安平隧道襯砌水壓力分析*

肖文貴， 傅鶴林

(1.龍瑯高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 婁底 417000；2.中南大學(xué)， 湖南 長沙 410075)

影響隧道襯砌水壓力的因素主要有外部因素和內(nèi)部因素兩類，外部因素有大氣降雨、周邊復(fù)雜水系環(huán)境和水流通道等，內(nèi)部因素主要有地下水來源、圍巖的滲透系數(shù)、襯砌外加固圈和襯砌的滲透系數(shù)、地下水頭大小等。湖南龍瑯(漣源市龍?zhí)伶?zhèn)—新化縣瑯塘鎮(zhèn))高速公路安平隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，施工中屢次出現(xiàn)巖溶突水。該文以該隧道為例，研究隧道襯砌水壓力的分布。

1 隧道巖溶突水情況

1.1 工程地質(zhì)

安平隧道起訖里程為K13+198—K16+750，全長3 552 m，最大埋深342.69 m。進(jìn)口右洞掌子面開挖至K13+803.5，無地下水，該處埋深305 m。原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況：微風(fēng)化灰?guī)r，偶夾泥質(zhì)灰?guī)r，層間具錯(cuò)動和輕微溶蝕現(xiàn)象；發(fā)育有溶蝕裂隙或溶洞，地下水分布不均，基本較貧乏，但可能分布豎直型巖溶裂隙，地表連接巖溶洼地、漏斗等，為Ⅲ級圍巖(見圖1)。

圖1 安平隧道剖面圖(單位：m)

1.2 水文地質(zhì)

隧道區(qū)地下水主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水，地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水、沿南北向斷層和巖溶帶的縱向遠(yuǎn)距離補(bǔ)給。

設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)調(diào)查和鉆孔水位測量結(jié)果表明，洞內(nèi)地下水位從進(jìn)口往出口持續(xù)降低，出口段已低于隧道標(biāo)高。進(jìn)口段地下水基本從月光巖的溶蝕管道流出，水量約2 000 t/d，暴雨季節(jié)約2萬t/d，出水高程475.90 m。鉆孔鉆探結(jié)果顯示：洞身ZK13-3(K13+838)鉆孔水位離孔口79.50～81.20 m，水位高程684.95～686.65 m；CZK13-1(K14+440)鉆孔水位離孔口71.20 m，水位高程679.10 m；ZK15-3(K15+648)鉆孔水位離孔口80.00 m，水位高程525.00 m；CZK15-2(K16+731)鉆孔水位離孔口39.50 m，水位高程489.80 m。

1.3 巖溶發(fā)育情況

隧址區(qū)的灰?guī)r地層巖溶較發(fā)育，分布于巖層上部，其次為沿地層傾向較發(fā)育，下部白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r地層巖溶發(fā)育一般或不甚發(fā)育，以裂隙為主。區(qū)內(nèi)地層分布較復(fù)雜，巖性差異較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育。但由于線路展布方向與地層走向、斷裂延伸方向大角度相交或近于直交，構(gòu)造對隧道的影響有限，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定。

K13+600—K14+800段洞身段多分布豎直型巖溶裂隙，深度較大，地表連接巖溶洼地、漏斗等，地下發(fā)育深度幾十米至幾百米不等，向下延伸至洞室，部分溶蝕裂隙影響到隧道區(qū)甚至以下，貫通的巖溶裂隙對隧道影響較大。根據(jù)ZK13-3、CZK13-1鉆孔鉆探結(jié)果，巖溶主要發(fā)育于地表以下50.0 m范圍，下部巖溶發(fā)育一般或不甚發(fā)育。

K13+750—K14+000段巖溶在地表表現(xiàn)為巖溶漏斗、落水洞等，根據(jù)ZK13-3鉆孔鉆探結(jié)果，上部50 m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，局部巖溶裂隙向下延伸至洞室，貫通的溶蝕裂隙對隧道影響大。該段施工會有突水可能。

K14+000—800段巖溶地表為溶溝溶槽，根據(jù)CZK13-1鉆孔鉆探結(jié)果，該段巖溶總體發(fā)育一般，局部巖溶較發(fā)育，受構(gòu)造擠壓影響，巖體較破碎，構(gòu)造裂隙與巖溶裂隙相連并向下延伸至洞室，會對隧道造成較大影響。該段施工會有淋雨現(xiàn)象，局部會有突水可能。

從2018年12月下雪以來，一直持續(xù)陰雨天氣，其中2月有22天降雨。掌子面出水后，掌子面上方地表雖未見外露的水塘、水庫、集水坑等，但有大面積匯水區(qū)(見圖2)。

