強(qiáng)降雨作用下巖溶區(qū)公路隧道襯砌破損機(jī)制分析

李 清， 祝志恒, *， 李林毅

(1. 廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州 510420； 2. 廣東交科檢測(cè)有限公司， 廣東 廣州 510550；3. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著國(guó)家路網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，大量公路隧道逐步投入運(yùn)營(yíng)，截至2019年底已建公路隧道超19 000座，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)18 966 km[1]。然而，由于我國(guó)巖溶地層廣泛分布(如西南地區(qū))，有相當(dāng)比例的公路隧道建設(shè)于富水巖溶地區(qū)[2-3]。據(jù)巖溶公路隧道運(yùn)營(yíng)情況調(diào)查，因地層富水性較好、排水系統(tǒng)逐步失效等原因，以結(jié)構(gòu)滲漏水、混凝土裂損、路面隆起、局部掉塊為典型特征的隧道運(yùn)營(yíng)水害頻發(fā)[4-6]，且隧址區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨時(shí)水害特征尤為嚴(yán)重[7-8]。以上問(wèn)題的存在不僅影響隧道內(nèi)部電力、消防等設(shè)施的正常使用，還會(huì)導(dǎo)致隧道運(yùn)營(yíng)存在安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至危及行車人員的生命安全[9-11]。因此，如何探明運(yùn)營(yíng)水害演化機(jī)制成為公路隧道領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

截至目前，研究人員已從數(shù)值仿真、地質(zhì)勘探、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、模型試驗(yàn)等方面開展了研究工作。其中，張彥龍等[12]依托廣梧高速某巖溶隧道水害案例，聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)勘探與數(shù)值仿真手段，探究了水害發(fā)生原因及機(jī)制；高春君等[13]采用“以板代孔”仿真方法對(duì)排水管堵塞進(jìn)行了分析，探討了在不同水位及堵塞條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律；李林毅等[14]針對(duì)隧道排水系統(tǒng)堵塞問(wèn)題，通過(guò)融合3D打印技術(shù)的模型試驗(yàn)，探究了堵管后仰拱結(jié)構(gòu)及其上覆軌道的上拱規(guī)律。以上研究成果經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，在一定程度上探明了巖溶隧道水害成因，指導(dǎo)了類似工程的整治與設(shè)計(jì)。

但是，由于現(xiàn)場(chǎng)條件常受限制，既有研究多為基于地勘的定性討論與簡(jiǎn)化仿真分析，而忽略了地形因素的影響，且對(duì)巖溶區(qū)水力連通特性、不良地質(zhì)體分布缺乏必要認(rèn)識(shí)，故而難以全面揭示運(yùn)營(yíng)水害的演化過(guò)程與形成機(jī)制。隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)與圖像點(diǎn)云處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，在三維仿真分析中考慮實(shí)景地形地貌逐步成為了可能[15]。因此，本文依托京港澳高速大寶山隧道雨后二次襯砌掉塊病害，通過(guò)地質(zhì)勘察、地表調(diào)查與雨后水連通試驗(yàn)，探明水害段地質(zhì)信息與水力連通特性；基于“無(wú)人機(jī)航飛+三維地質(zhì)建?！甭?lián)合技術(shù)，構(gòu)建考慮地形地貌、隧道結(jié)構(gòu)與地質(zhì)信息的精細(xì)化三維仿真模型，探究強(qiáng)降雨引起地層水位驟升時(shí)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)與水害演化過(guò)程，分析案例隧道運(yùn)營(yíng)水害成因，以期為巖溶隧道水害整治與設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

