衬砌背后富水溶洞对铁路隧道结构影响研究——以渝怀铁路涪秀二线新圆梁山隧道为例

姜 波,王成林,黄明利,管 强

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 400023； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044； 3.中铁十一局集团第五工程有限公司,重庆 400037)

随着国家对交通基础设施投入的加大，在岩溶地区修建的隧道数量逐年攀升，施工中遇到高压富水大型充填溶洞时，常常采用泄水降压处理。运营过程中，由于降雨影响再加上排水系统堵塞，靠近衬砌的溶洞极可能重新充满水，威胁衬砌安全。不同于一般隧道衬砌由围岩压力和结构次应力引起的衬砌开裂等问题，富水岩溶隧道更多是水荷载的直接作用导致的。宜昌市季家坡隧道，降雨后，岩溶裂隙空间内积水形成高水压，边墙底板破裂突水，累计积水8 000 m3[1]；武吉高速公路南石壁隧道运营期间由于岩溶发育，衬砌承受高水压导致衬砌开裂、路面拱起[2]。如何保证高水压下运营阶段衬砌结构的安全性，对衬砌结构设计尤其重要。学者们对溶洞作用下衬砌的水压力进行了研究，邹育麟等[3]认为衬砌背后水压力与断层、向斜核部、岩溶发育区等构成的储水构造有关，暴雨之后，地下河水位上升，并不断在衬砌背后累积，衬砌背后水压急剧增大，衬砌开裂，造成渗漏病害；董辉等[4]发现衬砌外水压力还与节理面倾角和溶洞布置形态有关，且节理倾角的作用强于溶洞布置形态；万飞，丁燕平等[5-6]对隧道衬砌的内力进行研究，表明水荷载作为衬砌的主要荷载之一对隧道轴力和弯矩影响巨大；聂志凌，莫阳春等[7-9]对水压充填型溶洞下衬砌的安全性进行研究，发现衬砌安全性与溶洞的位置、规模、水压力及衬砌断面形式有关。由于隧道周围不规则溶洞、衬砌施工缺陷、隧道排水系统堵塞等原因，衬砌背后水压力分布极不均匀。申志军[10]对运营中宜万线的野三关、大支坪、马鹿箐、云雾山隧道进行了长期水压监测，结果发现衬砌水压力并非均匀分布，隧道二衬最高水压力是最低水压力的10倍；袁慧[11]对宜万铁路齐岳山隧道进行水压力监测，得到了类似的规律。

近年来，很多学者对施工期间富水溶洞引发的问题关注较多[12-15]，对衬砌内力和安全性的研究相对较少。前人研究多集中在距隧道一定距离的充填溶洞上[16-18]，对靠近衬砌背后的富水溶洞研究较少，且研究多以中低水压为主。以新圆梁山隧道富水溶洞段为依托，采用数值模拟方法，探究衬砌背后存在富水溶洞情况下，衬砌内力及其安全性，探讨溶洞不同位置、不同分布范围、不同水压力下衬砌内力和抗水压能力。

1 新圆梁山隧道富水溶洞段概况

新园梁山隧道以渝怀Ⅰ线圆梁山隧道的贯通平导(距既有线30 m)扩建而成。该隧道穿越长2 200 m的高压富水区-毛坝向斜段，发育有3个大型溶洞。1号溶洞为泥砂型充填溶洞，2号溶洞为粉细砂型充填溶洞，3号溶洞为黏土型充填溶洞。其中，2号溶洞是位于毛坝向斜核心部位的粉细砂型充填溶洞，注浆难度极大，雨季受排水系统限制，施工期间测得2号溶洞水压达3.013 MPa，施工及运营风险极大。毛坝向斜纵断面见图1。

图1 毛坝向斜段纵断面

根据文献[19]研究成果，2号溶洞与地表连通，分布范围约70 m。2号溶洞分布情况见图2。

图2 2号溶洞分布示意

从图2可看出，在隧道里程YDK340+365～YDK340+395之间，溶洞大规模分布，扩挖断面已经穿过溶洞，在YDK340+375处，溶洞距既有平导仅2 m。

2 荷载特征和计算模型

新圆梁山隧道2 200 m富水溶洞段多采用椭圆形衬砌，靠近衬砌的水压充填型溶洞在水压力作用下，沿着围岩溶蚀裂隙向隧道衬砌发展，并寻找衬砌背后薄弱点，地下水直接作用在衬砌结构上。当衬砌结构穿过富水溶洞群，隧道周围注浆效果差时，地下水冲刷充填的注浆材料，长期作用下，地下水冲过初期支护，二次衬砌与富水溶洞直接接触(图3)，溶洞与衬砌直接接触部位的水压力大于衬砌结构其他部位。

