臂梁，此时A 取1/2。

本文计算中按两端固定梁板，取A=1/20。

2.2 抗剪稳定性结构力学模型计算

当溶洞顶板岩层较完整且厚、强度较高，但洞跨较小时，溶洞顶板通常受其剪力作用控制，可将其简化为抗剪切结构力学模型［8］，按上文计算模型与理论公式推导如下。

据静力极限平衡条件得:

联立求得:

式中:b 为溶洞的短轴长;τf为溶洞灰岩顶板抗剪强度;c，φ 分别为岩土体粘聚力和内摩擦角。

3 工程治理

当岩溶地(坝)基稳定不能满足要求时，需经比较复杂的工程处理。在建筑物结构确定的条件下，其处理方法主要归纳为以下三大方面:一是提高岩体抗压强度;二是提高地基的抗剪强度;三是增强坝基岩体抗渗透能力。这三个方面的处理措施分别可以概括为:溶蚀洞穴发育—挖﹑填﹑换﹑跨盖;地基不稳—锚﹑固﹑嵌﹑桩基;渗透变形—铺﹑截﹑灌。此外，工程常视具体地质条件，采取一些其它措施。根据溶洞的发育特征(地形地貌、位置、规模大小、埋深等)，围岩性质与稳定性及水文地质条件等，因地制宜，合理选择处理方案进行综合工程处理。

在现代工程经济化建设中，中大型工程的治理方案的选择不仅仅拘束于工程的安全稳定(强度控制)，而且必须考虑其经济效益(成本控制)，二者相辅相成，综合考虑。在实际工程中，一般设计人员根据岩溶道路桥梁地基处理原则，采取充、换填来进行必要的处理。而针对此类溶洞洞体较大、结构复杂、跨度大且埋藏较深的不稳定溶洞，采取充、换填处理方案，往往工程量耗大且施工比较困难。为此下面着重介绍本文研究的拱跨越方案，计算模型如图2所示。

图2 两铰拱模型简图

此工程模型简化为两铰拱结构模型，拱为弧线或抛物线形，中间带水平拉杆，荷载作用主要为上部桩基的集中荷载。模拟计算在跨度一定、拱高不同的情况下主拱圈内力，以确定一个合理拱高。取单桩承载力q=10 000 kN，通过模拟得出主拱圈最大内力与拱高的相关曲线图如图3 ～图5。

图3 最大弯矩与拱高的关系曲线

图4 最大剪力与拱高的关系曲线

图5 最大轴力与拱高的关系曲线

由图3、图4 和图5 的最大内力与拱高的关系曲线可以看出，两铰拱结构的最大弯矩、最大剪力均随着拱高的增大而减小，而轴力增大，最后都趋向于相对稳定。主拱圈的最大弯矩越小，结构越不易破坏。

因此，在进行跨越此类大溶洞工程处理设计时，综合场区工程地质条件及溶洞发育特征，采用拱结构跨越建立其力学模型，计算分析溶洞洞穴各个拱高条件下的内力分布情况，并综合场区溶洞上覆土层情况、施工条件以及规范规定来合理选择设计参数，不失为解决此问题的一种有效方法。此外，对于这类溶洞采用桁架跨越也不失为较经济合理的工程处理措施，此处不再分析。

4 结语

在存在埋深大，跨度长的大隐伏溶洞岩溶区进行道路桥梁工程建设时，拱跨越方案也不失为解决此问题的一种探索。拱壳结构在竖向荷载作用下各个截面的内力比其对应跨度的简支梁要小得多，也亦有优越的稳定性，可充分利用所选材料的抗压性能。此外，拱跨越方案可移植性比较好，在道路桥梁实际工程中根据类型、桥墩跨度、溶洞大小合理调整拱的类型、拱轴线、主拱圈截面等参数，以适应岩溶区的实际工程。因此，拱结构用料较省，自重较轻，能跨越较大空间，能够较好的适应于此类溶洞的工程处理。

此外，在实际工程处理中结合岩溶溶洞的发育情况及考虑场区工程地质条件的复杂性，在施工工程中应建立数据采集自动化监测报警系统，实时监测，及时准确地反馈监测数据，做到信息化施工，往往能够给岩溶场地的工程建设和治理带来质的飞跃。

［1］石祥锋.岩溶区桩基荷载下隐伏溶洞顶板稳定性研究［D］.武汉:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，2005.

［2］叶 泓.岩溶地区嵌岩桩桩周临空面的稳定性分析［J］.西部探矿工程，2007(2).

［3］谭志宏.岩溶区隐伏空洞对路桥工程稳定性影响的研究［D］.沈阳:东北大学，2008.

［4］金瑞玲，彭跃能，李献民.岩溶地基稳定性评价方法［J］.公路与汽运，2003(6):29－31.

［5］牟春梅.岩溶区地基岩体溶洞顶板稳定性评价［J］.西部探矿工程，2002(S1).

［6］籍长志.基于桥基荷载作用下的溶洞顶板稳定性研究［D］.成都:西南交通大学，2010.

［7］周建普，李献民.岩溶地基稳定性分析评价方法［J］.矿冶工程，2003(1).

［8］龙驭球，包世华.结构力学教程［M］.北京:高等教育出版社，2006.