考慮水壓力作用下隧道襯砌厚度的探討

李金鑫

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410008)

在以往的隧道設(shè)計(jì)中，往往只考慮圍巖壓力，對地下水不夠重視，導(dǎo)致隧道襯砌設(shè)計(jì)偏薄，引起隧道襯砌在運(yùn)營中開裂、滲水，嚴(yán)重影響了隧道運(yùn)營安全。實(shí)際上在軟巖富水段中，隧道襯砌處在圍巖應(yīng)力場和滲流場中，襯砌承受圍巖壓力和水壓的雙重作用，與單獨(dú)承受圍巖壓力相比，隧道襯砌的受力要更大。因此，在富水段進(jìn)行隧道襯砌設(shè)計(jì)，不能忽略水壓力，否則會帶來災(zāi)難性的后果。

1 項(xiàng)目背景

永吉高速公路六月田隧道K2+360 ～400 處在軟巖富水段中。圍巖從上而下依次為粘土(厚5 m)、全風(fēng)化泥質(zhì)板巖(厚6 m)、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖。該段隧道埋深為20 ～30 m，區(qū)域內(nèi)圍巖穩(wěn)定性差，且圍巖內(nèi)部富水。隧道襯砌不但要承擔(dān)圍巖壓力，而且要承擔(dān)圍巖內(nèi)部水壓力，對隧道襯砌極為不利。本文對隧道襯砌的厚度進(jìn)行了探討，通過理論公式計(jì)算出圍巖壓力荷載、水壓力荷載，然后采用荷載結(jié)構(gòu)法對襯砌進(jìn)行計(jì)算，探討隧道襯砌合理的厚度。隧道建筑限界見圖1。

圖1 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓(單位:cm)

2 壓力的計(jì)算

2.1 圍巖壓力的計(jì)算

隧道規(guī)范中淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式如下，荷載分布圖見圖2 所示。

作用于隧道兩側(cè)的側(cè)壓力假定為梯形分布，側(cè)向水平壓力e 的計(jì)算表達(dá)式如下:

e1=λγH

圖2 荷載分布圖

B 為洞室跨度，m;H 為地面至洞室頂部的距離，m;h 為洞室高度;λ 為側(cè)壓力系數(shù);γ 為圍巖重度。

各級圍巖θ 值及側(cè)壓力系數(shù)分別見表1、表2。

表1 各級圍巖的θ 值

表2 圍巖側(cè)壓力系數(shù)

2.2 襯砌外側(cè)水壓力計(jì)算

作用在全封閉式襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)外的水壓力荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式計(jì)算:

式中:P 為水壓力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m－2;β 為外水壓折減系數(shù)，可按表3 的規(guī)定取值;γ 為水的重度;H為作用水頭，為設(shè)計(jì)采用的地下水位線與隧道中心線之間的高差。

表3 折減系數(shù)取值

3 計(jì)算

采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算。通過以上公式分別計(jì)算出圍巖壓力、外側(cè)水壓力，然后采用Midas 數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算斷面取隧道埋深最深處，埋深為30 m，圍巖水位取20 m(洞頂以上20 m)?？倝毫閲鷰r壓力與水壓力之和，由于隧道襯砌含初期支護(hù)和二次襯砌，在軟弱圍巖中，初期支護(hù)承擔(dān)30%的總壓力，而二次襯砌承擔(dān)70%的總壓力，本文只對二次襯砌的厚度進(jìn)行探討。計(jì)算分2 種工況:①襯砌厚度為45 cm;②襯砌厚度分別為50 cm、55 cm。具體見表4。

表4 計(jì)算工況

3.1 計(jì)算參數(shù)及荷載

本項(xiàng)目圍巖參數(shù)及襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5、表6所示，二次襯砌為C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

表5 圍巖參數(shù)

表6 襯砌參數(shù)

1)圍巖壓力。

由表5 可知，圍巖分為3 層，可以得出圍巖重度及內(nèi)摩擦角的平均值。

文中H=30 m，根據(jù)隧道內(nèi)輪廓圖1 可知h=9.01 m，隧道寬度B=11.62 m，根據(jù)表1、表2，θ=0.6φc=16.44°，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.4，則根據(jù)公式(1)得出:

根據(jù)公式(2)得出:

2)外側(cè)水壓力。

水位高度H=20 m，根據(jù)本項(xiàng)目圍巖情況，外水壓折減系數(shù)β 取0.75，γ=9.8 kN·m－3。根據(jù)公式(3)可以得出水壓力:

3.2 計(jì)算模型

在計(jì)算中隧道襯砌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表6 所示。計(jì)算模型及邊界條件、施加壓力荷載見圖3 所示。本項(xiàng)目中圍巖分3 層，見表4所示，通過上文公式已得出圍巖壓力(平均壓力)，地基反力取5 000 kN/m2。

圖3 計(jì)算模型及壓力

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 工況1:襯砌厚度為45 cm

通過計(jì)算分別得出不考慮水壓和考慮水壓力2種情況下二次襯砌的應(yīng)力，見圖4、圖5 所示。

圖4 不考慮水壓力襯砌應(yīng)力

從圖中可以看出，襯砌最大應(yīng)力值發(fā)生在拱腳位置，不考慮襯砌水壓力情況下，二次襯砌最大應(yīng)力值為10.8 MPa，考慮水壓力情況下二次襯砌應(yīng)力最大值為13.1 MPa，很明顯考慮水壓作用下二次襯砌應(yīng)力增大;隧道規(guī)范中C30 混凝土彎曲受壓及偏心受壓強(qiáng)度為11.2 MPa，如果不考慮水壓的話，二次襯砌厚度能滿足要求，而考慮水壓力的二次襯砌應(yīng)力最大值要比規(guī)范值大，不滿足規(guī)范要求。從以上分析可以看出，水壓力對襯砌的受力影響較大，在富水段圍巖中進(jìn)行隧道二次襯砌設(shè)計(jì)，水壓力不容忽視。

圖5 考慮水壓力襯砌應(yīng)力

3.3.2 工況2:襯砌厚度為50 cm、55 cm

從上文分析可以看出，當(dāng)隧道二次襯砌厚度為45 cm 時(shí)，考慮水壓力情況下，二次襯砌厚度不滿足要求，必須要增加二次襯砌厚度;考慮水壓力通過計(jì)算分別得出二次襯砌厚度為50 cm、55 cm 情況下襯砌的應(yīng)力，見圖6、圖7 所示。

圖6 二次襯砌厚度為50 cm

圖7 二次襯砌厚度為55 cm

從圖中可以看出，二次襯砌最大應(yīng)力值發(fā)生在拱腳位置，考慮水壓力情況下，當(dāng)襯砌厚度為50 cm時(shí)，最大應(yīng)力值為12.5 MPa;當(dāng)二次襯砌厚度為55 cm 時(shí)，最大應(yīng)力值為10.6 MPa，由此可以得出二次襯砌厚度為55 cm 時(shí)能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

本文的結(jié)論有:①在富水段圍巖中進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)，往往忽視了水壓對隧道襯砌的影響，容易導(dǎo)致襯砌在后期隧道運(yùn)行過程中出現(xiàn)開裂、滲水的現(xiàn)象;隧道襯砌的壓力應(yīng)為圍巖壓力和水壓力之和。②通過公式分別計(jì)算出圍壓壓力、水壓力，采用荷載結(jié)構(gòu)法對隧道二次襯砌進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，不考慮水壓力情況下，45 cm 厚的二次襯砌最大應(yīng)力值為10.8 MPa，能滿足規(guī)范要求，而考慮水壓力的情況下，襯砌應(yīng)力最大值為13.1 MPa，不能滿足規(guī)范要求;在考慮水壓力情況下，當(dāng)二次襯砌厚度增大到55 cm時(shí)，二次襯砌最大應(yīng)力值為10.6 MPa，能滿足規(guī)范要求。

本文的建議有:在隧道襯砌設(shè)計(jì)過程中，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比法對襯砌厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際上每個(gè)項(xiàng)目隧道圍巖及富水情況不一致，因此，建議在隧道設(shè)計(jì)過程中根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)通過計(jì)算來確定襯砌的厚度，以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及后期隧道運(yùn)行安全。

［1］JTGD70－2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTG/TD70－2010，公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［3］徐曾和.滲流的流固耦合問題及應(yīng)用滲流的流固耦合問題及應(yīng)用［D］.沈陽:東北大學(xué)，1998.

［4］黃 濤.滲流場與應(yīng)力場耦合環(huán)境下裂隙同巖型隧道涌水預(yù)測的研究［D］.成都:兩南交通大學(xué)，1997.

［5］楊璐玲.巖體滲流場數(shù)值分析方法研究［D］.天津:天津大學(xué)，2003.