图3 衬砌背后富水溶洞示意

衬砌结构计算采用荷载结构法[20].并作如下理想化修正：

(1)忽略溶洞处围岩压力和地层抗力，忽略溶洞部位处应力集中；

(2)衬砌背后存在溶洞部位承担全部水压力，衬砌其他部位与围岩密贴，水压力不向其扩散。

根据假定，高水压下荷载结构模型见图4。

图4 衬砌背后富水溶洞下荷载-结构法计算模型

溶洞部位去掉地弹簧，将水压力直接作用在溶洞位置，以水压力代替地弹簧。

3 隧道计算工况

以新圆梁山隧道高压富水溶洞段椭圆形衬砌为研究对象，划分网格时每延米约划分2个单元，共划分52个单元，其中，1～4为左拱底单元、5～8为左拱脚单元、9～22为拱腰单元、23～26为拱顶单元，衬砌尺寸和计算单元划分见图5。

图5 椭圆形衬砌断面

研究溶洞处不同范围和水压力下的衬砌内力和安全系数，计算参数和工况如下。

(1)计算参数

新圆梁山隧道围岩及衬砌计算参数见表1。

表1 围岩参数

其中，衬砌厚80 cm，配筋率为1.0%。混凝土采用C40，重度25 kN/m3，弹性模量33.5 GPa，泊松比0.2。

(2)计算工况

由于衬砌结构的对称性，对拱顶、拱腰(左侧)、拱脚(左侧)、拱底部位的富水溶洞进行研究，具体工况见表2。

表2 计算工况

表2中溶洞是指衬砌背后存在的富水溶洞，溶洞范围为衬砌背后溶洞所占衬砌的弧长，以下研究水压力和溶洞范围对衬砌受力和安全性的影响。

4 富水溶洞对衬砌受力的影响

4.1 水压力对衬砌轴力的影响

溶洞分布部位不同，衬砌轴力分布不同，图6为溶洞范围1.0 m时，不同溶洞位置下，衬砌轴力与水压力的关系曲线。

另外，还对富水溶洞范围3.0 m下，拱顶、拱腰和拱底富水溶洞的工况进行研究，见图7。

图6 衬砌轴力与水压力关系(溶洞范围1.0 m)

图7 衬砌轴力与水压力关系(溶洞范围3.0 m)

由图6可知，1.0 m溶洞范围下，拱顶和拱腰富水溶洞，衬砌各部位轴力与水压力近似线性正相关；拱底富水溶洞下，衬砌各部位轴力变化不大；拱脚富水溶洞下衬砌轴力与水压力关系无明显规律。

从图7可知，溶洞范围增大到3.0 m时，拱顶和拱腰富水溶洞，随着水压力的增大，衬砌各部位轴力也线性增大；拱底富水溶洞只有在水压力达到0.5 MPa时，轴力才开始线性增大。

4.2 溶洞范围对衬砌轴力的影响

从图6(a)可知，拱顶富水溶洞下，拱顶和拱脚为衬砌内力极值点，对极值点轴力与溶洞范围的关系进行研究，拱顶、拱脚轴力随拱顶富水溶洞范围的增大而增大，见图8。

图8 衬砌轴力与溶洞范围关系(拱顶富水溶洞)

图6(b)知，拱腰富水溶洞下，拱顶、拱脚为轴力极值点，轴力同样随富水溶洞范围的增加而增大，见图9。

图9 衬砌轴力与溶洞范围关系(拱腰富水溶洞)

对拱底富水溶洞下，拱脚和拱底轴力进行分析，其轴力图与溶洞范围的关系见图10。

图10 衬砌轴力与溶洞范围关系(拱底富水溶洞)

与拱顶和拱腰富水溶洞不同，拱脚富水溶洞工况下，只有水压力达到1.0 MPa，轴力才随着溶洞范围的增大而增大，水压力达不到该值时，衬砌轴力受溶洞范围影响较小。

4.3 水压力对衬砌弯矩的影响

由于计算工况较多，水压力取1.5 MPa时，衬砌整体弯矩云图见图11。由图11可知，溶洞位置不同，弯矩分布不同，相同点是溶洞位置处为弯矩极大值点，溶洞两侧为弯矩极小值点。

图11 衬砌弯矩云图

对拱顶和拱腰富水溶洞衬砌多个部位的弯矩与水压力的关系进行分析，见图12。

图12 衬砌弯矩与水压力关系

由图12可知，同衬砌轴力变化规律类似，拱顶和拱腰富水溶洞下，衬砌各部位弯矩基本随水压力线性增大；拱脚富水溶洞下衬砌弯矩与水压力近似线性关系。

对拱底富水溶洞工况下，不同溶洞范围下的拱底和拱脚弯矩与水压力的关系进行研究，见图13。拱底和拱脚弯矩均随水压力的增大呈线性增加趋势。

图13 衬砌弯矩与水压力关系(拱底富水溶洞)

