山嶺隧道水壓力分布對圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)受力影響研究

高新強(qiáng)，劉志春，韓現(xiàn)民

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

山嶺隧道水壓力分布對圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)受力影響研究

高新強(qiáng)，劉志春，韓現(xiàn)民

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

采用平面有限元數(shù)值模型分析透水襯砌、排水系統(tǒng)和墻腳排水3種排水形式下，無水壓、襯砌水壓力在均布和非均布時(shí)蛋形斷面和圓形斷面山嶺隧道圍巖的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)受力特征。研究了襯砌水壓力不同分布對隧道位移、塑性區(qū)和結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律，并對襯砌水壓均布與非均布的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。分析結(jié)果表明:水壓力的存在使隧道位移、塑性區(qū)范圍和塑性應(yīng)變最大值顯著增加，對圍巖的穩(wěn)定性不利，特別是對結(jié)構(gòu)受力的影響更加顯著。水壓力較大時(shí)，從圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力來講采用圓形斷面優(yōu)于蛋形斷面。水壓力不均勻分布時(shí)對圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響。

山嶺隧道 均布水壓 非均布水壓 圍巖穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)受力

國內(nèi)外隧道工程中由于地下水的涌出和水壓力對圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響的實(shí)例屢見不鮮。如圓梁山隧道[1]過高的水頭壓力和大量涌水直接威脅施工人員、設(shè)備的安全及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性，施工進(jìn)入高壓富水區(qū)段時(shí)，遭遇了多次突發(fā)性、大規(guī)模的高壓涌(突)水、突泥(含泥量達(dá)到50%以上)。日本東海道干線舊丹那隧道[2](長7.84 km)，最大的一次斷層涌(突)水量達(dá)2.85×105m3/d，水壓高達(dá)1.4～4.2 MPa。隧道的涌水、突泥嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和周圍環(huán)境。部分隧道運(yùn)營后由于高水壓而導(dǎo)致襯砌開裂破壞[3]。因此，高水壓富水區(qū)隧道圍巖的穩(wěn)定性、地下涌(突)水和襯砌水壓力是關(guān)系到高水壓富水區(qū)隧道能否修建成功的關(guān)鍵。

1 工程背景

以渝(重慶)懷(懷化)鐵路圓梁山深埋特長隧道毛壩向斜段為工程背景，隧道總長11.068 km，隧道最大埋深為780 m。隧道地質(zhì)條件異常復(fù)雜，主要地質(zhì)構(gòu)造為毛壩向斜和桐麻嶺背斜及其伴生或次生斷裂等構(gòu)造。高水壓力問題是該隧道遇到的主要工程地質(zhì)問題之一[4]。隧道毛壩向斜段屬于高水壓富水區(qū)，水頭高度為450 m，靜止水壓為4.5 MPa。研究分析注漿圈和襯砌上水壓力的大小及分布對隧道圍巖穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響及其規(guī)律，對高水壓富水區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 水壓力確定方法

2.1 水從襯砌滲流進(jìn)隧道時(shí)

將作用在襯砌內(nèi)的水荷載等效成作用在襯砌外表面的水壓力荷載。由圖1可以得到作用在襯砌外表面的等效水壓力荷載Fl為

式中，r1為襯砌內(nèi)半徑;rl為襯砌外半徑;Pl為襯砌背后水壓力;P1為襯砌內(nèi)表面水壓力(鐵路、公路隧道取0，水工引水隧道取內(nèi)水壓力)。

將作用在注漿圈內(nèi)的水荷載等效為作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載，由圖1可以得到作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載Fg為

圖1 水壓力荷載計(jì)算圖示

式中，rg為注漿圈半徑;Pg為注漿圈外表面水壓力。

2.2 水通過襯砌背后的排水系統(tǒng)排出時(shí)

Pl值采用模型試驗(yàn)[1]的結(jié)果。

作用在注漿圈外表面的等效水壓力荷載采仍用式(2)計(jì)算。

當(dāng)襯砌斷面為蛋形時(shí)，采用等效半徑進(jìn)行近似計(jì)算。

3 計(jì)算工況

根據(jù)水壓力作用系數(shù)、隧道模擬排水形式、隧道控制排水量、襯砌斷面形式進(jìn)行組合，分7種工況計(jì)算，工況的劃分見表1。工況3，工況6分別為蛋形斷面和圓形斷面無水時(shí)的情況，用于計(jì)算結(jié)果的比較分析。

