山嶺隧道水壓力分布對圍巖穩定性及結構受力影響研究

高新強，劉志春，韓現民

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

山嶺隧道水壓力分布對圍巖穩定性及結構受力影響研究

高新強，劉志春，韓現民

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

采用平面有限元數值模型分析透水襯砌、排水系統和墻腳排水3種排水形式下，無水壓、襯砌水壓力在均布和非均布時蛋形斷面和圓形斷面山嶺隧道圍巖的穩定性及結構受力特征。研究了襯砌水壓力不同分布對隧道位移、塑性區和結構受力的影響規律，并對襯砌水壓均布與非均布的結果進行了對比分析。分析結果表明:水壓力的存在使隧道位移、塑性區范圍和塑性應變最大值顯著增加，對圍巖的穩定性不利，特別是對結構受力的影響更加顯著。水壓力較大時，從圍巖穩定性和結構受力來講采用圓形斷面優于蛋形斷面。水壓力不均勻分布時對圍巖穩定性和結構受力均產生不利影響。

山嶺隧道 均布水壓 非均布水壓 圍巖穩定性 結構受力

國內外隧道工程中由于地下水的涌出和水壓力對圍巖穩定性和結構產生破壞性影響的實例屢見不鮮。如圓梁山隧道[1]過高的水頭壓力和大量涌水直接威脅施工人員、設備的安全及隧道襯砌結構的可靠性，施工進入高壓富水區段時，遭遇了多次突發性、大規模的高壓涌(突)水、突泥(含泥量達到50%以上)。日本東海道干線舊丹那隧道[2](長7.84 km)，最大的一次斷層涌(突)水量達2.85×105m3/d，水壓高達1.4～4.2 MPa。隧道的涌水、突泥嚴重影響了施工進度和周圍環境。部分隧道運營后由于高水壓而導致襯砌開裂破壞[3]。因此，高水壓富水區隧道圍巖的穩定性、地下涌(突)水和襯砌水壓力是關系到高水壓富水區隧道能否修建成功的關鍵。

1 工程背景

以渝(重慶)懷(懷化)鐵路圓梁山深埋特長隧道毛壩向斜段為工程背景，隧道總長11.068 km，隧道最大埋深為780 m。隧道地質條件異常復雜，主要地質構造為毛壩向斜和桐麻嶺背斜及其伴生或次生斷裂等構造。高水壓力問題是該隧道遇到的主要工程地質問題之一[4]。隧道毛壩向斜段屬于高水壓富水區，水頭高度為450 m，靜止水壓為4.5 MPa。研究分析注漿圈和襯砌上水壓力的大小及分布對隧道圍巖穩定性和襯砌結構受力的影響及其規律，對高水壓富水區隧道的設計和施工具有重要的應用價值。

2 水壓力確定方法

2.1 水從襯砌滲流進隧道時

將作用在襯砌內的水荷載等效成作用在襯砌外表面的水壓力荷載。由圖1可以得到作用在襯砌外表面的等效水壓力荷載Fl為

式中，r1為襯砌內半徑;rl為襯砌外半徑;Pl為襯砌背后水壓力;P1為襯砌內表面水壓力(鐵路、公路隧道取0，水工引水隧道取內水壓力)。

將作用在注漿圈內的水荷載等效為作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載，由圖1可以得到作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載Fg為

圖1 水壓力荷載計算圖示

式中，rg為注漿圈半徑;Pg為注漿圈外表面水壓力。

2.2 水通過襯砌背后的排水系統排出時

Pl值采用模型試驗[1]的結果。

作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載采仍用式(2)計算。

當襯砌斷面為蛋形時，采用等效半徑進行近似計算。

3 計算工況

根據水壓力作用系數、隧道模擬排水形式、隧道控制排水量、襯砌斷面形式進行組合，分7種工況計算，工況的劃分見表1。工況3，工況6分別為蛋形斷面和圓形斷面無水時的情況，用于計算結果的比較分析。