4.4 溶洞范围对衬砌弯矩的影响

在拱顶富水溶洞工况下，弯矩最大值位于拱顶，拱顶处弯矩与溶洞范围的关系见图14。

图14 拱顶弯矩与溶洞范围关系(拱顶富水溶洞)

拱腰富水溶洞条件下，左拱腰和拱顶这两个弯矩极值点与溶洞范围的关系见图15。

图15 衬砌弯矩与溶洞范围关系(拱腰富水溶洞)

拱底富水溶洞工况下，拱脚和拱底为弯矩极值点，其弯矩与溶洞范围关系见图16。

图16 衬砌弯矩与溶洞范围关系(拱底富水溶洞)

从图14～图16可以看出，随着衬砌背后溶洞范围的增大，衬砌弯矩逐渐增大，但当溶洞范围增大到一定程度后，衬砌弯矩增加速率变小，弯矩逐渐趋于平稳。

5 衬砌安全性分析

TB10003—2016《铁路隧道设计规范》规定，钢筋混凝土出现受拉破环时安全系数为2.4，混凝土受压破坏时安全系数为2.0。

图17 不同水压力下衬砌各单元安全系数

对衬砌安全性进行研究，在溶洞范围1.0 m时，计算衬砌各单元的安全系数，见图17。

由图17可知，衬砌整体安全性与溶洞的分布息息相关。与衬砌溶洞单元越近，衬砌安全系数下降幅度越大，衬砌富水溶洞处的安全系数最小，即有压溶洞下，衬砌背后富水溶洞处最先发生破坏。 随着水压力的增加，基本上衬砌各个单元的安全系数都在降低，衬砌整体安全性下降，这点在图17(a)上表现尤为明显。对危险点的安全系数进行研究，拱顶富水溶洞下，最危险点为单元26，见表3，其他工况类似。

表3 拱顶危险点-单元26安全系数(拱顶富水溶洞)

经计算，钢筋混凝土衬砌均为受拉破坏，其中，红色数字为不符合规范要求的危险工况。由表3～表6可知，除表3中拱顶富水溶洞范围3 m，水压力1.0 MPa工况外，随着溶洞范围和水压力的增大，衬砌危险点安全性降低。拱顶富水溶洞范围3 m时，衬砌能承受1.0 MPa的水压力(表3)；拱腰富水溶洞范围3 m时，衬砌能承受0.5 MPa的水压力(表4)；拱脚富水溶洞范围2 m时，衬砌能承受1.25 MPa的水压力(表5)；拱底富水溶洞范围4 m时，衬砌仅能承受0.75 MPa的水压力(表6)。

表3 拱顶危险点-单元26安全系数(拱顶富水溶洞)

表4 拱腰危险点-单元15安全系数(拱腰富水溶洞)

表5 拱脚危险点-单元6安全系数(拱脚富水溶洞)

表6 拱底危险点-单元1安全系数(拱底富水溶洞)

安全系数越小，衬砌越危险，对水压力1.0 MPa、溶洞范围3.0 m下的安全系数比较，危险程度排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱顶富水溶洞。

对水压力1.0 MPa、溶洞范围2.0 m下的拱顶富水溶洞和拱脚富水溶洞的安全系数比较，拱顶富水溶洞比拱脚富水溶洞较危险。不同部位富水溶洞的危险程度简单排行如下：拱腰富水溶洞>拱底富水溶洞>拱顶富水溶洞>拱脚富水溶洞。

6 结论

通过对新圆梁山隧道衬砌拱顶、拱腰、拱脚和拱底4个部位的衬砌背后富水溶洞进行受力及安全性分析，研究了不同溶洞范围、不同水压力下衬砌轴力和弯矩特性，并对各工况下的安全系数进行了分析，得出以下主要结论。

(1)衬砌整体的轴力和弯矩与水压力大致线性正相关；轴力随空洞范围的增大而增大，但弯矩随着空洞范围的增大逐渐增加，最终趋于平稳。

(2)水压力和溶洞范围的增大均降低衬砌整体的安全性，越靠近富水溶洞，衬砌安全系数下降幅度越大，富水溶洞处为衬砌最不利位置，衬砌破坏先从富水溶洞处发生。

(3)对椭圆形衬砌而言，拱腰处的溶洞严重降低衬砌安全性，应加强拱腰处背后注浆，提高衬砌安全性。

(4)衬砌安全性与衬砌结构形式和溶洞位置息息相关，部分衬砌单元破坏，其他单元仍有较大安全储备，结构设计与注浆设计应相结合，提高衬砌整体安全性。