外水壓力對渭河隧道下穿河谷段襯砌結構的影響研究

王玉鎖，楊 超，曾宏飛，唐建輝

(西南交通大學，四川成都 610031)

隨著我國鐵路建設的發展及路網的完善，需要在地下水豐富的地區修建長大隧道。作用在襯砌的外水壓力的大小和分布規律在隧道的設計、施工及運營中是值得研究的問題。目前國內外已經有了一些關于隧道襯砌外水壓力的研究成果。Harr(1962)基于鏡像法和疊加原理求得了隧道圍巖孔隙水壓力分布［1］;Bouvard和Pioto(1969)假設隧道周圍鏡像流動，提出了滲流計算公式［2］。此外，根據無限含水層中井的理論，王建宇［3］、王秀英等［4］推導出隧道中無內水壓力時地下水排放量和支護結構外水壓力及注漿圈外水壓力的計算公式。但是到目前為止，國內還沒有一套完整、系統的隧道外水壓力的計算方法。鐵路隧道規范［5］對外水荷載的處理與公路隧道規范［6］基本相似，也沒有明確方法。目前，交通隧道的外水壓力主要采用全水荷載或參照水工隧道設計規范［7］和經驗計算方法［2］。考慮全水荷載雖然偏于安全，但是過于保守，導致設計不合理［8］。水電部門對隧洞襯砌結構外水荷載研究得比較全面，提出了外水荷載折減系數β值［7］。但由于水電部門隧洞主要是有壓過水隧洞，加之其自身的特殊性，能否將水工隧洞的外水壓力參考值運用于鐵路隧道值得研究［8］。對此，本文以渭河隧道下穿河谷段為工程背景，應用有限差分法［9］進行數值模擬，得出考慮外水壓力時襯砌設計應采用的折減系數。同時，進行了與不考慮外水壓力條件下隧道結構受力的對比分析，得出了外水壓力對隧道襯砌結構受力的影響，可為類似工程設計及施工提供參考。

1 工程概況

寶蘭客運專線渭河隧道位于天水市花牛鎮及南河川鄉。隧道起訖里程DK770+28.0—DK780+40.7，全長10 012.7 m，隧道最大埋深350 m。該隧道下穿籍河段位于天水市規劃區。本次研究的隧道下穿河谷段里程為DK772+650—DK776+050，Ⅴ級圍巖。隧道洞身基本位于第四系全新統沖洪積砂礫石層中。隧道在穿過籍河河谷區時，洞身位于第四系全新統細、粗圓礫土下部泥巖弱風化層中。泥巖成分以黏土礦物為主，泥質結構，層狀構造，節理裂隙發育，成巖作用差，巖質較軟弱。第四系含水層厚度較大，水量較豐富，對下部泥巖強風化層有一定的補給，但對強風化層下部弱風化層補給相對較弱。洞頂距泥巖強風化層底部約1.2～20.0 m，受施工開挖影響局部可能產生突、涌水、滲漏水。

2 計算模型與計算參數

本次數值模擬計算采用 FLAC3D中流體和固體的完全耦合模式，既考慮了孔隙水壓力的改變導致有效應力的改變，又考慮了土體中的流體對孔隙體積的變化產生反作用。FLAC3D的數值方法是基于流體連續性的節點有限差分方程，滲流區域離散為由8節點定義的磚塊狀的zone。孔隙壓力和飽和度設定為節點變量，每個zone可以劃分為5個四面體，四面體中的孔隙水壓力和飽和度假定為線性變化。該方程可以與導致牛頓定律節點形式的固體力學常應力方程并行計算［9］。流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒(骨架)的壓縮程度，本次數值模擬用Biot模量表示顆粒的可壓縮程度。FLAC3D在滲流模式下提供了多種邊界條件，常用的為透水邊界和不透水邊界。本次選擇的邊界條件為默認的不透水邊界，即所有的節點上流體可以流動，邊界的孔隙水壓力可以自由變化。采用FLAC 3D軟件作流固耦合計算分析的步驟:①建立有限差分網絡;②選定本構特性與材料性質;③確定邊界條件與初始條件;④求解。

考慮水壓力和滲流的影響，河流水位取百年洪水位13 m，隧道采用復合式襯砌，見圖1，支護參數見表1。

圖1 支護結構(單位:cm)

表1 隧道結構支護參數

建立考慮水荷載的流固耦合結構模型，見圖2。施工段采用三臺階開挖法(設臨時仰拱)［10］，見圖3。隧道埋深為38 m，計算范圍為160 m×125 m×1 m(寬×高×長)，整個模型共劃分了8 304個單元，16 930個節點。Ⅴ級圍巖參數根據工程勘察資料結合相關規范選取;錨桿、鋼架參數按照等效剛度原則進行折減［10］;滲流參數(孔隙率、滲透率、Biot模量)按照現場勘測資料和相關研究成果選取［11］。數值分析所需物理力學參數見表2。為便于分析，對不考慮水荷載的情況也進行了分析。不考慮水荷載的結構模型斷面形式、施工步驟等均與考慮水荷載的結構模型相同。內力監控點布置見圖4。

