耐斯克折叠门支持_高速公路地道巨型溶腔高填方沉降机理分析

关键词：隧道溶腔;回填;沉降剖析;数值仿照;工程类比;

基金：中交第一公路勘察设计研究院有限公司青年科技创新基金项目，项目编号YGY2021QC-02;

耐斯克折叠门支持_高速公路地道巨型溶腔高填方沉降机理分析塑钢门

西南地区岩溶区域分布广泛，隧道培植穿越时常碰到各种形态和规模的溶洞，不乏超大型溶洞。
常见的处理方法是：对付拱部以上溶洞，采取C25混凝土护拱，以加强护拱强度，并对上空腔部分做排水处理；下部溶洞采取设置钢筋混凝土盖板和涵洞通过，大型溶洞乃至需采取桥梁办法超过，由于沉降不易掌握，较少采取洞渣添补办法办理。

受施工条件限定，难以按常规路基填筑碾压，海内对洞内填方路基研究较少。
零散回填处理工点仅为大胆摸索，缺少技能理论支撑。

本文以某高速公路洞内巨型溶腔洞渣回填为例，通过理论剖析、有限元仿照、工程类比等多种方法进行论证，提出管理隧道巨型溶洞的新思路。

洞渣回填方案相对洞内架设桥梁、涵洞等方案，施工工艺大略、操作不受园地限定，施工进度快，造价较省，极具推广代价。

1 溶洞添补概况

该溶洞主体位于K120+738～K120+802段洞体右下方，见图1。
经丈量，溶洞底部均匀宽度约45 m, 深度约34 m, 纵向长度约64 m, 呈椭圆状，自近北部向近南方向延伸，北高南低。
洞渣添补高度为20～31 m, 周界不规则。
添补材料为隧道开挖洞渣，无级配设计，填筑过程未进行分层压实。
2019年3月8日开始填筑，5月1日填筑完毕。
岩溶洞穴体积为10万m3,填筑洞渣约28万t。
洞渣粒径大部分为7 cm～45 cm。
洞渣直接倾倒，添补溶洞。
填筑高度为20～31 m。
当时处于超载预压状态，并操持随后于2019年底施工隧道衬砌构造。

图1 某隧道大型溶洞及洞内回填形态示意

2 沉降机理

隧道溶洞添补材料沉降来源为两方面。

(1)自重浸染下的压密变形。
该填料无级配设计、无分层压实，为欠固结填料。
在自重浸染下，块石之间空隙进一步减小，填料整体表现为压密。
此为工后沉降紧张来源。

(2)块石之间相互位移错动，以及块石之间应力重分布，使得块石压碎，填料整体级配状况调度，孔隙率变小，导致发生沉降变形。
该沉降部分为施工期沉降，沉降较大。
施工期要采纳超载预压方法担保该部分沉降完成，担保工后沉降较小。

3 打算剖析3.1施工期沉降打算

目前无隧道洞渣干系试验参数。
以孔隙比作为沉降打算的主要指标。
孔隙比按照如下思路获取。

(1)最大孔隙比。

隧道洞渣开挖后随即用于添补溶洞，为无压实的天然疏松状态，此时对应最大孔隙比。
石灰岩碎胀系数一样平常为1.5～1.7[2],由此可知疏松状态下，洞渣的最大孔隙比为0.5～0.7。
本案例取最大孔隙比为0.6打算。

(2)最小孔隙比。

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对填石路基压实掌握标准的哀求，孔隙比应小于0.32。
即通过分层压实，中硬石料填石路基所能达到的最小孔隙比为0.32。
用于添补溶洞的隧道洞渣无压实过程。
综合上述成分剖析，隧道洞渣在自重浸染下所能达到的最小孔隙比为0.5。
该值能够在一定程度上反响由于块石之间相互浸染导致棱角处压碎所产生的沉降。

根据《建筑地基根本设计规范》(GB 50007-2011),沉降打算公式为：

s=Δe1+e0Hs=Δe1+e0Η

式中：s为沉降量；Δe为最大孔隙比与最小孔隙比之差；e0为最大孔隙比；H为洞渣填筑高度。

该溶洞最大填高为31 m, 经打算，填筑后自重浸染下的固结沉降值为1.94 m。
不同填筑高度下的沉降打算值如表1所示。

表1 施工期沉降打算结果

填筑高度/m

施工期沉降打算值/m

0.625

0.937

1.25

1.56

1.875

2.19

由此可知：该隧道洞渣填筑高度为20～30 m, 故洞渣添补施工期沉降值为1.2～1.9 m。
因此，年底施工隧道衬砌构造之前，应采纳超载预压的方法只管即便使沉降达到1.2～1.9 m, 使得在衬砌构造施工之前只管即便完成施工期沉降，从而减小工后沉降。