京港澳高速大寶山隧道位于廣東省韶關(guān)市南部山區(qū)，是分離式雙線單向3車道隧道。隧道左線(北行線)里程為ZK139+920～ZK141+505，全長(zhǎng)1 585 m；右線(南行線)里程為YK139+940～YK141+505，全長(zhǎng)1 565 m。隧道縱向?yàn)閱蜗蚱?，南高北低，最大埋深約230 m。隧址區(qū)地形以山嶺、重丘為主，陡峭山坡與沖溝發(fā)育，具有較大起伏。隧道左右線結(jié)構(gòu)凈距約30 m，其地質(zhì)條件基本類似，左線縱斷面地質(zhì)情況如圖1所示。隧道所處地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，洞身穿越1處破碎帶、1處斷層帶、2處背斜裂隙帶，地層巖體相對(duì)完整，巖質(zhì)主要為灰?guī)r、碳質(zhì)灰?guī)r。同時(shí)，地勘資料顯示，隧道沿線巖溶特征發(fā)育，施工期曾揭露多處溶洞。隧址區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量為1 640 mm，分布不均且集中在6—11月，夏季強(qiáng)降雨事件頻發(fā)，加之地表大范圍透水地層的存在，雨季時(shí)地層地下水補(bǔ)給充分。

圖1 大寶山隧道左線縱斷面地質(zhì)圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)襯砌裂損情況

2013年5月14日至15日，韶關(guān)地區(qū)遭遇特大強(qiáng)降雨襲擊，隧址區(qū)48 h累計(jì)降雨量達(dá)417.5 mm。強(qiáng)降雨作用下，隧道左線ZK140+365斷面處高山側(cè)拱腰至邊墻過(guò)渡區(qū)襯砌突然剝落，混凝土掉塊面積約6.88 m2，其中，2.81 m2范圍防水板出露，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。從混凝土失效特征來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)破壞面平整性一般，混凝土掉落零散，具有較明顯的壓潰破壞特征，推測(cè)現(xiàn)場(chǎng)襯砌應(yīng)屬于壓應(yīng)力超限破壞。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)緊急巡查，掉塊附近多處區(qū)段還存在結(jié)構(gòu)滲水嚴(yán)重、射水、涌泥等現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。此外，發(fā)現(xiàn)涌出泥砂中裹挾有樹枝、樹葉等地表植被特征物，側(cè)面證明了涌水來(lái)源應(yīng)與地表降水直接相關(guān)。

(a) 混凝土破壞情況(b) 襯砌掉塊

(c) 拱頂嚴(yán)重滲水 (d) 突水涌泥嚴(yán)重

1.3 裂損段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工期概況

裂損斷面及臨近段落洞身主要處于Ⅱ、Ⅲ級(jí)灰?guī)r地層，隧道采用復(fù)合式襯砌支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)如下：Ⅱ級(jí)圍巖，初期支護(hù)采用5 cm厚C20噴射混凝土，拱墻二次襯砌采用40 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土鋪底且不設(shè)置仰拱；Ⅲ級(jí)圍巖，初期支護(hù)采用10 cm厚C20噴射混凝土、φ22徑向錨桿(長(zhǎng)3 m，間距1.5 m×1.5 m)，拱墻二次襯砌采用45 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土鋪底且不設(shè)置仰拱。需要說(shuō)明的是，襯砌混凝土均未布設(shè)鋼筋。Ⅱ級(jí)圍巖隧道支護(hù)斷面如圖3所示。

由于未設(shè)仰拱，隧道水害段采取路面下設(shè)置中心水溝的暗溝排水設(shè)計(jì)；同時(shí)，隧道兩側(cè)邊墻外布設(shè)有φ110縱向排水盲管，每隔30～50 m設(shè)有φ150橫向排水管，將縱向排水管水流引入中心水溝內(nèi)。查閱施工期相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)： 1)隧道施工過(guò)程中揭露多處溶洞，多數(shù)溶洞位于水害段所在的背斜1區(qū)段附近，少數(shù)位于F1斷層帶附近； 2)背斜1區(qū)段施工中,在拱頂、路基面下均有狹長(zhǎng)帶式溶洞揭露，部分溶洞存在涌水現(xiàn)象，而處理方式以回填為主。

圖3 Ⅱ級(jí)圍巖隧道支護(hù)斷面圖(單位： cm)

2 裂損段現(xiàn)場(chǎng)勘察與水連通試驗(yàn)