圓梁山隧道高水壓段采用3～8 m的注漿圈堵水，注漿的主要目的是減小注漿圈內(nèi)圍巖的滲透系數(shù)。以注漿圈厚度5 m為例進(jìn)行計(jì)算分析，其他注漿圈厚度可參照此方法進(jìn)行[5]。

作用在注漿圈外表面和襯砌外表面的等效水壓力荷載見表1[1]。表中，工況7襯砌上等效水壓力荷載為平均值，參照試驗(yàn)得出的水壓力施加[1]，如圖2所示。其余等效水壓力荷載在斷面上按均勻分布施加。

圖2 工況7襯砌外表面施加的水壓力分布(單位:MPa)

表1 平面有限元計(jì)算工況及等效水壓力荷載取值

4 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算分析采用大型商用有限元軟件ANSYS進(jìn)行，分析模型采用彈塑性平面應(yīng)變模型，圍巖(包括注漿圈部分)采用彈塑性材料模擬，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則，襯砌采用彈性梁單元進(jìn)行模擬。有限元分析模型和網(wǎng)格劃分如圖3所示。根據(jù)圓梁山隧道工程地質(zhì)勘測報(bào)告[4]和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，隧道圍巖主要為Ⅱ級圍巖(灰?guī)r為主)，因地下水豐富，地下水會(huì)降低圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，因此黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量按圍巖穩(wěn)定性低一級即Ⅲ級圍巖選取。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)的C40鋼筋混凝土(蛋形斷面)，C30-X型鋼混凝土(圓形斷面)參數(shù)選取。注漿圈的計(jì)算參數(shù)通過提高(提高10%)圍巖的變形模量E值來模擬，注漿圈的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別采用1.2 MPa和45°，注漿圈厚度為5 m。具體計(jì)算參數(shù)見表2。

圖3 有限元分析模型和網(wǎng)格劃分

表2 圍巖和襯砌計(jì)算參數(shù)

邊界條件:模型下邊界上施加法向位移約束(Y方向位移等于0)，下邊界中間點(diǎn)約束X方向位移。左右邊界和上邊界按地質(zhì)勘查報(bào)告分別施加14.45 MPa，15.78 MPa初始地應(yīng)力。

隧道開挖方式為全斷面開挖，開挖模擬是通過殺死開挖部分的單元實(shí)現(xiàn)的，即把死單元相關(guān)的剛度和荷載變?yōu)橐恍≈?如1×10-6)。襯砌施作通過激活單元和改變材料屬性來實(shí)現(xiàn)，水壓力按等效節(jié)點(diǎn)荷載大小施加在襯砌和注漿圈周邊節(jié)點(diǎn)上。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

工況1～工況7隧道位移、塑性應(yīng)變最大值見表3，襯砌內(nèi)力最大值見表4。

表3 各工況下隧道位移、塑性應(yīng)變最大值

表4 各工況下襯砌內(nèi)力最大值

5.1 有水壓與無水壓時(shí)的比較

采用蛋形斷面時(shí)，有無水壓隧道的位移和襯砌內(nèi)力分布形狀相似、最大值位置相同，只是數(shù)值不同。以工況3(無水壓)為基準(zhǔn)，將工況1(透水襯砌)和工況2(排水系統(tǒng))與工況3比較，結(jié)果見表5。

采用圓形斷面時(shí)，有無水壓隧道的位移和襯砌內(nèi)力分布形狀相似、最大值位置相同，只是數(shù)值不同。以工況6(無水壓)為基準(zhǔn)，將工況4(透水襯砌)、工況5(排水系統(tǒng))和工況7(墻腳排水)與工況6比較，結(jié)果見表6。

表5 蛋形斷面有水壓與無水壓比較結(jié)果

表6 圓形斷面有水壓與無水壓比較結(jié)果

由表5和表6可以看出:水壓力的存在使隧道位移增加，塑性區(qū)加大，對隧道的穩(wěn)定性是不利的，特別是對結(jié)構(gòu)受力(軸力、彎矩和剪力)的影響更加顯著。

5.2 襯砌滲出與排水系統(tǒng)排出的比較

采用蛋形斷面時(shí)，以工況1(透水襯砌)為基準(zhǔn)，將工況2(排水系統(tǒng))與工況1比較;采用圓形斷面時(shí)，以工況4(透水襯砌)為基準(zhǔn)，將工況5(排水系統(tǒng))與工況4比較。結(jié)果見表7。