圓梁山隧道高水壓段采用3～8 m的注漿圈堵水，注漿的主要目的是減小注漿圈內圍巖的滲透系數。以注漿圈厚度5 m為例進行計算分析，其他注漿圈厚度可參照此方法進行[5]。

作用在注漿圈外表面和襯砌外表面的等效水壓力荷載見表1[1]。表中，工況7襯砌上等效水壓力荷載為平均值，參照試驗得出的水壓力施加[1]，如圖2所示。其余等效水壓力荷載在斷面上按均勻分布施加。

圖2 工況7襯砌外表面施加的水壓力分布(單位:MPa)

表1 平面有限元計算工況及等效水壓力荷載取值

4 計算模型和計算參數

有限元計算分析采用大型商用有限元軟件ANSYS進行，分析模型采用彈塑性平面應變模型，圍巖(包括注漿圈部分)采用彈塑性材料模擬，屈服準則采用Drucker-Prager準則，襯砌采用彈性梁單元進行模擬。有限元分析模型和網格劃分如圖3所示。根據圓梁山隧道工程地質勘測報告[4]和鐵路隧道設計規范[6]，隧道圍巖主要為Ⅱ級圍巖(灰巖為主)，因地下水豐富，地下水會降低圍巖的黏聚力、內摩擦角和彈性模量，因此黏聚力、內摩擦角和彈性模量按圍巖穩定性低一級即Ⅲ級圍巖選取。隧道襯砌結構按設計的C40鋼筋混凝土(蛋形斷面)，C30-X型鋼混凝土(圓形斷面)參數選取。注漿圈的計算參數通過提高(提高10%)圍巖的變形模量E值來模擬，注漿圈的黏聚力和內摩擦角分別采用1.2 MPa和45°，注漿圈厚度為5 m。具體計算參數見表2。

圖3 有限元分析模型和網格劃分

表2 圍巖和襯砌計算參數

邊界條件:模型下邊界上施加法向位移約束(Y方向位移等于0)，下邊界中間點約束X方向位移。左右邊界和上邊界按地質勘查報告分別施加14.45 MPa，15.78 MPa初始地應力。

隧道開挖方式為全斷面開挖，開挖模擬是通過殺死開挖部分的單元實現的，即把死單元相關的剛度和荷載變為一小值(如1×10-6)。襯砌施作通過激活單元和改變材料屬性來實現，水壓力按等效節點荷載大小施加在襯砌和注漿圈周邊節點上。

5 計算結果與分析

工況1～工況7隧道位移、塑性應變最大值見表3，襯砌內力最大值見表4。

表3 各工況下隧道位移、塑性應變最大值

表4 各工況下襯砌內力最大值

5.1 有水壓與無水壓時的比較

采用蛋形斷面時，有無水壓隧道的位移和襯砌內力分布形狀相似、最大值位置相同，只是數值不同。以工況3(無水壓)為基準，將工況1(透水襯砌)和工況2(排水系統)與工況3比較，結果見表5。

采用圓形斷面時，有無水壓隧道的位移和襯砌內力分布形狀相似、最大值位置相同，只是數值不同。以工況6(無水壓)為基準，將工況4(透水襯砌)、工況5(排水系統)和工況7(墻腳排水)與工況6比較，結果見表6。

表5 蛋形斷面有水壓與無水壓比較結果

表6 圓形斷面有水壓與無水壓比較結果

由表5和表6可以看出:水壓力的存在使隧道位移增加，塑性區加大，對隧道的穩定性是不利的，特別是對結構受力(軸力、彎矩和剪力)的影響更加顯著。

5.2 襯砌滲出與排水系統排出的比較

采用蛋形斷面時，以工況1(透水襯砌)為基準，將工況2(排水系統)與工況1比較;采用圓形斷面時，以工況4(透水襯砌)為基準，將工況5(排水系統)與工況4比較。結果見表7。

表7 襯砌滲出與排水系統排出的比較結果 %

由表7可以看出:水壓力作用系數相同時，地下水從襯砌背后的排水系統排出時，隧道位移、塑性應變、襯砌內力的最大值比從襯砌滲出時要稍大，但增加量非常小，所以得到水壓力作用系數后用兩種情況計算均可。