大寶山隧道運(yùn)營(yíng)期的嚴(yán)重水害特征表明，水害段落地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜、地層應(yīng)存在巖溶特征。因此，開展一系列勘察與試驗(yàn)(結(jié)構(gòu)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)勘探、地表調(diào)查以及水連通試驗(yàn))，力求最大程度地探明水害段地質(zhì)條件、巖溶分布以及水連通特性，為后續(xù)的病害仿真模擬提供可靠依據(jù)。

2.1 隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)分析

水害后檢測(cè)單位采用400 MHz天線地質(zhì)雷達(dá)對(duì)ZK140+327～+407段襯砌結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了探測(cè)。探測(cè)采取連續(xù)測(cè)量法，于拱頂、掉塊側(cè)拱腰、掉塊側(cè)邊墻布設(shè)3條測(cè)線，測(cè)試斷面間距為5 m，共計(jì)31個(gè)斷面、93個(gè)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果

由圖4可知： 測(cè)試段落包括Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖段，Ⅱ級(jí)圍巖段襯砌厚度均高于設(shè)計(jì)厚度40 cm，而Ⅲ級(jí)圍巖段僅有1處稍低于設(shè)計(jì)厚度45 cm。此外，從掉塊混凝土中取出3個(gè)完整芯樣并測(cè)取其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示，3個(gè)試塊強(qiáng)度分別為28.3、26.1、30.2 MPa，均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度25 MPa。此外，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，除排水系統(tǒng)存在一定堵塞外，未見(jiàn)空洞、混凝土不密實(shí)等缺陷問(wèn)題。因此，從檢測(cè)結(jié)果可推斷此次水害更大程度上與雨后地下水環(huán)境有關(guān)。

2.2 地表情況調(diào)查分析

為了解地表降雨入滲條件，水害后運(yùn)營(yíng)人員對(duì)掉塊斷面上覆地表進(jìn)行了實(shí)地踏勘，具體形式包括實(shí)地調(diào)查與無(wú)人機(jī)航飛，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖5所示。由圖可知，掉塊斷面地表處于兩山之間的溝谷位置，溝側(cè)坡體相對(duì)較陡，植被旺盛，強(qiáng)降雨條件下兩側(cè)坡面雨水極易匯聚于此，可為巖溶水提供充分的補(bǔ)給來(lái)源。同時(shí)，距掉塊斷面約30 m處的地表出現(xiàn)了明顯的塌陷，塌陷區(qū)長(zhǎng)約6 m、寬約2.5 m，塌陷深度為0.5～0.8 m，可推測(cè)其下覆地層存在明顯巖溶特征，應(yīng)是雨水入滲或向下徑流的主要通道。從地表調(diào)查情況來(lái)看，掉塊斷面上覆地表處于兩山之間溝谷地帶，兩側(cè)坡角較陡，且地表出現(xiàn)了明顯的巖溶塌陷，側(cè)面印證了地層發(fā)育的巖溶特征。

圖5 地表現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況

2.3 襯砌背后巖溶特征探測(cè)

為探明掉塊段落地層巖溶特征分布，檢測(cè)單位在ZK140+327～+407段采用淺層地震儀進(jìn)行了物探檢測(cè)，采用美國(guó)GEODE24地震采集系統(tǒng)記錄、SQJ17-100 Hz檢波器接收。測(cè)試中共布置7條測(cè)線(截面測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖6(a))，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。

結(jié)合具體檢測(cè)結(jié)果可得： 1)各測(cè)線下物探異常區(qū)域共計(jì)27處，縱向分布長(zhǎng)度為35～45 m，且在隧道底部、邊墻、拱部均有密集分布； 2)物探異常區(qū)主要位于襯砌外2.0～6.0 m的深度范圍，異常區(qū)高度在1.1～ 3.0 m，最大縱向長(zhǎng)度約17 m，異常區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)相距較近，一旦飽水時(shí)易對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響； 3)巖溶發(fā)育區(qū)的平面分布存在明顯的斜向特征，巖溶區(qū)方位大致與地表溝谷軸線一致，即地表溝谷下方地層具有較突出的巖溶特征。綜上可知，掉塊斷面及臨近區(qū)段巖溶特征發(fā)育明顯，應(yīng)是隧道地層雨后富水的主要原因。

