干湿循环作用下充填岩溶区隧道安全性研究_刘韬.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022干湿循环作用下充填岩溶区隧道安全性研究刘韬1,刘衍顺2,邓泽城1,籍鑫雨2,张紫东2(1.江西省交通投资集团有限责任公司,南昌 330025;2.山东大学 岩土与结构工程研究中心,济南 250061)摘要:为探究干湿循环对充填岩溶区隧道运营安全的影响,首先,开展了不同干湿循环次数岩溶充填物直剪试验,分析抗剪强度指标的劣化规律,提出了劣化系数的预测公式,并对劣化机制进行分析。研究发现:干湿循环使充填物由致密状态变为松散状态,导致抗剪强度指标劣化,黏聚力的劣化程度大于内摩擦角,干季试样的劣化程度大于湿季。然后,采用 FLAC3D软件对隧道全穿和顶穿溶洞两种工况运营 10 年内衬砌的变形和安全系数进行计算,结果表明:全穿溶洞工况各位置变形和安全系数呈大小交替循环的趋势,干季的变形较小,安全系数较大,拱脚拱顶为软弱位置;受完好围岩的影响,顶穿溶洞工况拱顶的变形一直增大,拱脚位置干季的安全系数小于湿季,拱顶为软弱位置,应进行加固处理。关键词:运营隧道;充填岩溶;干湿循环;衬砌变形;安全系数中图分类号:U459.2文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0983-10Study on the Safety of Tunnel in Filling Karst Area under Dry-Wet CycleLiu Tao1,Liu Yanshun2,Deng Zecheng1,Ji Xinyu2,Zhang Zidong2(1.Jiangxi Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd.,Nanchang 330025,P.R.China;2.Research Center of Geotechnical and Structural Engineering,Shandong University,Jinan 250061,P.R.China)Abstract:In order to explore the impact of dry-wet cycles on the safety of tunnel filling in filling karst area,this paper first carried out direct shear tests of karst fillings with different numbers of dry-wet cycles to analyze the degradation laws of shear strength indicator,presented the prediction formula of deterioration coefficient,and analyzed the degradation mechanisms.The study found that the dry-wet cycle causes the filling to change from a dense state to a loose state,leading to deterioration of the shear strength index.The deterioration of the cohesive force is greater than the internal friction angle,and the deterioration of the dry season samples is greater than that of the wet season.Then,this paper uses FLAC3D software to calculate the deformation and safety factor of the lining of all and top of the tunnel located in karst caves for 10 years of operation.The results show that the deformation and safety factor of each position in all of the tunnel located in karst caves are in a trend of alternating large and small.The deformation in the dry season is small,the safety factor is large,and the arch foot and the bottom of the arch are weak.In the top of the tunnel located in karst caves working condition,the deformation of the vault has been increasing,the safety factor of the arch foot position in the dry season is smaller than that in the wet season,and the vault is a weak position and should be reinforced.Keywords:operating tunnel;filling karst;dry-wet cycle;lining deformation;safety factor收稿日期:2022-04-13(修改稿)作者简介:刘韬(1971),男,江西新余人,硕士,高级工程师,主要从事高速公路运营管理等领域的科研工作。