隧道集水廊道底板型襯砌結構排水泄壓能力研究

蘭 慶 男，許 ，陶 偉 明，張 志 強

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031； 2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610081)

0 引 言

富水地區隧道的病害問題多數與地下水密切相關。地下水的長期積蓄、沖刷、侵蝕作用使圍巖強度低、均勻性與穩定性差。目前，對于富水地區，隧道排水體系的設計主要以“泄水洞+仰拱型襯砌排水系統”為主。雖然該設計形式可以有效降低襯砌外水壓力，但仍無法有效解決隧底積水問題，導致隧底結構承受水壓過大，引發仰拱隆起、道床變形、襯砌裂損等病害，嚴重影響隧道結構穩定及運營安全[1-5]。

近年來，眾多學者針對隧道防排水體系開展了深入的研究。駱耀文等[6]基于流固耦合理論，對防水板半包-排水型、防水板全包-堵水型以及防水板全包-排水型隧道滲流特征進行研究，得到了不同防排水形式下襯砌結構外水壓力的分布規律。賴金星等[7]以某公路隧道為依托，將涌水類型劃分為滴滲、淋淌、股水和突水4種，并根據隧道設計原則和防排水影響因素，提出了4種合理的防排水襯砌結構。彭良田等[8]采用連續-非連續方法對不同水壓作用下襯砌結構漸進破壞過程進行模擬，得到襯砌界面破裂率和漸進破壞之間的關系，并基于此提出襯砌結構承壓能力的評價方法。鄒育麟等[9]基于流固耦合理論，建立全封堵、設置環縱盲管以及二襯墻腳設置泄水孔3種工況下襯砌結構數值模型，探究注漿圈參數、控制排水量等因素對隧道排泄能力和外水壓力的影響。劉坤[10]采用現場試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法，分析不同排水系統局部堵塞長度和注漿加固圈參數等因素對襯砌外水壓力和安全系數的影響。然而，對于防排水體系方面的研究多集中于仰拱型襯砌，很少有學者針對底板型襯砌結構展開研究。

為解決仰拱型襯砌結構無法有效排出隧道底部積水這一難題[11-13]，本文設計了新型集水廊道底板型襯砌和中心排水溝底板型襯砌兩種結構。相比仰拱型襯砌，該結構集水、排水能力均有很大提升，可有效減少由襯砌背后水壓力過大而引發的隧道病害。

本文以貴南高鐵九萬山隧道為工程依托，基于流固耦合原理，建立富水地層條件下新型集水廊道底板型襯砌、中心排水溝底板型襯砌以及泄水洞+仰拱型襯砌結構數值模型，從圍巖滲流場、襯砌結構外水壓力分布規律、泄水孔流量以及結構安全系數等方面綜合評價襯砌結構的排泄能力、安全性以及適用性，以得到最優隧道排水襯砌結構，并在此基礎上研究盲管間距對新型集水廊道襯砌結構排水泄壓能力的影響。

1 工程背景

貴南鐵路客運專線九萬山隧道為雙線單洞隧道，全長15 485 m，最大埋深約520 m。區間巖溶發育，地表大型封閉洼地、巖溶漏斗密集。隧道采用仰拱型襯砌結構，正線右側30 m處設置有泄水洞，其設計參數如圖1所示。結合貴南客專設計和施工概況，提出新型集水廊道、中心排水溝底板型襯砌結構，其設計參數如圖2所示。參考相關設計資料和TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》，3種襯砌結構的排水體系設計如下：二次襯砌背后鋪設Φ50環向盲管，縱向間距6 m；兩側邊墻腳附近鋪設Φ80縱向盲管；泄水孔縱向間距2 m，孔徑Φ110。

圖1 仰拱型襯砌及泄水洞設計(尺寸單位：mm)Fig.1 Invert type lining and drainage hole

圖2 底板型襯砌設計(尺寸單位：mm)Fig.2 Floor type lining design drawing

2 數值模型建立

隧道處于Ⅴ級圍巖中，為確保3種襯砌結構防排水體系計算結果對比的客觀性，綜合考慮隧道的埋深、地下水位線以及模型的邊界效應，擬定新型集水廊道和中心排水溝底板型襯砌模型的尺寸為100 m×60 m×150 m(長×寬×高)，傳統泄水洞仰拱型襯砌模型的尺寸為160 m×60 m×150 m。隧道埋深為100 m，地下水位線為60 m，數值模型如圖3所示。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical simulation model diagram

為了簡化計算，依據等流量原則[14]，將盲管、泄水孔由圓形截面簡化為方形截面，如式(1)所示，盲管、泄水孔采用實體單元進行模擬。

(1)

