下伏溶洞对运营隧道衬砌结构稳定性的影响研究

石菊创　熊雅文　张志超　王颁法

作者简介：

石菊创（1987—），工程师，主要从事公路工程检测工作。

摘要：文章依托工程实践，通过运营隧道病害检测过程中发现的典型岩溶发育特征，借助Midas GTS NX有限元数值分析软件，研究不同埋深条件的下伏溶洞对既有运营隧道衬砌结构的稳定性影响。研究结果表明：随着下伏溶洞埋深逐渐增大，隧道二次衬砌最大剪应力和最大竖向位移逐渐减小;当溶洞埋深>7 m时，对Ⅴ级围岩有仰拱区段的后期运营结构变形影响较小;当溶洞埋深>5 m时，对Ⅴ级围岩有仰拱区段的后期运营结构最大剪应力影响较小。

关键词：运营隧道;下伏溶洞;数值分析;衬砌结构稳定性;地质雷达

中国分类号：U457+.5A351284

0 引言

广西地区多山，随着西部大开发和交通强国政策的持续推进，广西地区高速公路里程迅猛增加，越来越多的高速公路隧道需穿越复杂地质条件区域，而岩溶发育是广西灰岩地区的典型地质条件之一，使隧道建设难度增加。现阶段，针对岩溶隧道的研究主要集中在超前地质预报技术[1-4]、岩溶隧道处治技术[5-7]、岩溶隧道施工阶段稳定性分析[8-9]等方面，而针对岩溶隧道在运营阶段的衬砌结构稳定性影响方面的研究较少。根据广西地区隧道管养经验，每逢雨季，岩溶运营隧道常常发生衬砌突水、突泥、路面起拱等重大病害，因此，有必要对岩溶隧道在运营阶段的衬砌结构稳定性影响进行研究。

本文依托广西靖西至那坡高速公路那圩隧道衬砌开裂、渗漏水病害专项检测项目，借助MIDAS GTS NX有限元数值分析软件，研究了下伏溶洞在不同埋深条件下，对隧道衬砌结构稳定性的影响程度，为岩溶地区运营隧道预防性养护决策提供数据支撑，同时为类似隧道工程病害检测和稳定性分析技术提供参考。

1 工程概况

靖西至那坡高速公路那圩隧道于2015年12月建成通车，由广西和云南共同管理。其中，隧道进口段上行线YK503+813～YK504+465的管养单位是广西交通投资集团百色高速公路运营有限公司。2020-09-12，百色运营公司在对那圩隧道进行巡检时发现，隧道上行线YK503+903～YK504+465区段存在路面积水、衬砌裂缝、渗漏水并伴有泥沙溢出等病害，下行线也存在少量施工缝渗漏水情况。

根据竣工资料可知，隧道区穿越地层主要为：（1）第四系全新统残坡积红黏土，主要分布在隧道洞身段，厚0.00～28.00 m，褐色、硬塑、干强度高;（2）泥盆系中统东岗岭组（D2d）浅灰色石灰岩，分布于进口段和出口段，洞身段也有局部覆盖;（3）[JP+1]印之期辉绿岩，主要分布于洞身段。隧址区无常年地表水分布，地下水为裂隙溶洞水，赋存在灰岩中，水量贫乏，隧址区未见泉水分布。常水位埋藏较深，低于隧道底板。隧址区洞身段溶洞非常发育，主要分布在K503+800～K504+470区段，其中灰岩区溶洞尤其发育。

2 地质雷达检测结果

2.1 地质雷达检测基本原理

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲电磁波发射到介质中，通过接收反射信号达到探测目标的目的。雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲，电磁波脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时，分析确定探测目标的形态及结构特性，介质界面根据反射信号的强弱、频率变化及延伸情况确定，如图1所示。

2.2 地质雷达检测结果

由于检测条件限制，本次雷达检测主要针对路面下方基岩情况进行探测，采用美国劳雷SIR-20型雷达主机，配备200 MHz雷达天线进行探测。200 MHz频率天线的有效探测深度约为5 m，分别在那圩隧道上行线的左、右车道各布置1条纵向测线。雷达检测的异常部位如图2～4所示。

通过雷达检测结果可知，上行线右车道YK504+345～YK504+358段、YK504+388～YK504+405段和左车道YK504+290～YK504+295段、YK504+335～YK504+345段、YK504+385～YK504+400段范围内，反射信号三振向明显、反射频率低，呈现弧形反射特征，初步推测为下伏溶洞发育，埋深约在2.5～3.0 m，纵向发育宽度约为5～15 m。由地质雷达检测结果可知，本隧道岩溶主要分布在单车道下方，其中右车道下伏溶洞分布相对较多，YK504+388～YK504+400段左右两车道均存在下伏溶洞发育。

