水壓力作用下公路隧道襯砌受力特性研究

戴李春，齊俊，張寧寧，孟猛

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西西安710065;2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京100044)

水壓力作用下公路隧道襯砌受力特性研究

戴李春1，齊俊2，張寧寧2，孟猛2

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西西安710065;2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京100044)

貴甕高速公路建中隧道在施工過程中二襯出現(xiàn)大量滲漏水的情況，本文借助有限差分軟件FLAC3D建立流固耦合模型，在固體場與滲流場共同作用下，對不同水壓力作用下二襯的受力特性進行了數(shù)值模擬分析，得到了二襯內(nèi)力及安全系數(shù)隨水壓力的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，在一定的水壓力下，二襯的安全系數(shù)已低于規(guī)范要求。為保證施工安全及順利進行，建議對可能出現(xiàn)高水壓力的施工段采取提高排水控制量及對二襯進行優(yōu)化等措施。

公路隧道 水壓力 數(shù)值模擬 二次襯砌

巖溶地區(qū)由于其獨特的地質(zhì)特點，地層中溶溝溶槽較為發(fā)育，地表降水極易滲入地下，與地下水匯合，使地下水位產(chǎn)生變化［1］。而在巖溶地區(qū)的隧道施工中，若將地下水大量排放，會破壞地表環(huán)境導(dǎo)致一系列問題。因此巖溶富水區(qū)的隧道施工大多采用“以堵為主，限量排放”的防排水原則，這使得隧道襯砌難以避免地承受水壓力作用［2-5］。由于降水等原因使隧道墻后水壓上升，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變差，內(nèi)力重新分布，進一步使得一些位置安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。反映在實際工程中就是:襯砌出現(xiàn)裂縫并伴隨漏水現(xiàn)象［6-9］。為了降低水壓力對隧道施工及運營安全的影響，需進一步對水壓力下襯砌的受力特性進行分析。本文針對貴甕高速公路建中隧道施工過程中出現(xiàn)的二襯大量滲漏水現(xiàn)象，對二襯在不同水壓力下的受力特性進行了數(shù)值模擬分析，為后續(xù)施工的順利進行提供參考。

1 工程簡介

貴甕高速公路建中隧道隧址區(qū)地表溶溝溶槽發(fā)育，K81+70—K81+220段地表落水洞較密集。2014年7月16日至19日，甕安縣建中鎮(zhèn)出現(xiàn)持續(xù)暴雨，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T監(jiān)測最大降雨量達120 mm。建中隧道隧址地表水流沿落水洞滲至建中隧道主線區(qū)域，導(dǎo)致隧道左洞ZK81+070—ZK81+162段、右洞YK81+ 155—YK81+255段二襯拱腰側(cè)墻及掌子面出現(xiàn)大量滲漏水現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值分析模型及參數(shù)

根據(jù)建中隧道復(fù)雜的工程條件和水文地質(zhì)條件，選取ZK81+100為典型斷面，采用有限差分程序FLAC3D，對不同水壓力下二襯的受力特性及安全性進行計算分析。圍巖采用實體單元、摩爾—庫倫模型、大變形模式來模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用程序內(nèi)置shell單元、彈性模型、不透水模式進行模擬［10］。圍巖及二次襯砌混凝土的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工實際狀況并結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進行選取，主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

計算采用地層—結(jié)構(gòu)模型。計算模型選取范圍:隧道斷面左右兩側(cè)各取約4倍的隧道洞徑，共計100 m長;該斷面隧道埋深約50 m，豎直方向由隧道中心至下邊界取約5倍洞徑，共計100 m。模型左右邊界、前后邊界和下部邊界均施加法向位移約束。

2.2 計算工況及過程控制

本文采用先滲流、后應(yīng)力的方法進行數(shù)值模擬計算，將穩(wěn)定的滲流狀態(tài)作為邊界條件加入固體計算中，進行流固耦合分析。計算時，首先將固體場關(guān)閉，單獨進行流體計算，待滲流穩(wěn)定后，關(guān)閉滲流場，開啟固體應(yīng)力場，將滲流分析得到的節(jié)點孔隙水壓力施加到固體力學(xué)計算中。

計算中圍巖滲透系數(shù)取0.002 cm/s，孔隙率0.3，二襯完全不透水。分別計算水頭高度0，5，10，15，20，30，40 m 7種工況下二襯的受力情況。

2.3 二次襯砌內(nèi)力計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計算可知，隨著水頭高度的增加，水壓力不斷增加，隧道二次襯砌產(chǎn)生的內(nèi)力均有不同程度的增加。

1)軸力變化特征。40 m水頭時二次襯砌軸力分布如圖1所示。

圖1 40 m水頭下二次襯砌軸力分布

由圖1可得:①二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位軸力均為壓力，隨著水壓力的增加二次襯砌各部位軸力也有所增加。水頭由0增加至40 m，最大軸力由2 127 kN增大為3 983 kN，最小軸力也由1 148 kN增大為2 354 kN，變化較為明顯。②不同水壓力下二次襯砌軸力均是由拱頂開始沿拱圈向下逐漸增大，最大軸力出現(xiàn)在側(cè)墻處。拱底軸力相對拱圈軸力較小，且呈兩側(cè)大中間小分布。

二次襯砌軸力隨水頭變化曲線見圖2。有水壓力時的軸力相對于無水壓力的情況有大幅增加，有水壓力時軸力隨水頭的增加基本呈線性增長趨勢，且拱底的軸力增加速率略小于側(cè)墻處。