式中：k1為實際工程中滲透系數，D為排水孔直徑，k2為數值模型中滲透系數，d為排水孔邊長。

模型頂面為自由邊界，側面、底面均約束其法向位移。底面設置為不透水邊界，側面設置為透水邊界且保持孔隙水壓力不變，隧道開挖后截面設為不透水邊界，同時認為圍巖始終處于飽和狀態。假設圍巖是理想的彈塑性材料，采用MC強度準則，鋼筋混凝土襯砌采用彈性本構模型。圍巖、初支和二次襯砌均采用實體單元進行模擬。鋼拱架根據等效剛度原則[15]，將彈性模量折算到初期支護上。材料參數設置具體見表1。

表1 材料物理力學性能參數

3 不同類型襯砌流固耦合特征比較

3.1 圍巖滲流場分布規律

不同類型襯砌整體模型外水壓力等值線圖如圖4所示。由圖4可知：新型集水廊道、中心排水溝底板型襯砌外水壓力值呈左右對稱分布。對于傳統仰拱型襯砌而言，由于隧道右側30 m處設置了泄水洞，起到了一定的排水泄壓作用，使得隧道中心線右側所受外水壓力比左側小，兩側外水壓力值最大相差10%左右，這會在一定程度上造成類似偏壓隧道的現象，不利于襯砌結構整體受力。

圖4 整體襯砌水壓等值線Fig.4 Isoline of overall lining water pressure

3.2 襯砌斷面外水壓力分布規律

在60 m水位高度作用下當盲管、泄水孔間距一定時，外水壓力斷面分布如圖5所示。從圖5中可以看出：3種襯砌結構拱部所受外水壓力分布均勻，呈蘑菇帽形。新型集水廊道襯砌結構底板部位外水壓力呈V形分布，受力相對均勻，無明顯應力集中現象；中央排水溝襯砌結構底板部位外水壓力呈M形分布，墻腳位置承受較大外水壓力，存在明顯的應力集中現象；仰拱型襯砌結構底部外水壓力分布均勻，但其所受外水壓力值較大，表明仰拱背后的地下水無法通過墻腳部位泄水孔有效排出。

圖5 襯砌外水壓力斷面分布(單位：kPa)Fig.5 Distribution of external water pressure at lining

4 襯砌結構排水泄壓能力對比分析

4.1 襯砌結構背后水壓力對比分析

為了更直觀地比較3種襯砌結構的排水泄壓能力，本文通過提取單元孔隙水壓力、單元體積等數據，采用式(2)計算拱部、底部平均水壓力，計算結果如表2所列。

表2 排水后襯砌背后平均水壓

(2)

由圖6、圖7和表2可以看出：新型集水廊道底板型襯砌拱部、底板平均水壓力值最小，水壓降幅分別可達到51.3%，73.7%。中心排水溝底板型襯砌排水泄壓能力次之，其拱部水壓降幅為33.8%，比仰拱型襯砌略小，但其底板水壓力降幅達到60.8%，比仰拱型襯砌高出15.7%。泄水洞+仰拱型襯砌的排水泄壓能力最弱，其二襯、底板部位水壓降幅分別為36.3%，45.1%。

圖6 拱部位置孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.6 Pore water pressure nephogram at arch position

圖7 底部位置孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.7 Pore water pressure nephogram at bottom position

由此可見，新型集水廊道可同時達到削弱拱部和底板部位水壓力的效果，排水泄壓能力優于其他兩種結構，可確保底板部位可以長期處于低水壓狀態，降低道床變形、襯砌裂損、翻漿冒泥等病害的發生幾率。設置中央排水溝雖然可有效降低底板部位的水壓力，但結構拱部仍然承受較大外水壓力，未能形成全方位的排水體系。由于仰拱型襯砌結構僅在墻腳部位設置泄水孔，且泄水洞隧道正線相距較遠，作用效果有限，故隧底積水無法被有效排出[16]。

4.2 襯砌結構泄水孔排水量對比分析

表3是根據計算結果提取的泄水孔處單孔最大排水量。由表3可知：新型集水廊道單孔排水量最大為2.89 m3/(m·d)，比中心排水溝略大，但同一截面下由于集水廊道泄水孔數量為中心排水溝的兩倍，且集水廊道的過水斷面面積較大，故新型集水廊道泄水孔總排水量更大，表明其集水、排水效果更優。從隧道運營期應急處理層面而言，當隧道排水孔發生堵塞時，集水廊道排水方式更便于維修。