(a) 測(cè)點(diǎn)分布圖

(b) 測(cè)試結(jié)果

2.4 地下水連通試驗(yàn)分析

作為研究地下水流動(dòng)特性的常規(guī)方法之一，水連通試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于隧道、巖土、地質(zhì)等領(lǐng)域。為進(jìn)一步探明雨水與隧道涌水之間的連通特性，現(xiàn)場(chǎng)以掉塊區(qū)段為研究對(duì)象開展地下水連通試驗(yàn)。根據(jù)地表踏勘情況，試驗(yàn)選取熒光增白劑作為示蹤試劑，將巖溶塌陷口作為投放點(diǎn)，左線隧道出口的兩側(cè)排水溝作為接收點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)間為2018年6月21日(中雨)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知： 1)試劑投放后約2 h便被檢測(cè)到，考慮檢測(cè)時(shí)間間隔、隧道排水流至洞口耗時(shí)等因素，實(shí)際影響時(shí)間應(yīng)少于2 h，這表明地表塌陷處與隧道之間存在較強(qiáng)的水連通性； 2)從試劑質(zhì)量濃度來(lái)看，試劑投放前期高山側(cè)的水溝元素質(zhì)量濃度明顯高于低山側(cè)，而后逐步降至相近水平； 3)試驗(yàn)結(jié)果顯示，地表降雨形成的地層涌水對(duì)隧道高山側(cè)的影響大于低山側(cè)，這應(yīng)是結(jié)構(gòu)掉塊出現(xiàn)于高山側(cè)的原因之一。

3 考慮真實(shí)地貌的隧道水害三維仿真分析

由于大寶山隧道地形條件復(fù)雜、左右線地貌差異明顯，為真實(shí)模擬雨后高水壓下隧道結(jié)構(gòu)裂損病害，本文采用“無(wú)人機(jī)航飛+地層與隧道三維建模+FLAC3D滲流計(jì)算[16]”聯(lián)合方法進(jìn)行仿真分析。

3.1 基于無(wú)人機(jī)航飛的三維仿真模型構(gòu)建

基于無(wú)人機(jī)航飛的三維仿真建模流程如圖8所示。1)對(duì)大寶山全隧及兩側(cè)5～10倍洞徑范圍進(jìn)行無(wú)人機(jī)航飛拍攝，航飛海拔為650 m，航飛區(qū)域平面尺寸約為700 m×2 200 m。同時(shí)，航飛過(guò)程還需確保以下2點(diǎn)： ①航線拍攝的相鄰照片具有50%以上的重疊度，以滿足點(diǎn)云處理準(zhǔn)確性；②提前布置不少于3個(gè)明顯的地表標(biāo)記點(diǎn)，并測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)高程及位置信息，以便于點(diǎn)云模型坐標(biāo)校準(zhǔn)。2)航飛采集照片后，利用SFM、SGM算法依次形成航拍區(qū)域的三維稀疏點(diǎn)云、三維密集點(diǎn)云，再借助PhotoScan軟件進(jìn)行地表曲面三維重建與坐標(biāo)標(biāo)定，最終形成地表曲面模型,如圖9(a)所示。3)使用Rhino軟件截取所需建模區(qū)域地表模型，并經(jīng)拉升、裁剪、布爾運(yùn)算等處理形成三維實(shí)體模型；根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料、地質(zhì)勘察成果，構(gòu)建隧道結(jié)構(gòu)模型，劃分地層主要地質(zhì)區(qū)域，最終生成三維網(wǎng)格模型，如圖9(b)、(c)所示。4)經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，將三維網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真模擬。

同時(shí)，滲流計(jì)算中遵循如下假定： 1)地下水排泄?jié)M足Darcy定律； 2)圍巖為均質(zhì)、各向同性材料； 3)隧道通過(guò)襯砌與隧底排水管排水，環(huán)向盲管的排水特性通過(guò)增大二次襯砌滲透性的方式模擬。模型力學(xué)邊界條件為四周水平約束、底面固定約束。滲流邊界條件為： 根據(jù)不同工況，設(shè)置對(duì)應(yīng)地下水面高度，再固定底部、四周孔壓，使得邊界能與外界發(fā)生液體交換； 固定隧底排水管內(nèi)壁、隧底結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的孔壓為0。模型全部單元均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中，地層圍巖、集水溝碎石滿足摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，隧道結(jié)構(gòu)單元均服從線彈性模型。