E-mail:2781826960 通讯作者:刘衍顺(1998),男,山东济宁人,硕士生,主要从事防灾减灾与防护工程方向的研究。E-mail:llys1030 基金项目:江西省交通运输厅课题(2018H0043)0引言我国岩溶地层分布广泛,占国土面积近三分之一。随着中国高速公路建设的不断扩大,隧道穿越岩溶地层的情况越来越多1-2。对于处于季节性降雨地区的充填型岩溶隧道,因溶洞往往有开放性通道与外界连接,雨季时溶洞内水位升高,旱季水位回落3,溶洞内充填物处于干湿交替环境中,导致强 度 劣 化 明显,严重影响着隧道的长期运营安全。受降雨蒸发和地下水位升降的影响,自然环境中岩土体的干湿循环较为普遍。干湿循环作用使岩土体原本致密的结构变得松散,对微观结构造成不可逆的损伤4,使其力学性能劣化明显5-7。目前,许多学者针对干湿循环条件对岩石和土体的力学性能的劣化作用开展的大量的研究。对于岩石试件,主要研究干湿循环条件对岩石单轴抗压强度8、抗拉强度9、弹性模量10、泊松比11等力学参数的劣化作用。对于土体试件,主要研究土样条件(如类别、级配和含水率)和干湿循环条件(如次数和幅度)对力学参数劣化效果的影响12-14,如马君泽等15研究发现硫酸盐渍土的内摩擦角随着干湿次数和含盐量的增大而减小;Kong 等16研究发现花岗岩残积土在 4 次干湿循环后孔隙变得更均匀,其力学性质几乎维持恒定;吕海波等17通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验发现膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。目前干湿循环作用下岩土体劣化机理的研究对象多是岩石或是较为均质的土体,对岩溶充填物这类具有一定级配特征的松散岩土体的研究甚少。本文以江西武吉高速公路南石壁隧道为依托,以充填岩溶区隧道作为研究对象,开展不同干湿循环次数岩溶充填物直剪试验,分析抗剪强度指标的劣化规律,定义劣化系数,提出了劣化系数的预测公式,并对劣化机制进行分析。根据直剪试验结果,采用 FLAC3D 软件对隧道全穿溶洞和隧道顶穿溶洞两种典型工况进行数值模拟,分析干湿循环劣化作用对隧道变形和衬砌安全系数的影响,为隧道服役期间的安全运营提供依据。1工程概况南石壁隧道位于江西省境内大广高速北段,设计为分离式隧道,全长 924 m(右幅 964 m),最大埋深约为 110 m。隧址区属构造剥蚀、溶蚀地貌,地表出露大量石牙、溶沟槽、溶洞等。该地区雨量充沛,强度高,降雨多集中在每年 4 6 月。隧道围岩较破碎,导水通道联系密切,自 2008 年通车以来,每逢雨季便会发生渗漏水灾害,十年间发生过5 次重大突水突泥灾害,数十次小型灾害,底板隆起、边沟变形严重。综合探测发现,南石壁隧道 ZK172+470 494段和 ZK172+610630 段存有大型溶洞,溶洞剖面如图 1 所示,衬砌后方为充填溶洞,衬砌与岩溶充填物直接接触,溶洞为自平衡溶洞,洞壁已自稳。溶洞与周边水库存有导水通道,每逢雨季水库水位上升,水位高于导水通道,库水进行溶洞,岩溶充填物含水率上升。旱季时水库水位低于导水通道,库水无法进入溶洞,岩溶充填物因水分蒸发,含水率降低。考虑到该地区雨季和旱季每年仅经历一次,故假设充填岩溶区每年经历一次大的干湿循环,干湿循环作用导致岩溶充填物强度劣化,严重威胁隧道的安全性。图 1溶洞剖面图Fig.1Karst cave profile489地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷2干湿循环室内试验2.1干湿循环试样制备干湿循环试样取至南石壁隧道大型溶洞病害处置现场,主要由红黏土、砂砾及灰岩颗粒组成。经室内试验测定,其基础力学性质为:干密度为1.75 g/cm3,干季含水率为 6%,测得干季时黏聚力为 67 kPa,内摩擦角为 28,雨季饱和时的黏聚力为 16.5 kPa,内 摩 擦 角 为 18,饱 和 含 水 率 为22.6%,比重为 2.71,液限含水率为 39.8%,塑限含水率为 27.3%,最大干密度为 1.96 g/cm3,最优含水量为 11.6%。颗粒分析试验表明,土体最大粒径5 mm)含 量 7.8%、中 砂(粒 径 2 5 mm)含 量13.1%、细粒(粒径 0.075 2 mm)含量 22.1%、微粒(粒径拱肩拱底拱脚。图 10工况 1 竖向位移云图Fig.10Vertical displacement contour of condition 1为进一步分析干湿循环次数对隧道竖向位移的影响,绘制竖向位移增量曲线,如图 12 所示。干季与湿季的竖向位移增量均随干湿循环次数的增加而降低,且干季的竖向位移增量大于湿季,说明干湿循环作用效果随干湿循环次数的增加而降低,且干湿循环作用对于干季的作用效果比湿季的更加强烈,这与干湿循环对于抗剪强度指标的劣化规律相同。比较各监测点竖向位移增量的衰减幅度,可以发现,拱底位置的衰减幅度最小,拱顶位置的衰减幅度最大,说明拱底位置的竖向位移增量受干湿循 环 次 数 的影响较小,而拱顶位置受的影响较大。3.2.2安全系数变形的发生是岩溶充填物变形与衬砌抵抗共同作用的结果,变形量的增长并不能完全代表衬砌的安全性,还应从结构的受力状态进一步分析。根据隧道的设计规范,可以通过衬砌结构的弯矩与轴力间的关系,计算衬砌安全系数,用来表征衬砌的安全性。采用 FALC3D 软件,无法直接求解衬砌安全系数。本文结合规范中衬砌安全系数的计算原理,使用内置的 fish 语言,进行计算函数的编制,通过实体单元的应力,计算得到衬砌单元的弯矩、轴力等计算参数19,进而计算求得衬砌的安全系数,用以评价隧道稳定性。安全系数具体计算方法20为:图 11竖向位移变化曲线Fig.11Vertical displacement curvesKN Rabhe0 0.2hKN 1.75Rlbh6e0h-1e0 0.2h|(4)式中:K 为安全系数;N 为轴力;b 为截面宽度;h