富水區隧道防排水體系數值模擬分析

陳昕 張志強

【摘要】山嶺隧道往往會遇到富水斷層破碎帶。隨著環保意識的增強，保持生態平衡己成為在富水斷層區隧道修建的目標。為了為類似施工提供一定的類比和參考，文章以浦梅鐵路牛峒山隧道為依托，采用Flac3D有限差分模擬軟件，對不同環狀排水盲管間距下隧道的二次襯砌應力、內力以及安全性進行了分析。研究表明：對于富水區隧道而言，環狀盲管的不同布置方式主要影響二次襯砌的應力大小，而對結構的內力、安全性影響不大。

【關鍵詞】富水區; 隧道防排水; 環向盲管; 襯砌內力; 安全性

【中國分類號】U453.6【文獻標志碼】A

巖土工程與地下工程

我國西部和南部有較大面積處于熱帶季風或亞熱帶季風氣候，雨量豐沛、地下水系發達。因此在這個地區，修建深埋長大山嶺隧道不可避免地會穿越高壓富水地區，而現今對水環境生態平衡要求較高，地下水問題尤其高壓富水問題是建設過程中必然要面對的問題[1-2]。

本文以位于浦梅鐵路牛峒山隧道為研究對象，對不同環向盲管間距下隧道的襯砌結構應力、內力等進行分析，研究高地下水位情況下防排水系統的布置對圍巖和支護結構的影響，以為類似隧道建設提供一定的理論支持和技術保障。

1 工程概況

牛峒山隧道位于浦梅鐵路楊源站至連城站區間內，隧址附近的主要水源為一條中型河流，平水期日流量81 200 m3，洞身分布有三個水庫，水質具酸性侵蝕。隧道界限寬度7.95 m，隧道進口、出口洞口段圍巖極破碎，遇水易軟化，圍巖級別V級，隧道在斷層破碎帶及軟弱破碎圍巖段落，易發生涌水、坍塌、圍巖大變形等地質災害。

2 數值計算模型及參數

根據牛峒山隧道施工圖的實際地形圖，在綜合分析隧道和地質資料基礎上，選取最不利工況建立數值分析模型。隧址區域附近，主要為Ⅴ級圍巖，擬采用彈塑性材料模擬，本構準則選取Mohr-Coulomb準則，不考慮初期支護和二次襯砌的塑性，采用彈性材料模擬，其中二次襯砌視為不透水材料。建立數值模型如圖1所示，水頭位于隧道拱頂上方60 m處，除上邊界外，其余各邊界均施加靜力場法相約束和滲流場自由約束。

借鑒過往研究經驗中關于襯砌外排水系統中環向盲管的設置[3]，并結合牛峒山隧道工程實際，決定將環向盲管間距設置為：5 m，7 m，9 m，12 m和15 m，以研究盲管間距對襯砌水壓力的影響。模擬排水的方式，一方面是采取將排水管區域置空的方式移除單元以模擬排水管的空洞，另一方面則是將排水管表面的靜水壓力固定為零，使得地下水可以源源不斷地滲出[4]。

3 結果分析

3.1 豎向應力

如圖2所示，豎向應力方面，二次襯砌均承受壓應力，壓應力主要集中在拱頂附近，仰拱處次之，最大分別達到了4.63 MPa和4.06 MPa。而拱腰處最小，幾組工況應力值在0.2 MPa附近，二者大小相差約20倍。仰拱和拱頂處應力隨環向排水盲管間距的擴大而減小，并在間距達到9 m之后趨于穩定。拱腳處的豎向應力則呈現出先增大后減小的特點，最小出現在環向盲管間距9 m時，大小僅0.58 MPa，而拱腰處的豎向應力則基本不發生變化，說明環向盲管的布置間距對該處豎向應力影響不大。