表7 襯砌滲出與排水系統(tǒng)排出的比較結(jié)果 %

由表7可以看出:水壓力作用系數(shù)相同時(shí)，地下水從襯砌背后的排水系統(tǒng)排出時(shí)，隧道位移、塑性應(yīng)變、襯砌內(nèi)力的最大值比從襯砌滲出時(shí)要稍大，但增加量非常小，所以得到水壓力作用系數(shù)后用兩種情況計(jì)算均可。

5.3 蛋形斷面與圓形斷面的比較

水從襯砌滲出時(shí)，以工況4(圓形斷面)為基準(zhǔn)，將工況1(蛋形斷面)與工況4比較;水通過襯砌背后的排水系統(tǒng)排出時(shí)，以工況5(圓形斷面)為基準(zhǔn)，將工況2(蛋形斷面)與工況5比較，結(jié)果見表8。

表8 蛋形斷面與圓形斷面的比較結(jié)果 %

由表8可以看出:水壓力作用系數(shù)相同時(shí)，蛋形斷面比圓形斷面隧道豎向位移、位移矢量、襯砌軸力最大值有所減小(15% ～40%)，主要是由于采用圓形斷面時(shí)為滿足隧道限界要求，開挖斷面積比蛋形斷面積大所致。但是，蛋形斷面比圓形斷面隧道水平方向位移、塑性應(yīng)變、襯砌彎矩、剪力最大值都要增加，塑性區(qū)范圍增大約0.3 m，塑性應(yīng)變明顯增大，特別是彎矩和剪力增加很顯著。另外，蛋形斷面最大彎矩部位，軸力較小，引起截面偏心矩增大，會(huì)對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生顯著的不利影響。因此水壓力較大時(shí)，從圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力來講采用圓形斷面優(yōu)于蛋形斷面。

5.4 水壓不均勻分布與均勻分布比較

襯砌背后盲管排水系統(tǒng)局部堵塞后，可能造成襯砌背后水壓力分布不均勻，以工況4(水壓均勻分布)為基準(zhǔn)，將工況7(水壓不均勻分布)與工況4比較，結(jié)果見表9。

表9 水壓不均勻分布與均勻分布比較結(jié)果 %

由表9可以看出:水壓力不均勻分布比均勻分布隧道位移、塑性應(yīng)變、襯砌內(nèi)力的最大值都要增加，特別是塑性應(yīng)變和彎矩的最大值增加很顯著，水壓不均勻分布時(shí)塑性區(qū)寬度增加約0.1 m。另外，水壓不均勻分布時(shí)彎矩最大值位置的軸力還較小，引起截面偏心矩增加，對結(jié)構(gòu)受力不利。因此水壓力不均勻分布時(shí)對圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié)論

1)襯砌水壓力的存在使隧道位移增加，塑性區(qū)加大，對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利，特別是對結(jié)構(gòu)受力(軸力、彎矩和剪力)影響更加顯著。

2)襯砌水壓力作用系數(shù)相同時(shí)，地下水通過襯砌背后的排水系統(tǒng)排出時(shí)，隧道位移、塑性應(yīng)變、襯砌內(nèi)力的最大值比從襯砌滲出時(shí)要稍大，但增加量很小，所以得到水壓力作用系數(shù)后用兩種情況計(jì)算均可。

3)襯砌水壓力較大時(shí)，從圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力來講采用圓形斷面優(yōu)于蛋形斷面。

4)水壓力不均勻分布時(shí)對圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響。

5)高水壓隧道襯砌截面上的軸力、彎矩和剪力都很大，因此建議當(dāng)襯砌上的水壓力＞3.0 MPa時(shí)，必須進(jìn)行排水或增大隧道的控制排水量。

[1]高新強(qiáng).高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2005.

[2]王建秀，朱合華，葉偉民.隧道涌水量預(yù)測及工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7):1150-1153.

[3]代峪.云霧山隧道突泥災(zāi)害工程地質(zhì)特征與防治[J].鐵道建筑，2009(10):33-35.

[4]鐵道第二勘測設(shè)計(jì)院.圓梁山深埋特長隧道工程地質(zhì)勘測報(bào)告[R].成都:鐵道第二勘測設(shè)計(jì)院，2000.

[5]高新強(qiáng)，仇文革，高楊.山嶺隧道高水壓下襯砌結(jié)構(gòu)平面數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(3):365-369.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2001 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2001.

U451

A

1003-1995(2012)06-0074-04

2012-01-10;

2012-03-14

鐵道部科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2001G009-2);河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2010001060);石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院基金項(xiàng)目(52704706)

高新強(qiáng)(1970— )，男，山東鄒平人，副教授，博士。

(責(zé)任審編 葛全紅)