環(huán)境敏感區(qū)公路隧道抗水壓襯砌優(yōu)化研究

何佳銀 張濤 王麗軍 陳樹汪 王安民 高鵬興

摘要 環(huán)境敏感區(qū)隧道常采用“以堵為主，限量排放”的防排水原則，為分析高水頭荷載下襯砌結(jié)構(gòu)的受力模式，討論對襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其效果，文章依托某公路隧道，對不同水頭荷載下各襯砌方案的受力情況進(jìn)行計算。結(jié)果顯示：仰拱為高水頭荷載情況下襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，通過加厚仰拱襯砌，采用變截面襯砌斷面的方案提高了襯砌整體承載能力，優(yōu)化了受力模式；變截面的優(yōu)化方案在斷面面積增加14.6%的情況下，承載能力得到了130%以上的提高，這種優(yōu)化方式具有可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 公路隧道；富水地層；抗水壓；襯砌；變截面

中圖分類號 U453.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0055-04

0 引言

隨著我國公路建設(shè)進(jìn)程的深入，路線受到各種因素的制約，隧道不得不穿越一些環(huán)境敏感區(qū)域，給工程建設(shè)帶來很多挑戰(zhàn)，地下水的處理便是其中一種。山嶺隧道由于埋深大，地下水位高，水壓力大，使地下水對隧道安全的威脅加大，對地下水的控制是急需考慮及解決的問題。

在隧道施工建設(shè)過程中，大量抽排地下水，勢必會引起地下水位下降。特別是巖溶區(qū)，深層溶隙水從滲流轉(zhuǎn)為明流加大了深層地下水的排泄量[1]，地下水對植被的生長起著至關(guān)重要的作用，無限制地排水將對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成不可逆的后果。

為保證隧道開挖涌滲水后地下水仍處于“地下水生態(tài)平衡埋深”[2]，環(huán)境敏感區(qū)公路隧道的防排水需綜合考慮襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和對生態(tài)環(huán)境的影響。目前，面對地下水，隧道工程一般采取的工程措施主要有“堵”“排”兩種。隨著環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強，隧道施工過程中對地下水的處理已經(jīng)由以前“以排為主”的原則轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙远聻橹鳎蘖颗欧拧钡脑瓌t，我國一些隧道也在實際施工過程中踐行了“限量排放”的指導(dǎo)方針[3]。

1 工程概況

某高速公路隧道沿線溶巖分布普遍，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，各種含水層（組）均有分布，地下水類型齊全，賦存裂隙水，局部地段埋藏層間水。地表共分布29個村莊，隧道施工開挖易引起地下水位改變，從而影響地表生態(tài)環(huán)境及居民正常生產(chǎn)生活用水，可能造成隧道工程區(qū)泉水消失或流量減小、地表植被等生態(tài)環(huán)境被破壞以及對居民生活用水產(chǎn)生影響。

該項目將“以堵為主，限量排放”作為隧道防排水原則。堵水勢必會使襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大的水頭荷載，綜合考慮隧道結(jié)構(gòu)安全和地表生態(tài)兩方面，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)作了優(yōu)化，并借助數(shù)值軟件對優(yōu)化效果進(jìn)行驗證和量化分析。

2 富水地層隧道襯砌受力模式分析

為探明承受較大水壓工況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力模式，對襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析。

由于隧道初期支護(hù)自身不防水，初支及二襯之間鋪設(shè)防水板，因此考慮二襯承擔(dān)全部水壓力及70%圍巖開挖釋放荷載。綜合考慮隧道周圍注漿效果以及圍巖的滲透水能力，對隧道襯砌所承受的水壓按水頭50%進(jìn)行折減，根據(jù)隧道埋深以及圍巖自重情況，得到的隧道結(jié)構(gòu)所承受的豎向和水平荷載如圖1所示。

該文以隧道二襯為分析對象，采用荷載－結(jié)構(gòu)法，襯砌采用梁單元進(jìn)行模擬，襯砌設(shè)計厚度為0.7 m，縱向?qū)挾热? m，地層抗力采用僅受壓彈簧單元進(jìn)行等效。建立隧道二襯模型如圖2所示。

以水頭荷載高度30 m為例，通過計算及分析，優(yōu)化前隧道二襯結(jié)構(gòu)彎矩如圖3所示，安全系數(shù)[4]分布情況如圖4所示。

分析上述計算結(jié)果，二襯中彎矩最大的位置為仰拱中部，安全系數(shù)也為仰拱中部最小。究其原因，是仰拱結(jié)構(gòu)相較于上部拱圈更扁平，其抵抗彎矩的能力更弱；且水壓力會隨著水頭的增加而升高，體現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)上為仰拱所承受的水壓力較上部拱圈大，在兩種不利因素的共同作用下，仰拱成為富水地層中隧道襯砌的薄弱環(huán)節(jié)。而上部拱圈中各部位的安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定鋼筋混凝土的最小安全系數(shù)，在該工況下，上部拱圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍有較大的富余量。