3.2 水平應力

五種工況下水平方向應力值云圖和不同位置變化趨勢如圖3所示。總體而言，二次襯砌的水平應力受環向排水盲管間距變化較小，仰拱和拱腳處的最大值、最小值之差不超過20 %，并且絕對值很小，其中仰拱處受拉。拱肩和拱腳處的水平應力值變化趨勢相仿，最大值都在3.2 MPa左右、最小值都在2.5 MPa左右。與豎向應力分布恰好相反，拱腰處的水平應力在所有位置中最大，約為4.6～5.5 MPa，且隨環向盲管間距的增大逐漸降低。

3.3 二次襯砌內力分析

地下水荷載對于富水地區隧道襯砌結構來說，是必須要重點考慮的荷載，其嚴重影響襯砌結構的受力特征[5]。襯砌的承載能力直接關系到運營期間的襯砌安全性。選取模型內部位置作為參考點，得到隧道各監測點內力計算結果如表2和表3所示。

分析圖4可知，隧道不同位置的內力值相差較大。彎矩方面，二次襯砌整體并未出現負彎矩，最大彎矩值出現在仰拱處，達到了160 kN·m左右，拱腳處次之，也達到了120 kN·m，其余位置分別達到40～80 kN·m左右。整個二次襯砌均受壓，拱腳處的軸向內力大小為2 600～2 800 kN，較之拱頂、仰拱、拱腰、拱肩處較大，約為它們的3～18倍。綜合圖5來看，這是由于拱腳處屬于環、縱排水盲管的交匯區域，地下水壓力相對較小，導致該處承受的有效應力增大所致。

由圖4可知，總體而言，內力大小隨環向盲管的間距的增加而降低，拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和仰拱各自的彎矩大小隨盲管間距的增大，其縮小幅度約為14.6 %、11.8 %、4.8 %、3.6 %、6.0 %，軸力大小縮減幅度約為6.0 %、5.1 %、4.2 %、7.7 %、12.5 %。因此，基本可以判斷環向盲管間距對二次襯砌內力影響較小，可視作影響結構內力和判斷結構安全性的較為次要的因素。

4 結論

本文主要對富水地區隧道在不同排水管布置情況下，襯砌的力學行為進行研究，通過分析不同環向盲管間距下隧道的襯砌結構應力、內力的變化或分布規律，得出如下結論：

（1）不論環向盲管如何布置，襯砌結構多數情況下始終處于受壓狀態。二次襯砌的豎向應力隨環狀盲管間距的擴大而減小，最大的降幅達到了52 %，最大應力出現在拱頂處，大小約4.4 MPa。水平應力也隨間距擴大而減小，但其受間距的影響不如豎向應力。

（2）二次襯砌內力方面，仰拱處的彎矩值最大，拱肩處最小，二者差距約為3～4倍。軸力值僅有拱腳處最大，其余部位均比較小，原因是因為拱腳處為排水盲管密集處，水壓力較低，造成襯砌承受的有限壓力變大。

（3）總體而言，環向排水盲管間距對二次襯砌的內力值影響較小，各個間距間彎矩、軸力值差距不超過15 %，因此可以判斷各工況下安全系數相差不大，即安全性和環向排水盲管間距基本無關。

參考文獻

[1] 藍蕾蕾.隧道富水區防排水處理及斷層破碎帶開挖方法[D].成都：西南交通大學，2012.

[2] 趙啟超. 高壓富水區大斷面公路隧道襯砌結構受力特征及防排水技術研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[3] 王秀英，譚忠盛，王夢恕，等.廈門海底隧道結構防排水原則研究[J].巖石力學與工程學報，2007（S2）：3810-3815.

[4] 陶偉明.“以堵為主，限量排放”隧道防排水原則的理論基礎及其工程實踐[J].鐵道標準設計，2006（9）：78-82.

[5] 譚忠盛，曾超，李健，等.海底隧道支護結構受力特征的模型試驗研究[J].土木工程學報，2011，44（11）：99-105.

[6] DING Hao; JIANG Shuping; LI Yong.Study on waterproof and drainage techniques of tunnels based on controlling drainage[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007（9）：1398-1403.