圖2 二次襯砌軸力隨水頭變化曲線

2)彎矩變化特征。由分析計算結(jié)果可得:①不同水壓力下二次襯砌大部分部位彎矩為正彎矩(外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)受拉)，且數(shù)值相對較小，在拱腳處產(chǎn)生最大負(fù)彎矩(外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓)。最大正彎矩則出現(xiàn)在拱底兩側(cè)，距拱腳約1.5 m處。②拱腳部位產(chǎn)生的負(fù)彎矩變化較為顯著，均隨著水頭增加而增加，近似呈線性變化趨勢，其他部位彎矩相對較小，變化也不顯著，如圖3所示。

圖3 二次襯砌彎矩隨水頭變化曲線

3)剪力變化特征。由分析計算結(jié)果可知，二次襯砌剪力分布規(guī)律與彎矩相似，即拱腳與拱底兩側(cè)剪力較大，并隨水頭增加而有所增大。其他部位剪力較小，且隨著水頭增加，變化也不明顯。

二次襯砌最大剪力隨水頭變化曲線如圖4所示。從圖中可知，二次襯砌最大剪力隨著水頭的增加近似呈線性增加趨勢。

圖4 二次襯砌最大剪力隨水頭變化曲線

2.4 二次襯砌安全性分析

結(jié)合上文數(shù)值分析結(jié)果進一步分析可知，不同水頭工況下二次襯砌各部位的強度安全系數(shù)受軸力影響最為明顯。拱底所受軸力最小，安全系數(shù)則最高，而側(cè)墻處軸力最大，安全系數(shù)最低，拱頂及拱肩處次之。因此，側(cè)墻部位是整個二襯的最不利單元，由抗拉強度控制承載力?？紤]到二襯整體的安全性，故計算側(cè)墻處的安全系數(shù)進行分析?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范》中指出，隧道襯砌混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件抗拉強度按下式進行計算。

式中:K為安全系數(shù);N為軸向力，kN;Rl為混凝土抗拉極限強度;b為截面寬度，m;h為截面高度，m;φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對于貼壁式隧道襯砌可取φ=1; e0為截面偏心距，m。

由上式計算出側(cè)墻處的安全系數(shù)，取各工況下的最小值繪制安全系數(shù)隨水壓力變化曲線，見圖5。

圖5 側(cè)墻處安全系數(shù)隨水頭高度變化曲線

由圖5可知，當(dāng)隧道承受外水壓作用時，隨著水壓力的增大，側(cè)墻部位二襯的強度安全系數(shù)逐漸減小，近似呈線性遞減趨勢。當(dāng)?shù)叵滤^高度為20 m時，側(cè)墻的安全系數(shù)已＜2.0，不滿足《公路隧道設(shè)計規(guī)范》的要求。而該斷面隧道的實際埋深為50 m，并且隧址區(qū)常遭遇強降雨，由于溶溝溶槽發(fā)育，雨水滲入地下與原有地下水匯流共同作用，很有可能使隧道襯砌結(jié)構(gòu)遭遇地下水頭高于20 m的水壓力。因此為了保證隧道在后續(xù)施工及運營過程中的安全，應(yīng)在施工過程中適當(dāng)提高隧道的排水量控制標(biāo)準(zhǔn)，從而減小二襯所承受的水壓力，或?qū)⑺淼绹鷰r的注漿圈半徑加大，確保良好的圍巖注漿效果。必要時還應(yīng)對側(cè)墻處的襯砌結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，適當(dāng)加厚或加強襯砌內(nèi)部的配筋布置，改善其受力特性，保證隧道的穩(wěn)定與安全。

3 建中隧道滲漏水段處理措施

經(jīng)分析并結(jié)合現(xiàn)場實際情況制定建中隧道滲漏水段具體處理措施如下:

1)完善該段隧道地表落水洞周邊排水系統(tǒng)，采用1 m×1 m C20混凝土排水溝，防止地表水匯流至洞頂落水洞;然后對地表影響范圍內(nèi)存在的落水洞進行回填封堵。

2)對該段仰拱進行地質(zhì)鉆探，核查底板厚度及地下泄流通道。

3)鑿除ZK81+086—ZK81+120段已開裂二次襯砌，若側(cè)壁存在溶腔，則對初期支護后溶腔泵送混凝土填充;若不存在溶腔，則對初期支護后進行注漿，并采用鋼筋混凝土襯砌重新澆筑。

4)在6號人行橫道底部增設(shè)3φ116 mm縱向排水管，與主洞中心排水溝相接。

5)施工過程中加強監(jiān)控量測，確保施工安全。

采取上述措施后，隧道施工能順利進行，確保了安全性，效果良好。

4 結(jié)語

巖溶地區(qū)因常遭受強降雨，且溶溝溶槽發(fā)育，隧道施工時地下水頭會因此升高，從而使襯砌遭受較高的水壓力作用。通過對不同水壓力條件下二襯受力特性及變形規(guī)律進行數(shù)值模擬分析可以得出:隨著水壓力的增大，二襯各部位的內(nèi)力均有不同程度的增加，其中最大軸力出現(xiàn)在側(cè)墻處，最大彎矩及剪力則出現(xiàn)在拱腳及拱底兩側(cè)，且內(nèi)力隨水壓力大致呈線性增加趨勢。由于二襯強度安全系數(shù)大體由所受軸力決定，故側(cè)墻為二襯最薄弱部位，在地下水頭高度為20 m時，安全系數(shù)已不滿足規(guī)范要求。施工時應(yīng)提高隧道排水量控制標(biāo)準(zhǔn)或?qū)?cè)墻部二襯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來保證隧道施工及后期運營的安全。建中隧道滲漏水段采取相應(yīng)處理措施后，效果良好，后續(xù)施工能順利進行。

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(責(zé)任審編趙其文)

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.21

1003-1995(2015)12-0077-03

2015-03-27;

2015-08-17

戴李春(1983—)，男，高級工程師，工程碩士。