富水隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性與合理參數(shù)分析

鄧來， 李化云*， 雷中成， 曹蘇亞

(1.西華大學土木建筑與環(huán)境學院， 成都 610039； 2.中鐵隆工程集團有限公司， 成都 610041)

近年來，在中國綜合交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)高速發(fā)展的背景下，中國西南地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也在加速發(fā)展。西南地區(qū)具有復(fù)雜的地形地貌，以及多變的地質(zhì)條件，在這種環(huán)境下修建山嶺隧道，富水高水壓問題成為一大難題。近些年，中國大力倡導(dǎo)綠色建筑，由于大量排水會影響到地區(qū)的水利條件，所以隧道防排水設(shè)計理念開始從“以排為主”向“以堵為主”轉(zhuǎn)化[1]。這就向隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗水壓能力提出了更高的要求。因此，研究抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)顯得尤為關(guān)鍵。

一些學者針對此問題進行了相關(guān)研究，丁燕平等[2]采用荷載結(jié)構(gòu)模型對抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)進行分析，基于三種隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特點，設(shè)計了高水壓下富水隧道的襯砌結(jié)構(gòu)形式；陳耀華[3]根據(jù)石板山富水隧道工程，研究了隧道襯砌背后水壓力的變化規(guī)律，并對原設(shè)計的二襯厚度進行了優(yōu)化；梁巍[4]在同時考慮水壓和圍壓的情況下，使用ANSYS有限元軟件分析和計算不同的襯砌結(jié)構(gòu)斷面，從而獲得更為經(jīng)濟合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式；陳五二[5]依據(jù)實際工程的襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，模擬三種襯砌斷面的受力情況，得到了抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征，選出了合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式，以滿足不同的圍巖級別要求；丁浩等[6]在龍?zhí)端淼篮桶自扑淼拦こ痰幕A(chǔ)上，通過數(shù)值仿真，研究了富水公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的改進方案。一些學者采用“限制排放”的隧道防排水設(shè)計理念，對富水隧道的開裂機理進行模型試驗研究[7-10]，得出了一些更為直觀的結(jié)論，為相關(guān)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

綜上所述，針對抗水壓隧道襯砌結(jié)構(gòu)開展了諸多研究，也取得了一定的成果。但既有研究大多是采用模型試驗和數(shù)值模擬的方法確定水荷載，其結(jié)果與工程實際有一定出入。相較于模型試驗和數(shù)值模擬，現(xiàn)場試驗具有試驗結(jié)果更直觀，試驗數(shù)據(jù)更準確的特點。基于此，現(xiàn)以峨漢高速豹貍崗隧道工程為依托，在試驗斷面安裝水壓監(jiān)測裝置，獲得水壓力分布規(guī)律，為水荷載的確定提供依據(jù)。基于現(xiàn)場試驗結(jié)果，采用ANSYS有限元軟件，建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，研究不同水壓下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性及合理的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，為類似隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 現(xiàn)場監(jiān)測方案及襯砌水壓力確定

1.1 工程概況

豹貍崗隧道進口位于峨眉市金口河區(qū)和平鄉(xiāng)解放村園木溝左岸中下部，出口位于枕頭壩水電站江溝料場尾端的岔河右岸陡坡中下部。隧道全長3 650 m，屬于特長高速公路隧道。豹貍崗隧道監(jiān)測斷最大開挖跨度14 m，高度11 m，最大埋深696 m。隧道穿越的地層主要為炭質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖，圍巖級別為Ⅴ級。巖層及支護結(jié)構(gòu)的主要物理力學指標如表1所示。部分施工段巖體受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，隧址區(qū)域地下水豐富，且常年有穩(wěn)定的補給水源，因此隧道存在承受高水壓的問題。基于以上工程水文地質(zhì)特點，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，選擇C25噴射砼作為初期支護，厚240 mm，二襯選用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚400 mm。隧道開挖輪廓如圖1所示。

表1 物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameter

圖1 隧道開挖輪廓示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunnel excavation outline

1.2 斷面位置及測點布置

選取隧道左洞ZK73+586、ZK73+486和ZK73+386三個典型斷面作為試驗斷面。由工程地質(zhì)勘查報告可知，三個試驗斷面的水頭高度依次為29、25、20 m。試驗儀器選用振弦式滲壓計，將其安裝在初期支護與防水板之間，用以測量二襯背后的水壓力。為了避免圍巖收斂時將滲壓計壓壞，滲壓計埋設(shè)時與初期支護間預(yù)留一定空隙。測點分別布置于拱頂、拱腰、邊墻、墻腳及仰拱，共10個點，具體布置方案如圖2所示，現(xiàn)場滲壓計的布設(shè)如圖3所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points