圖2 數值模型

圖3 三臺階施工開挖模型

圖4 襯砌內力監控點布置

表2 物理力學參數

3 計算結果分析

3.1 不考慮水荷載與考慮水荷載內力計算結果對比

將不考慮水荷載與考慮水荷載的數值模擬分析得到的支護結構(初期支護)軸力、彎矩及安全系數等進行對比，見圖5～圖7。

圖5 初支軸力對比

圖6 初支彎矩對比

圖7 初支安全系數對比

由圖5可以看出，考慮最不利水荷載(百年洪水位13 m)與不考慮水荷載的結構模型相比，軸力顯著增大，拱底處軸力增大約18倍。

由圖6可以看出，考慮最不利水荷載與不考慮水荷載相比，彎矩有較大幅度的增大，且分布形態不盡相同(彎矩符號發生變化)。

由圖7可以看出，考慮最不利水荷載時初支安全系數顯著降低，但均＞1，說明所受荷載應力未超出初支結構材料允許強度值。

3.2 考慮水荷載流固耦合模型水壓力折減系數分析

3.2.1 外水壓力計算結果分析

流固耦合模型孔隙水壓力計算云圖見圖8。

圖8 孔隙水壓力(單位:Pa)

由圖8可以看出，考慮滲流的隧道模型未開挖前，孔隙水壓力呈水平分布。隧道開挖后，隧道周邊圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內滲透，這樣在隧道周邊由于孔隙水壓力差的作用，造成滲流場的改變，最終形成一個以隧道開挖區域為中心的類似于滲水漏斗狀的滲流場。

3.2.2 折減系數分析

根據數值模擬結果，得到隧道中心線的襯砌外緣的孔隙水壓力水頭為37.0 m，隧洞中心線的靜水壓力水頭為49.3 m，由此得到折減系數

式中:Pi為隧道中心線襯砌外緣的孔隙水壓力水頭，m;P0為隧洞中心線的靜水壓力水頭，m。

本文所研究的襯砌防排水設計方案及地層特征與《水工隧洞設計規范》外水荷載折減系數值建議表［7］的第4等級“嚴重股狀流水，沿軟弱結構面有小量涌水。沖刷結構面充填物質，加速巖體風化，地下水對斷層等軟弱帶軟化泥化，并使其膨脹崩解，以及產生機械管涌;有滲透壓力，能鼓開較薄的軟弱層”的工況相似，規范中推薦的折減系數為0.4～0.8，而鐵路隧道相關研究成果［2］按照類比法推薦系數為0.7～0.8。可見本次計算得到的折減系數與已有研究結果接近。

4 結論

本文通過對不考慮水荷載與考慮水荷載情況下隧道支護結構受力的對比分析，得出如下結論:

1)考慮水荷載的計算模型在開挖后，洞室周圍層狀分布的水壓力云圖受到明顯影響，在施工時可能會發生較大的滲水現象。與完全不考慮水荷載的計算模型相比，考慮水荷載的計算模型初支所承受的軸力和彎矩都明顯增大，軸力和彎矩的分布不盡相同，因此在進行隧道結構設計時，應充分考慮外水荷載對結構內力的影響。

2)通過對渭河隧道支護結構的流固耦合數值分析，得出作用在隧洞中心線襯砌外緣水壓力折減系數為0.74，在水工隧洞推薦的折減系數取值范圍內。說明水工隧洞折減系數對于交通隧道具有參考價值。

本文應用FLAC3D軟件進行流固耦合數值計算的結果可供設計和施工單位參考，但由于隧道襯砌外水壓力是由工程區域巖體的水文地質特征、水流系統、巖體的滲透系數、注漿堵水工程措施等因素共同作用的結果，如何考慮各種因素的綜合作用和各因素間的權重關系得到一套完整、系統的外水壓力計算方法還有待進一步深入研究。

［1］黃濤，楊立中.山區隧道涌水量計算中的雙場藕合作用研究［M］.成都:西南交通大學出版社，2002.

［2］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.

［3］王建宇.再談隧道襯砌水壓力［J］.現代隧道技術，2003(3):5-9.

［4〕王秀英，王夢恕，張彌.山嶺隧道堵水限排襯砌外水壓力研究［J］.巖土工程學報，2005，27(1):125-127.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］中華人民共和國水利部.DL/T 5195—2004 水工隧洞設計規范［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［8］王建宇.對隧道工程技術若干問題的質疑［J］.現代隧道技術，2002(增):11-17.

［9］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［10］朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［11］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.渭河隧道工程地質勘察報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.