3 抗水壓型襯砌優(yōu)化及效果分析

綜合考慮襯砌結(jié)構(gòu)受力的整體性，充分利用上部拱圈二襯的安全系數(shù)富余量，從加強“木桶原理”中“短板”的角度出發(fā)，對富水地層中襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，即加厚仰拱二襯厚度至1 m，采用不等厚襯砌斷面，上部拱圈和仰拱之間采用漸變過渡的小圓弧連接。

為分析抗水壓型襯砌整體受力狀態(tài)，了解結(jié)構(gòu)所處安全狀態(tài)，探討相較于原設(shè)計的優(yōu)化效果，基于上述工程，對優(yōu)化前、后的隧道結(jié)構(gòu)全面進(jìn)行受力對比分析。

3.1 模型的建立

結(jié)合優(yōu)化后的隧道斷面型式，建立隧道抗水壓襯砌數(shù)值計算模型如圖5所示，計算中采用變截面梁單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)不等厚襯砌之間的漸變過渡[5]。

3.2 計算工況

分別對不同荷載條件下優(yōu)化前后的二襯結(jié)構(gòu)各部位安全系數(shù)進(jìn)行分析，以期掌握隧道二襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果及確定其所能承受的水頭壓力。計算工況如表1所示。

3.3 計算結(jié)果分析

借助有限元計算軟件分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力，計算不同工況下的二襯安全系數(shù)，結(jié)果如圖6、圖7所示

從以上計算結(jié)果可以看出，襯砌截面優(yōu)化后，隧道上拱圈與仰拱安全系數(shù)之間的差距縮小，在不同水頭高度下均表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)各部位承載能力利用率相近，說明結(jié)構(gòu)受力模式相對等截面襯砌更為合理。統(tǒng)計不同水頭荷載情況下隧道結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)隨水頭高度的變化情況，如圖8所示。

襯砌的最小安全系數(shù)呈現(xiàn)出隨著水頭高度的增加而逐漸減小的變化趨勢。以該項目為例，按規(guī)范給定的最小安全系數(shù)控制，優(yōu)化后（變截面）相較于優(yōu)化前（等截面），襯砌結(jié)構(gòu)所能承受的水頭荷載高度約由30 m提升至60 m，承載能力提升約1倍。

取同一水頭高度下，不同襯砌結(jié)構(gòu)工況下的截面安全系數(shù)，分析優(yōu)化截面形狀后對襯砌承受水頭性能的變化情況（以30 m水頭為例，其他水頭荷載下規(guī)律一致），結(jié)果如圖9所示。圖9 30 m水頭下不同截面型式隧道安全系數(shù)對比圖

由圖9可知，在同一水頭高度下，變截面襯砌相對等截面襯砌各部位的安全系數(shù)均占優(yōu)，說明襯砌截面在優(yōu)化后，整體受力模式更加合理。

分析變截面相對等截面結(jié)構(gòu)在同一水頭高度下最小安全系數(shù)提高比例，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，結(jié)構(gòu)承受的水頭荷載越大，變截面的承載能力提升越大，即結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果越明顯。采用變截面后，截面面積較等截面增加約14.6%，而隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗水壓性能則顯著提升，達(dá)到130%以上。

4 結(jié)語

為了避免對生態(tài)環(huán)境造成不可逆的傷害，隧道常采用“以堵為主，限量排放”的防排水方案，這造成襯砌結(jié)構(gòu)面臨著較大的水頭荷載。通過對高水頭下隧道結(jié)構(gòu)的受力模式分析，確定襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。通過對工程措施進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行定量分析，得到以下的結(jié)論：

（1）在高水頭荷載下，仰拱為襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，因此隧道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以從加強仰拱出發(fā)。該文討論了增加仰拱厚度，從而提高襯砌整體承載能力的可能性，該措施切實可行。

（2）通過優(yōu)化斷面，不同的水頭荷載下，襯砌結(jié)構(gòu)各部位相互配合承載更加協(xié)調(diào)；上部拱圈厚度不變的情況下，優(yōu)化仰拱厚度，上部拱圈的安全系數(shù)也同樣得到了提高，說明優(yōu)化后改善了襯砌的整體受力，受力模式更加合理。

（3）分析不同水頭荷載下，優(yōu)化后相較于優(yōu)化前襯砌結(jié)構(gòu)承載能力變化情況：荷載越大，優(yōu)化效果越明顯。綜合考慮優(yōu)化的投入，斷面面積增加14.6%，得到了承載能力提高130%以上，說明該優(yōu)化具有顯著的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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[5]王海濤. MIDAS/GTS巖土工程數(shù)值分析與設(shè)計[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社， 2013.