根据已有文献[3]的结论：填石路基能够在80 d韶光内完成自重应力状态下由于颗粒棱角破碎、级配调度引起的沉降，之后沉降明显趋于平稳。
以是，从目前韶光开始，到年底约6个多月的韶光，自然倾倒添补的洞渣能够完成该部分沉降，然后进入工后沉降蠕变期。
但是，该结论是来源于文献资料。
由于实际情形的繁芜性，该结论的通用性有待验证，应严密监控隧道支护施工之前的沉降变形趋势，待施工期沉降趋于稳定后，方可施工支护构造。

3.2工后沉降打算

工后沉降紧张为由于后期施工的衬砌支护自重和运营过程中的车辆荷载浸染所产生的沉降。
初步估算，拱圈的自重为153 kPa, 公路I级车辆荷载为10.5 kPa, 故运营阶段施加荷载为163.5 kPa。

根据地勘资料，莲花山隧道灰岩饱和单轴抗压强度为45 MPa, 经由施工期沉降的完成，此时洞渣块石之间呈骨架状支撑连接，且骨架颗粒之间经由施工期沉降已趋于相对稳定状态，发生颗粒间相对滑动或颗粒破碎情形较少，可忽略不计。
由此，结合类似材料的力学参数履历取值及干系文献资料[4],近似推测洞渣堆积体整体压缩模量为30～40 MPa。

根据以上数据，分别采取以下方法估算工后沉降。

3.2.1理正软件打算

理正打算假设洞渣添补物为水平分布土层，由支护机构自重+车辆荷载引起的工后沉降为62～99 mm。
理正软件采取的是半无限均质连续介质弹性理论打算土中应力(布斯耐斯克解),《建筑地基根本设计规范》(GB 50007-2011)打算事理同理正软件打算事理一样。
但是，本案例由于地基土并非水平均匀分布，使得该打算结果偏小。

3.2.2有限元打算

选取K120+770断面进行打算。
该断面最大填高为31 m, 经打算，最大工后沉降为91～120 mm。
有限元中应力打算采取有限单元法打算，边界条件与实际符合，打算结果比解析解相瞄准确，沉降打算较为合理。
见图2、图3。

图2 压缩模量为40 MPa时的位移打算云图

图3 压缩模量为30 MPa时的位移打算云图

3.2.3日本和德国的履历公式打算

日本和德国对此类填方用如下履历公式[5]打算工后沉降：

s=h23000s=h23000

式中：s为工后沉降；h为填土高度。

本案例最大填高为31 m, 代入上式打算得s=320 mm。
该打算结果不依赖于填料的详细力学参数，为履历总结公式。
且针对一样平常填料，本案例为块石填料，若前期沉降充分，工后沉降会小于320 mm。

3.2.4我国铁路行业履历打算

根据文献资料[5]显示，我国铁路行业对路基的工后沉降有如下履历取值：路基的压密下沉在通车后的1～1.5年即可趋于稳定，路基填土的压密下沉大约为路基填筑高度的0.1%～3%。
按照该条履历总结，本案例在通车1～1.5年后，工后沉降在31 mm～930 mm之间。

4 打算结果汇总

施工期沉降紧张为洞渣块石间相互错动，块石棱角挤压破碎，小颗粒添补于孔隙中，整体表现为沉降。
在物理指标上，该过程表现为洞渣块石颗粒添补物孔隙比由大到小的变革。
根据确定的初始孔隙比和终极孔隙比，确定沉降打算值，打算结果为1.2～1.9 m。

工后沉降打算中，由于隧道洞渣缺少干系力学参数试验，工程性子不明，沉降机理繁芜，且目前规范无堆石料沉降打算方法的规定，本案例打算只能通过类似工程类比的方法对参数及沉降规模大致进行估算。
各种方法的打算结果如表2所示。
本打算仅作为参考，后期应加强洞渣添补物沉降监测，验证上述打算的合理性。

表2 各种打算方法工后沉降打算结果

打算方法

工后沉降打算值(31 m填高断面打算)/mm

备注

理正软件打算(采取规范打算事理)

62～99

有限元法(Plaxis)

