巖溶隧道襯砌疏水型箱式隧底結(jié)構(gòu)研究

卿偉宸，曾宏飛，張志強(qiáng)

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著在巖溶及地下水發(fā)育地區(qū)修建的隧道越來越多，尤其是在西南山區(qū)，諸多長大復(fù)雜巖溶隧道正在修建或已經(jīng)修建[1-2]。由于巖溶及巖溶水的復(fù)雜性及發(fā)育的不規(guī)律性，巖溶地區(qū)隧道建設(shè)、運(yùn)營風(fēng)險高[3-6]。

近年來，由于排水系統(tǒng)堵塞、排水不暢、排水能力不足等原因，特別是暴雨季節(jié)，導(dǎo)致鐵路隧道運(yùn)營期間發(fā)生邊墻開裂、仰拱隆起、無砟道床變形等影響行車安全事故[7-9]。2012年6月15日，黔桂線鄧山隧道D1K125+894左側(cè)水溝底出現(xiàn)涌水、涌砂并進(jìn)入道床，中斷行車3 h43 min；2015年12月，由于連續(xù)降雨，貴廣鐵路胡山隧道出現(xiàn)局部軌道上拱，威脅運(yùn)營安全；2015年6月暴雨后，滬昆線麻拉寨隧道D1K610+390～D1K610+490段仰拱出現(xiàn)翻漿冒泥、軌道板隆起，威脅運(yùn)營安全；2014年6月，廣昆線秀寧隧道DK997+300～DK997+580段二襯施工縫滲漏水、局部地下水沿施工縫射出(黃色泥漿水)，引起地表塌陷，威脅運(yùn)營安全[10]；2017年6月30日暴雨后，滬昆線白巖腳隧道左側(cè)側(cè)溝施工縫處大量水流涌出，高度約2.1 m，水流沖入左線道床與溝槽間，并影響接觸網(wǎng)，導(dǎo)致行車中斷[11]。

因此，合理有效的防排水體系尤其是隧底排水體系成為巖溶隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為降低巖溶或地下水發(fā)育的隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全風(fēng)險，改善防排水系統(tǒng)勢在必行，而防排水系統(tǒng)又與襯砌結(jié)構(gòu)尤其是隧底結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。目前已經(jīng)取得越來越多共識的結(jié)構(gòu)體外排水系統(tǒng)(例如隧底設(shè)置排水管溝)卻沒有真正落到實(shí)處，主要原因在于，在目前常用的隧底結(jié)構(gòu)形式下設(shè)置隧底排水管溝，將帶來一系列施工繁瑣、維護(hù)管理困難等問題。因此，只有探索研究切實(shí)可靠的防排水系統(tǒng)及與其匹配的隧底結(jié)構(gòu)，才能真正降低巖溶隧道建設(shè)、運(yùn)營風(fēng)險，確保結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。

1 既有鐵路主要水害類型調(diào)研

根據(jù)調(diào)研，既有鐵路水害主要分為兩類：仰拱填充上浮變形及襯砌結(jié)構(gòu)變形開裂。

1.1 仰拱填充上浮變形

近年來隧道內(nèi)發(fā)生的填充上拱變形，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[12-15]的研究表明，其根本原因在于仰拱與仰拱填充間及仰拱填充分層施工形成的施工縫，在水壓作用下的變形、擴(kuò)張。

(1)仰拱與仰拱填充分開澆筑

現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范要求仰拱與仰拱填充應(yīng)分開澆筑，導(dǎo)致仰拱與填充之間存在施工縫，一旦仰拱環(huán)向施工縫防水措施失效，地下水則可通過環(huán)向施工縫進(jìn)入仰拱填充底部，經(jīng)計(jì)算，3～4 m高的水頭即可導(dǎo)致仰拱填充發(fā)生上浮；

(2)仰拱填充分層澆筑

在現(xiàn)場實(shí)際施工中，為防止施工期間由于重車碾壓造成道床面破損，往往對仰拱填充不是一次澆筑成型，而是采用分層澆筑的方式。在道床施工前澆筑的仰拱填充基層厚度0.2～0.4 m，在0.5～1 m高的水頭作用下即可導(dǎo)致其上浮，進(jìn)而引起道床上拱。