圖8 基于無(wú)人機(jī)航飛的三維仿真建模流程

(a) 三維重建實(shí)景地表平面圖

(b) 三維仿真模型網(wǎng)格

(c) 隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

3.2 材料參數(shù)與工況設(shè)置

3.2.1 材料參數(shù)

依據(jù)地勘資料，計(jì)算模型范圍內(nèi)主要以灰?guī)r為主，但是現(xiàn)場(chǎng)物探與水連通試驗(yàn)均顯示溝谷地帶下覆地層存在明顯異于其他區(qū)段的巖溶特征。因此，參考類似研究[17]，在數(shù)值計(jì)算中通過(guò)提高地層滲透性的方式對(duì)溝谷地帶地層強(qiáng)透水性進(jìn)行等效處理，而對(duì)溶洞規(guī)模、位置不做細(xì)化體現(xiàn)。常規(guī)區(qū)段圍巖參數(shù)依據(jù)地勘資料與工程經(jīng)驗(yàn)取值，溝谷地帶強(qiáng)透水地層圍巖參數(shù)參考文獻(xiàn)[8]取值；支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)“等效剛度法”[18]獲得，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)排水管的排導(dǎo)作用采用“以管代孔”方法[19-20]等效提升滲透性來(lái)模擬。其中，排水管具體參數(shù)為： 環(huán)向、縱向、橫向盲管均為φ60圓管，環(huán)向、橫向盲管布設(shè)間距分別為10、20 m。模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.2.2 工況設(shè)置

考慮強(qiáng)降雨下巖溶地層存在地下水位驟增的現(xiàn)象(強(qiáng)降雨后實(shí)測(cè)地層水位上升達(dá)50 m以上[21])，結(jié)合后續(xù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)定本計(jì)算中因強(qiáng)降雨引發(fā)的地層水位最大上升量(相對(duì)隧道而言)為60 m。

具體工況設(shè)置如下(見(jiàn)圖10)： 工況1，常態(tài)水位工況；工況2，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升30 m；工況3，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升45 m；工況4，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升60 m。

需要說(shuō)明的是： 1)考慮隧道排水狀態(tài)，常態(tài)水位設(shè)置于拱頂平面； 2)雨后地下水位上升以地表面形態(tài)為基準(zhǔn)，左右線水位將存有差異。

圖10 地下水位設(shè)置示意圖

3.3 隧道外水壓力特征分析

提取各工況下典型斷面的襯砌外水壓力分布，如圖11所示。根據(jù)地下水位面設(shè)置，左線典型斷面取最大外水壓斷面(ZK140+366)，右線典型斷面為ZK140+420。由圖可知：

1)隨地下水位的上升，各部位結(jié)構(gòu)外水壓力均有一定程度的增加，但隧道左右線、單線左右側(cè)的增長(zhǎng)規(guī)律存在差異性。以拱腰部位為例，從工況1至工況4，左線左拱部峰值水壓從26 kPa增至448 kPa，增量為422 kPa，而左線右拱部、右線左拱部、右線右拱部的增量分別為336、260、106 kPa。分析上述現(xiàn)象，應(yīng)與受地形主導(dǎo)(地表地形左高右低，見(jiàn)圖10)的地下水位面有關(guān)。

2)在排水系統(tǒng)降壓效應(yīng)與地下水位分布形態(tài)共同影響下，水位上升時(shí)結(jié)構(gòu)外水壓力峰值一直位于左線左拱腰與邊墻過(guò)渡區(qū)，即該部位是受地下水變動(dòng)影響最為顯著的結(jié)構(gòu)位置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)破壞特征與水連通試驗(yàn)來(lái)看，地表降雨時(shí)左線高山側(cè)的水連通性更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)更為突出，因此，可認(rèn)為本仿真模型分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況吻合較好，亦驗(yàn)證了其正確性。