圖3 現(xiàn)場滲壓計布設(shè)Fig.3 Layout of site water pressure gauge

1.3 試驗斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場監(jiān)測共耗時75 d，通過對數(shù)據(jù)的采集和整理，繪制出水壓時程變化曲線如圖4所示。在滲壓計安裝1～20 d，三個斷面的仰拱部位水壓值變化突出，并在后期不斷增長，在50～60 d趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值分別為0.28、0.25、0.20 MPa；二襯結(jié)構(gòu)的水壓值均增長緩慢，一般在40～50 d趨于穩(wěn)定，其水壓力均明顯小于仰拱部位。可能是二襯背后的排水盲管起到了較好的卸壓作用。ZK73+586斷面的邊墻部位水壓值一直在0 MPa上下波動，可能是滲壓計已經(jīng)損壞。綜上所述，試驗斷面滲水明顯，襯砌承受較大的水壓力。三個試驗斷面的襯砌水壓力呈典型的“燈泡型”分布，其水壓力分布特點如圖5所示。

圖4 監(jiān)測斷面水壓時程曲線Fig.4 Time history curve of water pressure monitoring section

圖5 監(jiān)測斷面水壓力分布Fig.5 Water pressure distribution of monitoring section

1.4 外水壓力計算方法的確定

襯砌水壓力的確定是一個復(fù)雜的問題，目前工程界對水壓的具體計算方法還沒有定論，大多是以既有工程經(jīng)驗為依據(jù)對抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其設(shè)計結(jié)果普遍偏于保守。過于保守的二次襯砌厚度雖然有利于提高二襯剛度，但會造成材料的浪費。因此，采用合適的外水壓計算方法對于抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要意義。

由于圍巖裂隙對地下水滲透過程的消散作用，以及排水系統(tǒng)的卸壓作用[11]，導(dǎo)致襯砌背后的水壓力并不完全等于靜水壓力，在設(shè)計過程中應(yīng)對其進行折減[12]。對三個試驗斷面的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出了二次襯砌結(jié)構(gòu)及仰拱的水壓折減系數(shù)，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 線性擬合曲線Fig.6 Linear fitting curve

基于擬合結(jié)果，得出水壓力計算公式為：ps=ρghα；其中：ps為襯砌水壓力；ρ為水密度；h為水頭高度；g為重力加速度；α為水壓折減系數(shù)，二襯結(jié)構(gòu)取0.31，仰拱取0.86。此結(jié)論可為豹貍崗隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

2 模型的建立及計算工況設(shè)置

采用全斷面承受外水壓設(shè)計形式，利用ANSYS有限元軟件分別對水頭高度為10、20、30、40、50 m時的5種工況進行計算。

利用ANSYS軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)二維模型的基本過程為：首先選取模型輪廓線，再對輪廓線進行網(wǎng)格劃分，隨后引入邊界條件對模型的變形及位移進行約束，最后對模型施加荷載進行計算。本次建模選取水壓監(jiān)測斷面的襯砌中線斷面為隧道輪廓線；根據(jù)計算精度要求，將襯砌模型劃分為72段，利用Beam3單元進行模擬；由于圍巖對襯砌的變形具有約束作用，因此引入邊界條件——地層彈簧對模型的變形進行約束。根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場圍巖情況，取彈簧的彈性系數(shù)為150 MPa/m，此過程采用Link10單元進行模擬；最后將圍巖壓力和水壓力以等效節(jié)點荷載的形式施加在襯砌模型上。計算采用彈性本構(gòu)模型，假定襯砌為各向同性且只承受壓力。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[13]中的相關(guān)公式計算圍巖荷載；基于襯砌水壓力分布特點，將水荷載等效為梯形荷載，并對其進行折減。基于數(shù)值計算結(jié)果，確定出不同水頭高度作用下結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，并以此判斷襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性。對應(yīng)的工況及相關(guān)計算參數(shù)如表2所示。

表2 工況及計算參數(shù)Table 2 Working conditions and calculation parameters

3 計算結(jié)果及分析

利用ANSYS有限元軟件對二襯結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，同時考慮圍巖荷載和水荷載，獲得不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征。

3.1 軸力分析

由于在各種工況下，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征相似，因此以工況三(水頭高度為30 m)為例，對結(jié)構(gòu)受力特征進行分析。當水頭高度為30 m時，數(shù)值計算得到的二襯軸力分布特點如圖7所示。分析圖7可知，在結(jié)構(gòu)全斷面承壓的情況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸力呈對稱分布，這與丁燕平等[14]的研究結(jié)論相一致。云圖顯示，襯砌結(jié)構(gòu)在水壓作用下表現(xiàn)為全斷面受壓。這一狀態(tài)有利于混凝土結(jié)構(gòu)受力。