(3)無砟道床板與仰拱填充間存在施工界面

對無砟軌道結(jié)構(gòu)，道床至道床板與仰拱填充面采用的是無連接接觸方式，存在施工界面，當(dāng)仰拱施工縫防水失效時，有壓地下水進(jìn)入到該施工界面時，往往導(dǎo)致道床板“離縫”抬升現(xiàn)或發(fā)生磨損。再加上無砟軌道結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)巨大的剛度差異、變形不協(xié)調(diào)等，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)對隧底基礎(chǔ)變形的適應(yīng)性較差，從而進(jìn)一步加劇隧底水害對隧道結(jié)構(gòu)安全的不利影響，增大了運(yùn)營期間病害治理難度。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)變形開裂

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形開裂，主要發(fā)生在雨季和極端氣候條件下，由于地下水量急劇增加，水壓積聚升高，加之部分地段由于排水系統(tǒng)失效、排水能力不足、襯砌結(jié)構(gòu)存在缺陷等原因[16-20]，引起隧道變形、開裂和破壞，具體原因分析如下。

(1)隧道結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的變化

隧道開挖后，改變了圍巖地下水的運(yùn)移路徑，且其流量、流向、暢通程度、對大氣降雨的響應(yīng)是隨時間演變的，往往是隧道結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境出現(xiàn)巨大改變(這種改變又是難于預(yù)測和量化的)，導(dǎo)致襯砌對水壓的設(shè)防能力不足，誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。

(2)排水系統(tǒng)堵塞或能力不足

一方面，受縱向盲管、環(huán)向盲管、邊墻泄水孔等排水系統(tǒng)的排水能力的限制，另一方面，由于工后排水系統(tǒng)受物理型堵塞(泥沙、細(xì)顆粒沉積淤塞)、化學(xué)型堵塞(可溶物析出、混凝土及漿液反映殘留物凝結(jié))等原因，造成排水不暢，導(dǎo)致水壓急劇升高，引起襯砌結(jié)構(gòu)開裂破損。

(3)“三縫”等薄弱部位破壞失效

隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)沿縱向每10 m左右設(shè)置一道施工縫，拱墻襯砌與仰拱連接處設(shè)置縱向施工縫，在抗震設(shè)防地段、軟弱不良地質(zhì)構(gòu)造地段、明暗交界處等需設(shè)置變形縫。隧道內(nèi)大量施工縫和變形縫成為防水薄弱環(huán)節(jié)，一旦防水失效，局部位置出現(xiàn)噴水、涌泥沙等。

(4)地下水位季節(jié)性變化引起的“動載”影響

地下水受季節(jié)降雨的影響，其水位呈現(xiàn)隨季節(jié)性變動的特點(diǎn)，特別是巖溶地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。由于地下水位的變化，從而導(dǎo)致襯砌可能承受“動載”影響。

2 現(xiàn)行帶仰拱襯砌排水系統(tǒng)缺陷分析

2.1 現(xiàn)行帶仰拱襯砌排水系統(tǒng)存在問題

目前，我國鐵路隧道大部分采用曲墻帶仰拱型襯砌結(jié)構(gòu)，排水系統(tǒng)多采用“隧道體內(nèi)排水”模式。對于雙線隧道，地下水排放路徑為：圍巖→初期支護(hù)→土工布→排水盲管(溝)→側(cè)溝→橫向排水管→中心溝(管)→洞外；對于單線隧道，地下水排放路徑為：圍巖→初期支護(hù)→土工布→排水盲管(溝)→側(cè)溝→洞外。無論單線隧道還是雙線隧道，均是利用縱、環(huán)向排水盲管(溝)在初期支護(hù)與防水層間建立過水通道，將地下水或滲漏水通過盲管(溝)出口引入隧道側(cè)溝內(nèi)，再從側(cè)溝或中心溝引出洞外。隧道體內(nèi)排水系統(tǒng)主要存在以下幾個方面的缺陷。