3 衬砌结构稳定性数值分析

3.1 数值模型建立

根据隧道竣工资料可知，YK504+390位置为Va级围岩，采用Va型衬砌，衬砌结构采用复合式衬砌，二衬设置有仰拱，仰拱底部设置钢拱架支护（如图5所示）。本文采用MIDAS GTS NX有限元软件，针对下伏溶洞对运营隧道衬砌结构的稳定性影响进行研究。根据雷达检测结果，选取YK504+390位置为隧道典型横断面，溶洞设置在右车道正下方，采用二维有限元进行数值模拟，采用地层-结构法建立模型。其中采用二维平面应变单元模拟隧道围岩、初期支护及二次衬砌结构，采用桁架单元模拟锚杆，取隧道周边3倍洞径范围的岩土体进行建模。整体数值模型如图6所示，局部模型如图7所示。为简化计算，本次模拟作如下假设：

（1）假设溶洞为直径3.0 m的圆形截面，不考虑溶洞的实际不规则形状。

（2）假设隧道岩体为均质体。

（3）由于本次研究主要針对隧道运营阶段的衬砌结构响应状况，因此不考虑隧道实际施工的开挖工法，统一按照全断面法施工。

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1-2018）[10]中的围岩参数推荐值，结合现场实际情况，选取V级围岩的模型参数。隧道初期支护考虑最不利状况，采用C25喷射混凝土参数模拟，二次衬砌也采用C25钢筋混凝土参数模拟，中空注浆锚杆采用Q235钢筋的参数模拟。具体模型参数取值如表1所示。

3.2 分析工况

本次分析共设置五组不同工况，各工况如下：

（1）工况一：在右车道下方埋深2.5 m位置，设置直径3 m的下伏溶洞。

（2）工况二：在右车道下方埋深3.5 m位置，设置直径3 m的下伏溶洞。

（3）工况三：在右车道下方埋深5 m位置，设置直径3 m的下伏溶洞。

（4）工况四：在右车道下方埋深7 m位置，设置直径3 m的下伏溶洞。

（5）工况五：无下伏溶洞工况。

3.3 数值模拟结果

本文主要选取隧道二次衬砌最大竖向位移、最大剪应力、最小剪应力作为研究对象，不同工况下的计算结果如表2所示。通过计算结果分析可知：

（1）二次衬砌最大竖向位移位于仰拱底部，最大剪应力位于仰拱填充层与衬砌交界面右侧，最小剪应力位于仰拱填充层与衬砌交界面左侧。选取工况二，即下伏溶洞埋深为3.5 m的工况分析二次衬砌竖向位移和剪应力的分布规律。

（2）随着溶洞埋深的增加，二次衬砌最大位移逐渐减小。当无下伏溶洞发育时，最大竖向位移为6.46 mm;当下伏溶洞埋深7 m时，最大竖向位移增加约2.6%;当下伏溶洞埋深5 m时，最大竖向位移增加约10.8%;当下伏溶洞埋深3.5 m时，最大竖向位移增加约13.1%;当下伏溶洞埋深2.5 m时，最大竖向位移增加约16.1%。

（3）随着溶洞埋深的增加，二次衬砌最大剪应力呈先减小后增大的趋势。当无下伏溶洞发育时，最大剪应力为117 kPa;当下伏溶洞埋深7 m时，最大剪应力减小约6.8%;当下伏溶洞埋深5 m时，最大剪应力减小约9.4%;当下伏溶洞埋深3.5 m时，最大剪应力增加约13.6%;当下伏溶洞埋深2.5 m时，最大剪应力增加约28.2%。

（4）随着溶洞埋深的增加，二次衬砌最小剪应力呈先增大后减小的趋势。当无下伏溶洞发育时，最小剪应力为104 kPa;当下伏溶洞埋深7 m时，最小剪应力增加约29.8%;当下伏溶洞埋深5 m时，最小剪应力增加约48.1%;当下伏溶洞埋深3.5 m时，最小剪应力增加约13.4%;当下伏溶洞埋深2.5 m时，最小剪应力减小约2.9%。

4 结语

本文通过采用地质雷达对隧道衬砌路面下方的隐伏岩溶发育情况进行了系统检测，分析了典型下伏溶洞的分布特征，并借助MIDAS GTS NX有限元软件数值分析手段，对不同埋深下伏溶洞工况进行计算分析，得出如下结论：

（1）200 MHz地质雷达天线在运营隧道路面下方浅埋溶洞探测效果较好。

（2）随着下伏溶洞埋深逐渐增加，二次衬砌最大竖向位移逐渐减小，当溶洞埋深>7 m时，竖向位移增长≤2.6%，因此可初步推测，溶洞埋深>7 m时，对Ⅴ级围岩有仰拱区段的后期运营结构安全影响较小。

（3）随着下伏溶洞埋深逐渐增加，二次衬砌最大剪应力整体呈逐渐减小趋势，当埋深>5 m时，二次衬砌最大剪应力无明显增长。

（4）随着下伏溶洞埋深逐渐增加，二次衬砌最小剪应力无明显变化规律，当埋深为5 m时，最小剪应力达到极值。

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[10]JTG 3370.1-2018，公路隧道设计规范 第一册 土建工程[S].

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