土質隧洞長期浸水圍巖參數及襯砌受力研究

汪啟龍 張衛東 李寧

摘 要：地下水位以下土質隧洞圍巖穩定性評價是關系到施工安全的重要問題。對于地下水位以下土質隧洞，一般均采取緊跟掌子面的支護方式，采用洞內抽水及井點降水措施。遇到抽水不當或長期停工時，隧洞完全浸泡，洞周圍巖物理力學參數及支護結構內力發生變化。針對此問題，建立數值模型，該文通過隧洞浸水前后監測變形值反演圍巖參數，利用巖土工程軟件FINAL進行襯砌受力分析。

關鍵詞：土質隧洞 浸泡 數值模型 圍巖參數 襯砌內力

中圖分類號：TV672.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0032-03

水工隧洞與其它建筑物和構筑物不同，建設要想安全、經濟的運行，除了要考慮圍巖變形和穩定等一般性問題之外，還要特別考慮水的滲流問題，滲流問題是工程設計、施工及運行管理中的重要問題，所以，重視由滲透引起的隧洞的穩定性及安全問題是十分必要的。在隧洞工程中，圍巖的穩定性與隧洞的所處地質環境及隧洞建設，包括開挖方法、支護形式、襯砌結構類型、隧洞位置、施工管理等息息相關[1]。在隧道工程施工過程中所進行的圍巖變形監測，可以有效地獲得圍巖穩定性控制所需的關鍵性宏觀信息[2]。對監測的圍巖位移進行科學地預測預報，不僅是隧道工程最大限度地實現安全性和經濟性統一的關鍵，也是進一步對圍巖穩定性進行數值計算和反演分析的基礎[3]。數值分析方法在巖土工程中的廣泛使用，其計算參數的不易確定性、新奧法施工技術的應用及對其量測位移的重視是其產生的三大背景條件[4]。謝興華等用有限元方法研究了單孔洞隧道周圍水頭場以及襯砌內排水孔的布置方案對滲流場的影響[5]。

巖土體及支護系統長時間在水的浸泡下一方面使得巖土體及支護系統強度進一步惡化，同時，降低了土體顆粒間的摩擦系數和粘聚力；另一方面在土體內部形成穩定滲流通道，在圍巖內產生了指向洞內的滲透動水壓力，因此，隧洞浸泡前后的圍巖穩定性評價，特別是浸泡后圍巖穩定性更是直接關系著施工的安全順利進行，對于工程安全有效實施具有重要的意義。

1 工程實例及思路

1.1 工程實例

輸水工程位于庫爾勒市孔雀河流域境內，通過輸水管道和輸水隧洞，為市經濟技術開發區供水，全長13.7 km。隧洞全長9.221 km（包括10 m的明洞段），其中隧洞土洞段樁號1+130～4+085，縱坡為1/500、斷面形式為：馬蹄形斷面3 m×3 m，巖性為低液限粉（粘）土層及第四系含土碎石、含礫砂層，同時具有較高的地下水位，施工期隧洞成洞條件差。土洞段（樁號1+120 m至4+085 m）共計5個工作斷面，進口段（樁號1+130 m），1#豎井（樁號2+220 m）上下游洞段以及2#豎井（樁號3+240 m）上下游洞段。該工程2010年開始施工，2011年9月28日停工，2011年11月15日停止抽水，造成地下水淹沒全洞段，2012年3月13日將洞內地下水抽干。

1.2 研究思路

該文根據輸水隧洞因停工造成洞體及一次支護完全浸泡前隧洞正常開挖過程中的監測變形數據（包括丟失變形數據），反演洞周土體的物理力學參數；根據浸水后隧洞的變形數據，反演長期飽水條件下土體力學參數；根據隧洞浸水情況將隧洞分為長期浸水段進行數值模擬。考慮長期浸水條件下隧洞由于土體飽和、洞周土體濕化、水化以及滲透動水壓力影響下的運行期襯砌的受力狀態及安全性態，研究設計厚度襯砌受力；土體長期流變荷載下的不同厚度襯砌結構受力分析。

2 模型及監測數據

2.1 計算模型

分析中將巖土體視為彈塑性介質，采用Mohr-Coulomb屈服準則判斷圍巖在開挖過中的塑性屈服狀態；混凝土噴層、襯砌采用BEAM6曲梁單元模擬，采用彈性本構模型；錨桿采用BOLT桿單元模擬，按彈性考慮；有限單元網格見圖1所示。

2.2 監測數據

根據在進口段1+331.0斷面、1#井2+144.7斷面、2#井3+334.0斷面多組數據，對該斷面處的土體進行了仿真反演分析。浸水前后變形收斂值見表1所示，變形監測曲線圖如圖2、圖3、圖4所示。

3 計算結果

計算結果見表2所示。

4 結論

（1）進口洞段，圍巖類別為低液限粉土。累計變形量為3.52 mm，支護結構最大拉應力為0.4 MPa，最大壓應力為6.0 MPa；正常飽水狀態下，監測斷面距掌子面1.5倍洞徑時變形趨于穩定。變形和受力分析后，隧洞整體處于穩定狀態。

（2）#豎井洞段，圍巖類別為粉土質砂。累計變形量為12.47 mm，由于滲水嚴重，支護結構最大拉應力為0.7 MPa，最大壓應力為9.0 MPa；正常飽水狀態下，監測斷面距掌子面1.2倍洞徑時變形趨于穩定；不同埋深不同對粉土質砂洞段變形量影響不明顯。變形和受力分析后，隧洞整體處于穩定狀態，由于滲水嚴重，仍對洞周土體的整體穩定性有較大影響，建議做好降排水及二次襯砌支護措施。

（3）#豎井洞段，圍巖類別為粉細砂。累計變形量為47.95 mm，由于滲水嚴重，支護結構最大拉應力為1.1 MPa，最大壓應力為11.9 MPa，飽水狀態下，監測斷面距掌子面2.5倍洞徑時拱頂及邊墻變形趨于穩定，不同開挖斷面拱頂變形變化差異較大，邊墻變形穩定相對滯后。變形和受力分析后，該洞段變形不穩定，支護結構受力較大，局部洞段已處于失穩臨界狀態，須及時采取加強支護及二次襯砌施做等措施以保證工程安全。

參考文獻

[1] 關寶樹.隧洞工程設計[M].北京：人民交通出版社，2003：8-58.

[2] 劉懷恒，熊順成.隧洞襯砌變形監控及安全預測[J].巖石力學與工程學報，1992，19（2）：91-99.

[3] 李曉紅，王宏圖，賈劍青，等.隧道及地下工程圍巖穩定性及可靠性分析的極限位移判別[J].巖土力學，2005（6）：850-854.

[4] 陳方方，李寧，張志強，等.巖土工程反分析方法研究現狀與若干問題探討[J].水利與建筑工程學報，2006（3）：54-58.

[5] 謝興華，盛金昌，速寶玉，等.隧道外水壓力確定的滲流分析方法及排水方案比較[J].巖石力學與工程學報，2002（S2）：2375-2378.