5.3 蛋形斷面與圓形斷面的比較

水從襯砌滲出時，以工況4(圓形斷面)為基準，將工況1(蛋形斷面)與工況4比較;水通過襯砌背后的排水系統排出時，以工況5(圓形斷面)為基準，將工況2(蛋形斷面)與工況5比較，結果見表8。

表8 蛋形斷面與圓形斷面的比較結果 %

由表8可以看出:水壓力作用系數相同時，蛋形斷面比圓形斷面隧道豎向位移、位移矢量、襯砌軸力最大值有所減小(15% ～40%)，主要是由于采用圓形斷面時為滿足隧道限界要求，開挖斷面積比蛋形斷面積大所致。但是，蛋形斷面比圓形斷面隧道水平方向位移、塑性應變、襯砌彎矩、剪力最大值都要增加，塑性區范圍增大約0.3 m，塑性應變明顯增大，特別是彎矩和剪力增加很顯著。另外，蛋形斷面最大彎矩部位，軸力較小，引起截面偏心矩增大，會對結構受力產生顯著的不利影響。因此水壓力較大時，從圍巖穩定性和結構受力來講采用圓形斷面優于蛋形斷面。

5.4 水壓不均勻分布與均勻分布比較

襯砌背后盲管排水系統局部堵塞后，可能造成襯砌背后水壓力分布不均勻，以工況4(水壓均勻分布)為基準，將工況7(水壓不均勻分布)與工況4比較，結果見表9。

表9 水壓不均勻分布與均勻分布比較結果 %

由表9可以看出:水壓力不均勻分布比均勻分布隧道位移、塑性應變、襯砌內力的最大值都要增加，特別是塑性應變和彎矩的最大值增加很顯著，水壓不均勻分布時塑性區寬度增加約0.1 m。另外，水壓不均勻分布時彎矩最大值位置的軸力還較小，引起截面偏心矩增加，對結構受力不利。因此水壓力不均勻分布時對圍巖穩定性和結構受力均產生不利影響。

6 結論

1)襯砌水壓力的存在使隧道位移增加，塑性區加大，對隧道圍巖的穩定性不利，特別是對結構受力(軸力、彎矩和剪力)影響更加顯著。

2)襯砌水壓力作用系數相同時，地下水通過襯砌背后的排水系統排出時，隧道位移、塑性應變、襯砌內力的最大值比從襯砌滲出時要稍大，但增加量很小，所以得到水壓力作用系數后用兩種情況計算均可。

3)襯砌水壓力較大時，從圍巖穩定性和結構受力來講采用圓形斷面優于蛋形斷面。

4)水壓力不均勻分布時對圍巖穩定性和結構受力均產生不利影響。

5)高水壓隧道襯砌截面上的軸力、彎矩和剪力都很大，因此建議當襯砌上的水壓力＞3.0 MPa時，必須進行排水或增大隧道的控制排水量。

[1]高新強.高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規律研究[D].成都:西南交通大學，2005.

[2]王建秀，朱合華，葉偉民.隧道涌水量預測及工程應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23(7):1150-1153.

[3]代峪.云霧山隧道突泥災害工程地質特征與防治[J].鐵道建筑，2009(10):33-35.

[4]鐵道第二勘測設計院.圓梁山深埋特長隧道工程地質勘測報告[R].成都:鐵道第二勘測設計院，2000.

[5]高新強，仇文革，高楊.山嶺隧道高水壓下襯砌結構平面數值分析[J].巖土力學，2005，26(3):365-369.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2001 鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2001.

U451

A

1003-1995(2012)06-0074-04

2012-01-10;

2012-03-14

鐵道部科技發展計劃項目(2001G009-2);河北省自然科學基金項目(E2010001060);石家莊鐵道大學土木工程學院基金項目(52704706)

高新強(1970— )，男，山東鄒平人，副教授，博士。

(責任審編 葛全紅)