(1)隧道內(nèi)的中心水溝和側(cè)溝，均布置于襯砌結(jié)構(gòu)之內(nèi)，拱墻范圍的周邊圍巖地下水經(jīng)環(huán)、縱向盲管及邊墻泄水孔引入側(cè)溝，但對于仰拱以下(排水盲管口或邊墻泄水孔以下)范圍的地下水無法引排至隧道內(nèi)，導(dǎo)致隧道仰拱始終承受部分水壓。

(2)洞內(nèi)水溝布置時，需要根據(jù)道床結(jié)構(gòu)、附屬構(gòu)筑物布置，并綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度等因素，側(cè)溝或中心溝的斷面尺寸可調(diào)整的自由度相對較小，過水能力受限，往往也會引起隧道內(nèi)水害。

(3)隧道洞身位于季節(jié)變動帶等與外界水力聯(lián)系緊密的區(qū)域時，當(dāng)在連續(xù)降雨或暴雨天氣下，由于地表水的大量入滲，地下水的水量驟增，采用傳統(tǒng)的排水體系，難以及時將隧道拱墻范圍地下水引排至隧道排水溝內(nèi)，從而導(dǎo)致地下水位急劇升高，在襯砌周圍形成高水壓。在高水壓作用下，造成襯砌開裂破損、仰拱或仰拱填充隆起。

2.2 傳統(tǒng)解決方法

針對上述問題，解決的傳統(tǒng)方法和措施主要有以下3個方面。

(1)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)，提高抗水壓能力。一方面，對素混凝土二襯可增設(shè)鋼筋，對鋼筋混凝土二襯可加強(qiáng)配筋，以進(jìn)一步提高襯砌結(jié)構(gòu)承載能力，降低襯砌開裂風(fēng)險；另一方面，可加大襯砌厚度；再次，可調(diào)整仰拱曲率，采用近圓形或圓形內(nèi)輪廓，以提高抗水壓的能力。但單純增加配筋或增大襯砌厚度難以有效防止仰拱隆起、道床變形，圓形抗水壓襯砌投資大，且水頭高地段難以實(shí)施。

(2)通過加密拱墻環(huán)向盲溝、加密邊墻泄水孔，可加強(qiáng)拱墻范圍地下水的排泄，降低拱墻部分水壓。但難以降低隧底結(jié)構(gòu)承受的水壓。

(3)設(shè)置泄水洞排水泄壓。設(shè)置泄水洞能大幅度降低巖溶隧道風(fēng)險，但工程造價較大；泄水洞距離正洞20～30 m，難以完全襲奪地下水，在建成的鐵路隧道中，個別隧道即使設(shè)置了平導(dǎo)，仍出現(xiàn)隧底開裂等水害。

3 新型襯砌思考

在調(diào)研國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，提出了一系列適用于復(fù)雜巖溶地區(qū)的新型襯砌結(jié)構(gòu)，主要分為兩類，第一類是仰拱深埋中心溝型襯砌，第二類是底板中心水溝型襯砌。

3.1 仰拱深埋中心溝型襯砌

仰拱深埋中心溝型襯砌，其主要特征是在隧道仰拱以下設(shè)置深埋的中心水溝，用于引排隧道周邊及底部的地下水，其典型襯砌斷面如圖1所示。

圖1 仰拱深埋中心溝型襯砌結(jié)構(gòu)示意

通過工程類比及分析，仰拱深埋中心溝型襯砌存在以下問題。

(1)施工困難，形態(tài)難控

仰拱深埋中心水溝型襯砌在仰拱下設(shè)置中心水溝，仰拱結(jié)構(gòu)自身開挖高度已經(jīng)在軌面以下2.2～2.8 m，深埋的中心水溝將繼續(xù)在仰拱以下開挖約2 m，總計(jì)開挖高度在軌面以下約5 m，現(xiàn)場施工極為困難，開挖形態(tài)難以保障。

(2)隧底掏蝕，破壞穩(wěn)定

在仰拱底部設(shè)置深埋中心水溝(管)，常常充填碎石，襯砌周圍地下水引入中心水溝后，在隧底形成縱向流動，易對隧底圍巖形成掏蝕作用，破壞隧底穩(wěn)定，影響結(jié)構(gòu)安全。