圖2 地表匯水情況

1.4 巖溶突水情況

右洞進(jìn)洞之后，已施工的605 m中，前400 m(K13+640以前)主要為鈣質(zhì)頁巖或夾灰?guī)r，微風(fēng)化為主，局部節(jié)理發(fā)育。K13+640以后，逐漸由鈣質(zhì)頁巖變?yōu)槲L(fēng)化灰?guī)r和巖溶化灰?guī)r，圍巖完整性較好，多為中～厚層狀，巖質(zhì)較硬，巖體完整性較好，局部裂隙稍發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較好。施工中，地下水貧乏，僅局部(K13+793左側(cè)邊墻、K13+780拱頂、K13+730左側(cè)拱腰等)有滴水現(xiàn)象。

洞身K13+680—760段發(fā)育一道F5-1斷層帶，與路線約呈80°相交，走向北東，傾向北西，傾角約65°，巖層擠壓帶和破碎帶寬約80 m，是一條高壓富水帶。為地表水轉(zhuǎn)入地下水的入口地帶，地下水豐富，活動強(qiáng)烈，形成規(guī)模不等的溶蝕裂隙、溶洞甚至地下暗河，且為南北方向地下水的通道。但實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)該段圍巖完整性較好，未見地下水，按三級施工。

截至2019年3月9日，K13+803.5掌子面共施工出水孔和超前探孔16個(gè)(見圖3)。3月2日，掌子面右側(cè)拱腰附近在施作加深炮眼時(shí)出現(xiàn)地下水。最開始為清水，3月3日下午開始變?yōu)闇啙崴?。該階段隧道水流量為130 m3/h，總出水量為130 m3/h×8.5 h=1 105 m3，累計(jì)出水1 555 m3。

圖3 掌子面鉆孔布置

3月3日21：30，1#～5#孔內(nèi)水量減少，但仍為渾濁泥漿水，其中5#孔內(nèi)水流水平噴射距離為4 m。這種涌水情況一直持續(xù)至4日2：30第二批超前鉆孔施工完畢。該階段水流量為90 m3/h，總出水量為90 m3/h×5 h=450 m3，累計(jì)出水2 005 m3。

3月4日2：30，在5#孔四周施工6#～9#孔徑600 mm的鉆孔。其中：6#、8#孔深4.5 m，有水淌出；7#、9#孔深4.5 m，均未見水。1#孔內(nèi)冒水量劇烈增加，孔高4 m，水平噴射距離8 m。5#孔內(nèi)水流水平噴射距離為2 m。2#、3#、4#孔內(nèi)仍持續(xù)向外流淌少量渾濁水。該冒水情況一直持續(xù)至3月4日16：10仍未變化。洞內(nèi)掌子面后方地面有泥質(zhì)沉淀物堆積，厚度3～7 cm。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為140 m3/h×14 h=1 960 m3，累計(jì)出水3 965 m3。

3月4日16：10，在8#孔左側(cè)40 cm位置施工10#超前鉆孔，孔徑800 mm。10#孔鉆至9 m深時(shí)開始冒水，孔高4 m，水平噴射因臺車影響無法確定，為渾濁水。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為160 m3/h×5 h=800 m3，累計(jì)出水4 765 m3。

3月4日21：30，在掌子面中間距地面4 m高的位置施工11#超前鉆孔，孔徑800 mm。11#孔鉆至10 m深時(shí)開始冒水，水平噴射距離因臺車影響無法確定，為渾濁水。1#、5#、10#孔內(nèi)水量減少，水平噴射距離因臺車影響無法確定。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為150 m3/h×48 h=7 200 m3，累計(jì)出水11 965 m3。

3月6日21：30，在11#孔左側(cè)距地面4 m高的位置施工12#超前鉆孔，孔徑800 mm。12#孔鉆至9.5 m深時(shí)開始出水，為渾濁水，繼續(xù)鉆進(jìn)3.5～4 m后遇到巖石。1#、5#、10#、11#孔內(nèi)水量減少，總出水量變化不大，水平噴射距離因臺車影響無法確定。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為150 m3/h×5 h=750 m3，累計(jì)出水12 715 m3。

3月9日，在13#和14#孔之間、12#孔下方分別施工15#、16#超前鉆孔，孔徑80 mm。15#孔鉆進(jìn)5 m后卡鉆，孔內(nèi)有渾濁水流出。16#孔共鉆進(jìn)13 m，在11 m處有渾濁水流出，有2 m空腔，且在推進(jìn)鉆桿過程中，11#和12#孔內(nèi)有噴水現(xiàn)象。到3月9日23：00，出水量約為70 m3/h×48 h=3 360 m3，累計(jì)出水17 755 m3。水流情況見圖4。

