隧道上方大型无填充型溶洞护拱厚度的研究

(湖南省怀芷高速公路建设开发有限公司，湖南 怀化 418000)

0 前言

拱顶大型溶洞一般是指溶腔高度大于10 m的溶洞，在岩溶发育区域，大型无填充物溶洞时常出现在隧道上方，处治措施为：加强溶洞区域初期支护，在初期支护做好之后往隧道拱顶泵送一定厚度的混凝土护拱，初期支护的变形还没有达到施做二次衬砌的条件，因此这时二次衬砌往往没有施做。这些溶洞通常情况下已经稳定，不过，在隧道爆破开挖震动作用下，溶腔壁可能会出现石块掉落，这时如果初期支护上方混凝土护拱的的厚度不够的话，在落石冲击荷载的作用下，初期支护很容易开裂、甚至造成隧道垮塌。湖南张花高速科洞隧道在施工过程中拱顶出现大型溶洞，由于没有具体探明落石的高度，且混凝土护拱的厚度仅为0.5 m，在前方掌子面继续施工过程中溶洞段隧道初期支护出现大面积开裂，后经查实为溶洞落石冲击力所致。国内大多根据经验来确定混凝土护拱的厚度，至于为什么定这个厚度，并没有一个明确的说法。本文以某隧道拱顶大型溶洞为工程实例，通过探明落石高度及重量，在考虑落石冲击力的基础上，并依据隧道规范，通过计算，确定混凝土护拱的最小值。

1 工程概况

某隧道在开挖过程中在拱顶遇到特大型无充填物溶洞，溶洞宽约7 m，高约20 m，该处隧道埋深约40 m，围岩以强—中风化白云质灰岩为主，该溶洞处治方法为加强初期支护(厚度由原来的22 cm增加至26 cm，工字钢间距调整为0.5 m)，泵送C15混凝土回填溶腔，隧道拱顶溶洞处治见图1所示。

图1 溶洞处治(单位： cm)

鉴于该溶洞较高，倘若溶腔内部有石块掉落，将会形成巨大的冲击力，这就要求混凝土护拱足够厚，才能避免初期支护遭到破坏。要探讨混凝土护拱的厚度，首先就要确定冲击荷载的大小，而冲击荷载与落石重量、高度有关，在爆破开挖之前，对该溶洞进行了充分的勘察，结果显示溶腔壁约18 m高的位置有落石的风险，该落石重量约为300 kg(估计值)，本文探讨了当混凝土护拱厚度分别为1、1.5、2、2.5 m时，并考虑冲击荷载，通过计算分别得出隧道初期支护应力，并与规范值进行比较，从而确定混凝土护拱最小厚度。

2 落石冲击力的计算

根据公路隧道设计细则(JTG/T D70—2010)，落石冲击力可以按下式计算，公式中各参数依据公路隧道细则来取值。

1) 落石冲击荷载P采用下列公式：

(1)

式中：Q为落石重力,kN；P为落石冲击荷载,kN；g为重力加速度，取9.81 m/s2；v0为冲击时的速度，m/s；t为冲击持续时间，s。

2) 落石冲击速度：

(2)

(3)

式中：μ为系数，可按式(3)计算；H为落石的高度，m；K为石块沿山坡滚动系数；α为山坡坡度角，(°)。

3) 落石冲击持续时间t:

(4)

(5)

式中：c为压缩波在缓冲回填土中的往复速度,m/s；h为缓冲回填土计算厚度,m；γ为回填土的重度,kN/m3：E为回填土的弹性模量；v为回填土的泊松比。

根据式(1)～式(5)得出：

(6)

式中：m为落石的质量,kg，当落石垂直落下时，α=90°,这时Kcotα=0。

当护拱厚度为1 m时，根据式(6)得出：P=3 190 kN。

同样可以得出护拱厚度分别为1.5、2、2.5 m时的冲击荷载P。见表1所示。

表1 冲击力的值护拱厚度/m冲击荷载P/kN护拱厚度/m冲击荷载P/kN13190216421 521902 51314

3 数值计算

采用midas-gts数值计算软件进行计算，计算方法为地层结构法；模型为二维，计算软件默认隧道纵向为1 m，也就是溶洞长度、初期支护、护拱等纵向长度均默认为1 m。溶洞位置围岩为中风化白云质灰岩(可以定义为Ⅳ级围岩)，初期支护承担55%的围岩压力，围岩、混凝土护拱、初期支护均采用实体单元进行模拟，材料参数见表2。计算模型见图2，冲击荷载以集中力的形式加在结构上。

表2 参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/MPa围岩实体单元摩尔库伦4200混凝土护拱实体单元弹性26000初期支护实体单元弹性28000泊松比v容重/(kN·m-3)容重(饱和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)0．3518190．2250．25240．224

图2 网格模型

通过计算得出各种护拱厚度下初期支护的第1主应力情况，见图3。

从图3中可以看出，在冲击荷载作用下，初期支护最大拉应力发生在拱顶，最大压应力发生在侧墙部位，当护拱厚度分别为1、1.5、2、2.5 m时，初期支护最大拉应力值分别为1.6、1.25、0.86、0.54 MPa，而最大压应力值分别为9.32、7.95、6.7、5.88 MPa。C20喷射混凝土抗拉能力弱，而抗压能力强，一旦出现较大的拉应力，容易导致混凝土开裂，根据《公路隧道设计细则JTG/T D70—2010》中的表7.3.7-1可知，C20喷射混凝土抗拉设计强度为1.1 MPa，弯曲抗压强度为11.0 MPa，压应力均要小于规范强度，当护拱厚度为2 m时，初期支护拱顶拉应力最大值小于规范强度，由此得出本项目护拱最小厚度为2.0 m。

a)护拱厚度为1 m

b)护拱厚度为1.5 m

c)护拱厚度为2 m

d)护拱厚度为2.5 m

4 结论及建议

隧道拱顶遇到特大型无充填物溶洞，溶腔高约20 m，存在着落石风险，本文在考虑落石冲击力的基础上，对隧道拱顶上方混凝土护拱厚度进行了探讨，主要结论有：①计算得出护拱厚度分别为1、1.5、2、2.5 m时的冲击荷载，依次为3190、2190、1642、1314 kN；②通过计算得出了护拱厚度分别为1、1.5、2、2.5 m时初期支护的应力分布情况，结果显示受冲击力的影响，初期支护顶部受拉，并把最大拉应力值与规范值进行对比，表明护拱厚度至少为2 m时才能保证初期支护拱部的安全。

本文的建议有：护拱的厚度与落石冲击力的大小有关，而冲击力的大小与落石重量、高度均有关，本项目通过现场对溶腔壁进行勘察得出了落石的重量、高度，这可能与实际并不完全一致，不过为了安全，类似工程应该对落石重量、高度进行保守估计。

[1] JTG/T D70-2010,公路隧道设计细则[S].

[2] 史世雍，梅世龙，杨志刚.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,2005，l(5)：698-702.

[3] 李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报,2002，76(4)：61-62.