(3)檢修困難，維護(hù)缺失

巖溶地區(qū)地下水在排水系統(tǒng)中常形成堵塞，需要及時檢修維護(hù)，而仰拱深埋中心水溝型襯砌在運(yùn)營期間的檢修維護(hù)是一大難題，即便在隧道縱向設(shè)置了檢查井，由于天窗時間有限，作業(yè)空間狹小等問題，亦會存在檢修困難，維護(hù)缺失。

3.2 疏水型箱式隧底襯砌

為徹底解決上述問題，通過研究，提出如圖2所示的疏水型箱式隧底襯砌結(jié)構(gòu)，其主要特征是在隧道襯砌以下設(shè)置中心水溝，用于引排隧周的地下水。隧底中心溝與底板采用固結(jié)的形式。該結(jié)構(gòu)具有以下四大優(yōu)點(diǎn)。

圖2 疏水型箱式隧底襯砌結(jié)構(gòu)示意

(1)隧底開挖施工更方便

隧底采用底板形式，施工開挖作業(yè)更方便、簡潔，克服了傳統(tǒng)襯砌形式由于仰拱基礎(chǔ)開挖曲率不易控制，導(dǎo)致仰拱施工與設(shè)計(jì)不一致而造成的開裂隆起等問題。

(2)不良地質(zhì)適宜性強(qiáng)

隧底中心溝與底板固結(jié)，類似箱梁結(jié)構(gòu)，極大地增加了隧底結(jié)構(gòu)縱向抗彎剛度，顯著增加隧底結(jié)構(gòu)承載能力；另外，當(dāng)隧底存在中、小型溶洞或局部地質(zhì)條件較差(溶蝕破碎等)時，以往一般需專門設(shè)置樁筏結(jié)構(gòu)通過，采用本襯砌結(jié)構(gòu)，可直接跨越，不需進(jìn)行隧底處理或?qū)ｉT設(shè)置隧底樁筏結(jié)構(gòu)。

(3)排泄路徑更為直接，隧底泄水快

在底板下部設(shè)置中心水溝兼集排水廊道，環(huán)向盲管可引入中心水溝中，箱體內(nèi)部也可直接設(shè)置泄水孔，隧道周邊巖溶水、地下水可以快速高效的引入箱體內(nèi)并快速排走，其具有排水路徑直接、泄水速度快的優(yōu)點(diǎn)。

(4)排水空間可調(diào)，泄水能力強(qiáng)

對于傳統(tǒng)仰拱襯砌，由于受軌道結(jié)構(gòu)布置的影響，其排水空間受限；而疏水型箱式隧底襯砌結(jié)構(gòu)，中心水溝設(shè)置于隧底，其尺寸可根據(jù)隧道涌水量進(jìn)行調(diào)整，確保了足夠的排水空間。

可以發(fā)現(xiàn)，“疏水型箱式隧底襯砌”相比于“仰拱深埋中心溝型襯砌”，施工更為方便，排水能力更強(qiáng)，不良地質(zhì)適應(yīng)能力更強(qiáng)。下面基于“疏水型箱式隧底襯砌”，進(jìn)一步對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、圍巖穩(wěn)定性和泄水能力等因素進(jìn)行理論分析。

4 襯砌結(jié)構(gòu)受力對比分析

4.1 計(jì)算模型

為對比分析疏水型箱式隧底襯砌結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)仰拱襯砌的受力特征，采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立實(shí)體模型，以時速350 km高鐵雙線隧道Ⅴ級圍巖深埋荷載為代表，進(jìn)行結(jié)構(gòu)理論分析，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

采用實(shí)體單元Solid45來模擬二次襯砌，采用徑向彈簧單元Link10(只受壓)來模擬圍巖對模筑二次襯砌的彈性抗力，并對彈簧單元外部施加固定約束。

梯形中心水溝先澆，底板后澆筑，二者相接處有施工縫，沒有直接連接，采用TARGE170模擬底板接觸面，用CONTA173模擬梯形水溝的接觸面，建立接觸對。

4.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《時速350公里客運(yùn)專線鐵路雙線隧道復(fù)合式襯砌》(通隧(2008)0301)，Ⅴ級圍巖深埋段襯砌拱墻厚度50 cm，仰拱厚度60 cm，主筋直徑20 mm。兩種襯砌的尺寸及配筋詳見表1。