圖4 隧道突水情況

K13+793左側(cè)邊墻有一爆破遺留孔，3月1日有輕微淌水。3月3日13：30，2#超前探孔施工完畢后，該孔的水流開始增大；17：30超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP完成，掌子面水變渾濁，該孔內(nèi)水也變渾濁。3月4日凌晨，5#孔施工完畢且開始涌水后，該孔內(nèi)水仍為渾濁水，但水量開始減少。

1.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

2018年12月2日進(jìn)行長度為125 m的TSP探測，該段內(nèi)圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部有地下水發(fā)育。

2019年1月20日，在YK13+753處進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探，探明YK13+753—833段為微風(fēng)化灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，未發(fā)現(xiàn)前方有泥質(zhì)、地下水、空腔體等異常情況。

2月28日，在YK13+790—820段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描探測，該段圍巖主要為微～弱風(fēng)化隱晶質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，多呈中～厚層狀，巖體大部較完整，局部破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，巖質(zhì)較硬，局部圍巖間有硅質(zhì)和角礫膠結(jié)，圍巖穩(wěn)定性較好。

3月3日9：00，對右洞掌子面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，水平方向沿拱頂、拱腰、拱底布置3條測線，并在1#孔左側(cè)沿豎直方向布置1條測線，對掌子面前方情況進(jìn)行探測。下午在掌子面進(jìn)行TSP探測。綜合這兩次探測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況和鉆孔情況，得出：1) YK13+803—840段面向掌子面左側(cè)和中部區(qū)域的圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部較完整，局部較破碎，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)較硬。YK13+806—809段右側(cè)區(qū)域有強(qiáng)裂隙水發(fā)育，YK13+810—818段右側(cè)及右側(cè)輪廓線外有溶蝕溝槽或溶洞發(fā)育，溶蝕溝槽或溶洞中有大量承壓水和泥質(zhì)充填，YK13+810—818段可能發(fā)生突泥突水。2) YK13+840—880段圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體破碎～較破碎，裂隙或溶蝕裂隙較發(fā)育。該段可能會斷續(xù)出現(xiàn)溶蝕溝槽或溶洞，溶蝕溝槽或溶洞中有水和泥質(zhì)物充填。3) YK13+880—900段圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部較完整，局部較破碎，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖質(zhì)較硬，地下水較發(fā)育。4) YK13+900—920段圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體較破碎，局部裂隙或溶蝕裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬。

3月7—8日，對隧道洞頂?shù)乇磉M(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，在掌子面中部偏左補(bǔ)充進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描。結(jié)合前期地質(zhì)雷達(dá)掃描結(jié)果和超前探孔結(jié)果，得出：YK13+803—825段圍巖為微～弱風(fēng)化灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部完整，局部較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)硬；YK13+806—809段有溶蝕裂隙和溶蝕溝槽發(fā)育，溶蝕裂隙和溝槽中含水；YK13+810—818段隧道中線往左2 m至右側(cè)有溶蝕溝槽和溶洞發(fā)育，推測該溶洞向隧道右側(cè)輪廓線外發(fā)育，溶蝕溝槽和溶洞中有水和少量泥質(zhì)充填。

2 隧道襯砌水壓力

2.1 突水處理方案

(1) 根據(jù)地層揭露情況，施工風(fēng)險(xiǎn)基本可控，可進(jìn)行短進(jìn)尺、弱爆破開挖施工，但應(yīng)制訂突水涌泥安全預(yù)警方案。

(2) 加強(qiáng)超前超長鉆孔探測，查明巖溶發(fā)育特征，根據(jù)巖溶形態(tài)采取合適的處治措施。若揭露巖溶為管道流，隧道施工后應(yīng)恢復(fù)原有管道的連通，維持原有水系；如揭露巖溶為裂隙流，則采取以堵為主、限量排放的措施，并采用抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)。

(3) 加強(qiáng)隧道內(nèi)監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地表水和地下水環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查。

2.2 襯砌水壓力計(jì)算

加固圈的滲透系數(shù)k1=3.51×10-6cm/s，襯砌的滲透系數(shù)kc=1.23×10-7cm/s，圍巖平均滲透系數(shù)k2=4.12×10-4cm/s。半徑R=32 m以外，原始滲流場水壓力與地下水水壓力相等，即Pi=50 kPa，相當(dāng)于5 m高的水柱頭?；诹鞴恬詈嫌?jì)算，得到圍巖、襯砌和加固圈中地下水滲透壓力分布(見圖5～7)。