表3 各襯砌類型排水指標

5 二襯結構內力及安全性評價

由于中心排水溝排泄能力不如新型集水廊道，且二者同為底板型襯砌，故僅對新型集水廊道底板型襯砌和傳統仰拱型襯砌的結構內力進行安全評價。根據貴南鐵路設計文件和現行TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》，考慮Ⅴ級圍巖深埋隧道的計算高度，按荷載-結構模式進行結構計算，并采用破損階段法進行強度校核，計算時按二襯承擔全部荷載考慮。

從圖8～10襯砌的內力及安全系數圖可以看出：底板型襯砌軸力最大值出現在邊墻位置處，其值為1 838.90 kN，仰拱型襯砌軸力最大值出現在仰拱位置處，其值為1 108.99 kN。兩種襯砌彎矩圖均表現為蝴蝶形，在拱頂、拱腳和底板位置均表現為內側受拉，其他位置為外側受拉。假定內側受拉為正時，底板型襯砌最大正彎矩出現在拱頂位置處，其值為123.24 kN·m，最大負彎矩出現在邊墻位置處，其值為129.40 kN·m。仰拱型襯砌最大正彎矩出現在拱頂位置處，其值為138.44 kN·m，最大負彎矩出現在墻腳位置處，其值為103.59 kN·m。

圖8 襯砌軸力分布(單位：kN)Fig.8 Distribution of lining axial forces

圖9 襯砌彎矩分布(單位：kN·m)Fig.9 Distribution of bending moment of lining

圖10 襯砌安全系數分布Fig.10 Distribution of lining safety factors

對比分析兩種襯砌結構受力狀況可知，底板型襯砌承受較大彎矩，而軸力相對小于仰拱型襯砌。底板型襯砌除邊墻、拱腰位置處以外，其他位置處安全系數均高于仰拱型襯砌，但差異不大，完全滿足結構安全性的要求。

6 新型底板型襯砌盲管間距優化

在得到新型集水廊道底板型襯砌排水泄壓能力更優且滿足結構安全性的基礎上，需進一步優化隧道結構防排水體系設計，探討不同盲管間距對襯砌結構排水泄壓能力的影響。參考TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》及相關文獻，當泄水孔間距為2 m時，建立60 m水位高度作用下3，4，5，6，7，8，10，12 m以及15 m盲管間距的數值模型。

從圖11中可以看出：襯砌拱部平均水壓力與盲管間距并非完全呈線性關系，而是分為3個階段。①當環向盲管間距在8～15 m時，二者基本呈線性關系，此時隨著盲管間距的減小，襯砌結構排水泄壓能力不斷增強；②當間距在5～8 m時，二者不再呈線性關系，此時縮小盲管間距襯砌結構排水泄壓效果較第一階段更好；③當間距在3～5 m時，二者恢復到線性關系，此時減小盲管間距給襯砌結構排水泄壓能力帶來的收益較小。因此綜合分析3個階段可以發現，當盲管間距為6 m時，襯砌結構的排水泄壓效果較好。

圖11 不同環向盲管間距下拱部平均孔隙水壓力Fig.11 Average pore water pressure curve under different annular blind tube spacings

7 結 論

(1)在60 m水位高度作用下當盲管、泄水孔間距一定時，新型集水廊道底板型襯砌拱部、底板所受外水壓力值分別為294，158 kPa，其水壓降幅比中心排水溝底板型襯砌高出17.5%，12.9%，比泄水洞+仰拱型襯砌高出15.1%，28.6%，表明新型集水廊道的排水泄壓能力更優。

(2)中心排水溝可有效降低底板所受外水壓力，但底板部位水壓力分布不均勻，且拱腳處存在明顯應力集中現象，其施工性、維修性均不如新型集水廊道。

(3)設置傳統泄水洞易造成襯砌結構產生偏壓現象，不利于襯砌結構整體受力。而新型集水廊道可有效避免該現象的發生，該結構可替代傳統泄水洞功能，并形成全方位的排水體系，解決了隧道360°的排水問題，提高了整體結構的安全穩定性。

(4)新型集水廊道底板型襯砌承受較大彎矩，而軸力相對小于仰拱型襯砌。除邊墻、拱腰位置處以外，其他位置安全系數均高于仰拱型襯砌，但差異不大，完全滿足結構安全性要求。

(5)考慮到運營期隧道結構的施工性和維修性，新型集水廊道底板型襯砌結構施工可行性較強，縱向間隔設有檢查井，便于后期維護。

(6)當環向盲管間距發生變化時，襯砌拱部平均水壓力與盲管間距并非完全呈線性關系，且當盲管間距為6 m時，襯砌結構的排水泄壓效果較好。