表1 隧道襯砌參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)行TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，V級圍巖物理力學(xué)參數(shù)按表2取值，襯砌混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果

(1)傳統(tǒng)仰拱襯砌

建立如圖3(a)所示模型并施加圍巖荷載，得到襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，選取如圖4所示具有代表性的6個控制點(diǎn)，通過積分得到內(nèi)力。

圖4 傳統(tǒng)仰拱型襯砌截面控制點(diǎn)分布

通過計(jì)算，二次襯砌軸力及彎矩如圖5所示，根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對截面控制點(diǎn)進(jìn)行安全系數(shù)檢算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖5 傳統(tǒng)仰拱型襯砌二襯內(nèi)力分布

表4 控制點(diǎn)安全系數(shù)

(2)疏水型箱式隧底襯砌

建立如圖3(b)所示模型并施加圍巖荷載，得到襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，選取如圖6所示具有代表性的6個控制點(diǎn)，通過積分得到內(nèi)力。

圖6 疏水型箱式隧底襯砌截面控制點(diǎn)分布

通過計(jì)算，二次襯砌軸力及彎矩如圖7所示，根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對截面控制點(diǎn)進(jìn)行安全系數(shù)檢算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 控制點(diǎn)安全系數(shù)

圖7 疏水型箱式隧底襯砌二襯內(nèi)力分布

隧底梯形中心溝結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖8所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，水溝結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.11 MPa，最大壓應(yīng)力為4.12 MPa。

圖8 中心水溝應(yīng)力分布

(3)小結(jié)

① 疏水型箱式隧底襯砌采用與傳統(tǒng)仰拱襯砌相同的尺寸和配筋情況下，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

② 疏水型箱式隧底襯砌與傳統(tǒng)仰拱襯砌相比，拱頂、邊墻腳、仰拱中心的安全系數(shù)基本一致，但拱腳、邊墻、仰拱兩側(cè)的安全系數(shù)有所減小。但從各控制節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)總體來看，疏水型箱式隧底襯砌安全受力更為均衡。

5 結(jié)論

通過調(diào)研目前鐵路巖溶隧道的水害情況，并基于現(xiàn)行襯砌排水系統(tǒng)存在的問題，提出了“巖溶隧道襯砌疏水型箱式隧底結(jié)構(gòu)”。

(1)理論計(jì)算表明，疏水型箱式隧底襯砌結(jié)構(gòu)與現(xiàn)行仰拱型襯砌結(jié)構(gòu)相比，在不增加結(jié)構(gòu)厚度及配筋的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)受力更為均衡，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

(2)隧底采用“箱式”結(jié)構(gòu)，極大地提高了隧道縱向剛度，能直接跨越中、小型溶洞(空溶洞或充填溶洞)、局部溶蝕破碎帶等不良地質(zhì)。

(3)排水溝位于底板之下，一方面，水溝布置不受洞內(nèi)結(jié)構(gòu)布置限制，排水?dāng)嗝婕敖Y(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整自由度高，相當(dāng)于在隧道下部設(shè)置了泄水洞，排泄路徑直接，泄水能力更強(qiáng)；另一方面，可始終將地下水水位降低至隧道結(jié)構(gòu)之下。

(4)隧底采用底板形式，施工開挖作業(yè)更方便、簡潔，能有效克服傳統(tǒng)襯砌形式由于仰拱基礎(chǔ)開挖曲率不易控制，導(dǎo)致仰拱施工與設(shè)計(jì)不一致而造成的開裂隆起等問題。

(5)提出的襯砌結(jié)構(gòu)目的是解決排水問題，主要適用于巖溶地區(qū)等地下水較發(fā)育地段的雙線隧道。當(dāng)單線隧道采用該類型襯砌時，需要利用避車洞或?qū)Ｓ枚词以O(shè)置檢查井，具體詳見作者申報(bào)的發(fā)明專利“一種利用避車洞設(shè)置檢查井的單線鐵路底板型襯砌及其排水系統(tǒng)構(gòu)造(CN108468555A)”。

(6)建議進(jìn)一步加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)及支護(hù)參數(shù)、防排水系統(tǒng)及施工工法工藝等研究。