圖7 水頭高度30 m時的軸力云圖Fig.7 Axial force nephogram at water head height of 30 m

圖8 結(jié)構(gòu)各部位軸力變化曲線Fig.8 Change curve of axial force at each part of the structure

結(jié)構(gòu)各部位軸力絕對值與水頭關(guān)系曲線如圖8所示。在各種工況下，墻腳所承受的軸力最大；且隨著水頭高度的增加，墻腳，仰拱和邊墻的軸力增長最多，增長率分別為76%、75%和75%；拱腰的軸力增加最少，增長率為64%；當水頭高度在30 m以下時，隨著水頭高度的增加，結(jié)構(gòu)各部位軸力增長緩慢。當水頭高度超過30 m時，結(jié)構(gòu)各部位軸力增長速度明顯加快，其中墻腳和仰拱的軸力增加最快。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意墻腳和仰拱的承載能力。

3.2 彎矩分析

彎矩分析同樣以工況三為例，二次襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖9所示。襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩同樣呈對稱分布，拱腰和墻腳部位靠近圍巖一側(cè)承受拉應(yīng)力。拱頂、拱腰和仰拱部位靠近隧道凈空一側(cè)受拉。在不同工況下，墻腳部位靠近圍巖一側(cè)的拉應(yīng)力最大，這一受力狀態(tài)有利于發(fā)揮出圍巖的緊箍效應(yīng)。邊墻的彎矩最小，在同一工況下，僅為墻腳的1/4。

圖9 水頭高度30 m時的彎矩云圖Fig.9 Bending moment nephogram when the head height is 30 m

結(jié)構(gòu)各部位彎矩絕對值與水頭關(guān)系曲線如圖10所示。各部位彎矩值的變化趨勢與軸力變化趨勢類似：當水頭高度小于30 m時，各部位彎矩值增長緩慢；當水頭高度超過30 m時，彎矩值的增長速度加快。其中拱頂和墻腳的彎矩增長速度最快。

3.3 安全系數(shù)分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，安全系數(shù)是判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的一個重要參數(shù)，《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當荷載組合為永久荷載+基本可變荷載時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0[13]。

本設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)云圖如圖11所示。在全截面承受水壓的情況下，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)呈對稱分布，且在不同工況下，最小值均位于墻腳處。安全系數(shù)變化曲線如圖12所示。當水壓增大時，結(jié)構(gòu)各部位安全系數(shù)均出現(xiàn)明顯下降；當水頭高度超過50 m時，墻腳部位的安全系數(shù)已不符合相關(guān)要求，可能會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[15]，此時應(yīng)該增加二襯厚度或提高二襯配筋率。

圖10 結(jié)構(gòu)各部位彎矩變化曲線Fig.10 Bending moment change curve of each part of the structure

圖11 水頭高度為30 m時的安全系數(shù)圖Fig.11 Safety factor diagram when the head height is 30 m

圖12 結(jié)構(gòu)各部位安全系數(shù)變化曲線Fig.12 Change curve of safety factor of each part of the structure

4 結(jié)論與討論

(1)三個試驗斷面的襯砌水壓力呈典型的“燈泡”型分布，且水壓力最大位置均出現(xiàn)在仰拱處；二次襯砌結(jié)構(gòu)的水壓力折減系數(shù)為0.31，仰拱的水壓力折減系數(shù)為0.86。

(2)當結(jié)構(gòu)全斷面承受水荷載時，軸力、彎矩及安全系數(shù)均呈對稱分布；墻腳為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計時應(yīng)加強墻腳部位的承載能力。

(3)在水頭高度從10 m增加到50 m的過程中，墻腳、仰拱和邊墻的軸力值增量最大，增長率分別為76%、75%和75%。當水壓增大時，應(yīng)著重控制這三個部位的安全性。

(4)當水頭高度小于30 m時，結(jié)構(gòu)各部位軸力值和彎矩值隨水壓的增大，變化并不明顯；當水頭高度大于30 m時，結(jié)構(gòu)各部位軸力值和彎矩值的增長速度明顯加快，軸力增加最快的部位為墻腳，彎矩增加最快的部位為拱頂。

(5)隨著水頭高度的增加，結(jié)構(gòu)各部位安全系數(shù)均出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象；當水頭高度為50 m時，墻腳部位的安全系數(shù)小于2.0，說明原設(shè)計結(jié)構(gòu)不能承受超過50 m水頭高度的水壓。