91～120

日本和德国履历公式

320

填料为土颗粒，结果偏大

我国铁路行业履历值

31～930

填料为土颗粒，结果偏大

200 m高堆石坝履历

217～527

高度200 m有压碎效应，侧边无约束，结果偏大

关于沉降与韶光的关系，根据已有文献资料[3]的研究成果，本案例预测沉降～韶光变革趋势如图4所示：施工期沉降约2 m旁边，在洞渣添补完毕后5个月韶光内(文献[3]中为80 d, 鉴于文献为分层压实的填石路基，而本案例为疏松洞渣，故将该韶光适当延长；文献[7]提出黄土高填路基须要至少6个月韶光沉降才会完备稳定下来),施工期沉降会全部完成，洞渣块石颗粒达到相对稳定的状态，孔隙比达到自然添补状态下的最小值；此后，进入工后沉降期，隧道运营后2年内(文献[5]中为1～1.5年。
但文献为一样平常路基填料，本案例为块石填料，需相对延长该韶光),工后沉降达到约7 cm; 此后，沉降变革更缓。

5 干系案例

文献[6]案例：福建省夏沙高速A3标段，工点桩号为K129+340～K129+400,填石路堤，高度16 m, 分层压实，基底为强风化炭质粉砂岩，基底沉降靠近为0,路堤顶面工后沉降实测值为122 mm, 历时8个月，之后沉降趋于稳定。

图4 该隧道溶洞添补物沉降～韶光关系预测

文献[1]案例：采取有限元方法对岩溶填石路基进行了工后沉降打算，回填高度为30 m时，工后沉降打算值为28.92 mm; 并提出填石路堤工后沉降值为路堤高度的0.1%(本打算也采取了有限元打算方法，打算值为91～120 mm, 紧张是由于采取的弹性模量值不同、本构模型不同所致)。

文献[3]案例：湖南常张高速K85+480～K85+850段填石路基，填筑高度为8～10 m, 填筑完成后监测沉降变革趋势，80 d时沉降量达到95 mm, 之后沉降趋于平缓。

文献[3]案例：广西寨任二级公路K42+540～K42+620路段填石路基，最大填筑高度为38 m, 80 d时沉降达到最大值180 mm, 之后趋于平缓。

文献[4]案例：该案例以200 m高堆石料坝体沉降值为研究工具，实测值中天生桥一级坝沉降347 cm, 洪家渡坝沉降142 cm, 三板溪坝沉降156 cm, 水布垭坝沉降244 cm, 统计得工后沉降为坝高的0.7%～1.7%(该案例研究工具为200 m高坝，坝体内自重应力较大，颗粒破碎导致的工后沉降明显。
而本案例最大填高为31 m, 自重应力较小，颗粒破碎征象在运营期险些没有，且溶洞底部和周边为硬质岩约束，故本案例的工后沉降打算值不能大略套用上述打算值按比例推算，实际会小于上述按比例推算)。

文献[8]案例：30～32.5 m填高的填石路堤，施工期沉降为166.4 mm～235.1 mm, 工后沉降为7.77 mm～147.2 mm。

文献[9]案例：广西某公路高填石路堤，填筑高度为34 m, 工后沉降最大值为23 mm, 且在700 d后趋于稳定。

6 结语

(1)洞渣体应采纳超载预压方法，尽快完成施工期沉降。
该类沉降值紧张发生在施工过程。
衬砌施工前，应严密监测数据变革趋势，待沉降稳定后方可施工。

(2)若施工期沉降完成充分，工后沉降会较小，约10 cm旁边，且紧张沉降量剖析会在80 d内完成，剩余沉降估量运营2年后会趋于稳定。
但不用除涌现较大工后沉降的可能性，以是运营期应严密监控，并提前做好应急预案。

(3)由于溶洞不规则，洞渣添补高度也不规则，存在纵向和横向不屈均沉降，对衬砌影响较大，衬砌构造设计建议充分考虑该不屈均沉降产生的影响。

(4)根据碎石层折衷变形能力试验，5 m厚的碎石层可以折衷50 cm的凹陷变形。
顶部碎石层翻挖碾压时增设刚性板，可以折衷下部不屈均沉降，以减少对衬砌构造的影响。

参考文献

[1] 余涛.岩溶隧道内填石路基沉降规律及其影响剖析[D].长沙理工大学，2015.

[2] 李琰庆.导水裂痕带高度估量方法研究及运用[D].西安科技大学，2007.

[3] 赵明华，吴建宁，陈昌富，等.基于龚帕斯成长曲线的高填石路堤沉降规律剖析[J].中国岩溶，2005,(2):115-118.

[4] 王峰.考虑颗粒破碎的堆石料级配蜕变和变形特性研究[D].大连理工大学，2018.