圖5 圍巖中滲透水壓力分布

圖6 襯砌中滲透水壓力分布

圖7 加固圈中滲透水壓力分布

2.3 基于周邊位移計(jì)算作用在襯砌上的壓力

根據(jù)設(shè)計(jì)，隧道按照Ⅳ級加強(qiáng)圍巖支護(hù)，設(shè)有仰拱結(jié)構(gòu)。因此，隧道拱腳約束為鉸接，假設(shè)隧道拱腳處位移忽略不計(jì)。隧道上半斷面內(nèi)輪廓見圖8。通過監(jiān)控量測，得到隧道拱頂豎向位移，根據(jù)豎向位移求出作用在隧道襯砌上的壓力，并將計(jì)算出的壓力簡化為徑向均布荷載(荷載沿隧道洞周范圍均勻分布)。如果考慮滲透水壓力，則該力為水壓力和圍巖壓力的總和；如果不考慮滲透水壓力，則該力為圍巖壓力。

R為拱圈半徑；δh為拱項(xiàng)累積下沉量；ψA為拱腳處切線的轉(zhuǎn)角(以逆時(shí)針為正)；VA、VB、HA、HB為拱腳支承反力；θ(0≤θ≤π)為拱跨結(jié)構(gòu)對應(yīng)的圓心角的一半；實(shí)線部分為變形前的輪廓，虛線部分為變形后的輪廓。

圖8 隧道斷面總體示意圖

圖9 隧道斷面受力示意圖

通過分析，得ψA與δh的關(guān)系近似為：

(1)

假定在2φ(0<φ<θ)范圍內(nèi)兩側(cè)對稱分布徑向壓力w(隧道斷面受力見圖9)，則豎直方向的分力(分布荷載的合力在水平方向的分力為零)為：

(2)

分布荷載對A點(diǎn)的力矩為：

MAw=2R2wsinφsinθ

(3)

由結(jié)構(gòu)力平衡及對A點(diǎn)的力矩平衡，有：

HB+HA=0

(4)

VA+VB-Vw=0

(5)

MAw-2RVBsinθ=0

(6)

A點(diǎn)的水平位移和轉(zhuǎn)角在隧道結(jié)構(gòu)在荷載w作用下的關(guān)系為：

(7)

式中：EI為襯砌結(jié)構(gòu)抗彎剛度；AHH=2θc2+k1(θ-sc)-2k2sc；c=cosθ；k1=1-α-β；α=I/(AR2)；β=FEI/(GAR2);F為形狀系數(shù)，取1.21；G為襯砌結(jié)構(gòu)剪切彈性模型；A為襯砌斷面面積；s=sinθ；k2=1-α；AMH=AHM=k2s-θc；LPH=wRc[θ(1-cm+sn)+k1/(2c)(scm+c2n-θm-φm)+k2(sm+cn-θ-φ)]；m=cosφ；n=sinφ；AMM=1/(4s2)[2θs2+k1(θ+sc)-2k2sc]；LPM=wR/2[θ(1-cm+sn)+k1/(2s2)(θ-θcm-φsn+sc-sm)+k2(θ+φ-sm-cn)]。

將δHA=0、MA=0代入式(7)，得：

(8)

HA=L1N1

(9)

將式(8)、式(9)代入式(2)～(6)，得：

HB=-HA，VB=Rwsinφ，VA=Rwsinφ

該隧道θ=90°，二次襯砌結(jié)構(gòu)為45 cmC25砼，初期支護(hù)為C20噴射砼、I20工字鋼(見圖10)，工字鋼間距d=50 cm。沿隧道縱向取0.5 m長支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，襯砌拱頂累計(jì)沉降μh=0.018 m。工字鋼彈性模型Es=212 GPa，泊松比μs=0.3。砼的泊松比μs=0.2，C20和C25砼的彈性模量分別為Ec1=27.8 GPa、Ec2=30.2 GPa。

按面積加權(quán)平均得出襯砌結(jié)構(gòu)的彈性模量為：

E=

圖10 襯砌結(jié)構(gòu)截面圖(單位：cm)

33.623 GPa

取φ為60°，代入式(8)，得w=90.11 kN/m。

隧道襯砌應(yīng)力是地下水滲透壓力和圍巖壓力之和。前文計(jì)算出的襯砌水壓力P′r1=48.771 kPa，同樣沿隧道縱向取d=0.5 m的襯砌來研究，求得該段襯砌上的徑向均布水壓力為：

qr1=dP′r1=0.5×48.77≈24.39 kN/m

襯砌上的圍巖壓力為：

qd=w-qr1=65.72 kN/m

水壓力qr1在總壓力w中所占比例為27.07%。為保障隧道的安全，在巖溶發(fā)育地段進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要重視地下水壓力。

3 結(jié)論

(1) 隧道滲流場與圍巖和襯砌材料的滲透系數(shù)相關(guān)，同時(shí)受圍巖加固圈及加固體的滲透系數(shù)大小的影響。

(2) 荷載大小因滲透系數(shù)的改變而改變，滲流場的分布與水壓頭有關(guān)，巖溶處理方案制訂中應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。