(a) 左線隧道

(b) 右線隧道

3.4 襯砌結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)及破損機(jī)制分析

3.4.1 襯砌受力特征與結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

提取典型工況下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖12和圖13所示。由于數(shù)值結(jié)果表現(xiàn)為壓應(yīng)力超限，故在圖13中僅展示結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。由圖可知： 1)受地形影響(左高右低)，工況1中左線隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力均高于右線，而高山側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力高于低山側(cè)； 2)工況1中襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.69 MPa，位于左線拱頂位置，最大壓應(yīng)力為9.87 MPa，位于左線高山側(cè)拱腳位置，但上述應(yīng)力均低于規(guī)范限值； 3)工況4中巖溶區(qū)范圍內(nèi)，左線隧道拱部以下結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力出現(xiàn)了明顯增長(zhǎng)，最大壓應(yīng)力增至21.52 MPa(已超過(guò)規(guī)范[22]中C25混凝土極限強(qiáng)度19.0 MPa)，且該峰值主要分布于ZK140+360～+375段的拱腰與邊墻過(guò)渡部位，這與現(xiàn)場(chǎng)開裂位置吻合較好； 4)工況4中右線拱墻部位亦出現(xiàn)了一定的應(yīng)力增長(zhǎng)，最大壓應(yīng)力從工況1的7.23 MPa增至15.86 MPa，但因初始應(yīng)力水平較低、水位抬升量相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力并未超過(guò)限值。

為進(jìn)一步展示結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提取ZK140+365斷面的內(nèi)力與安全系數(shù)信息，如圖14所示。由圖可知： 1)常態(tài)水位工況下，即工況1，襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為6.9，位于高山側(cè)拱腳，不僅滿足規(guī)范[22]中“抗壓安全系數(shù)不小于2.0”的限值要求，而且具有一定富余量； 2)隨著地下水位上升，襯砌結(jié)構(gòu)彎矩、軸力均有所增長(zhǎng)，其中，彎矩增長(zhǎng)集中于拱頂、拱腰位置但總體增量不大，至工況4時(shí)最大增量為56.2 kN·m，而襯砌軸力的增長(zhǎng)更為顯著(尤其是拱腳與邊墻部位)，最大軸力增長(zhǎng)量達(dá)2 320 kN，位于高山側(cè)邊墻處； 3)隨地下水位上升，襯砌安全系數(shù)明顯降低，至工況4時(shí)高山側(cè)拱腳、邊墻處的安全系數(shù)已低于規(guī)范限值，其最小值為1.67，而低山側(cè)邊墻處的安全系數(shù)(最小值為2.12)亦已接近限值。因此，考慮現(xiàn)場(chǎng)其他不利因素，在最大地下水位上升60 m時(shí)，左線隧道高山側(cè)拱墻位置存在較高的壓潰風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)上述結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)破壞特征具有較高的一致性。

(a) 襯砌拉應(yīng)力

(b) 襯砌壓應(yīng)力

(a) 剖面示意圖 (b) 襯砌結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力剖面圖

3.4.2 襯砌結(jié)構(gòu)破損機(jī)制分析

根據(jù)3.4.1節(jié)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可基本歸納案例隧道水害機(jī)制： 1)由于巖溶發(fā)育段的水連通特性，地表強(qiáng)降雨后地層水位出現(xiàn)了一定抬升，而具體作用于隧道時(shí)還會(huì)受地形地貌影響存在差異性； 2)在“左高右低”地形特征下，左線隧道初始應(yīng)力水平高于右線，且在地下水位抬升后承受著更大的水壓力作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力惡化，尤其在拱墻部位出現(xiàn)了襯砌軸力的顯著增長(zhǎng)； 3)至最大地下水位上升60 m時(shí)，左線隧道高山側(cè)拱墻部位出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力超限、安全系數(shù)低于規(guī)范值的情況，最終引發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)的襯砌混凝土壓潰破壞。

基于上述病害原因分析，針對(duì)隧道整治設(shè)計(jì)可形成如下建議： 1)地表強(qiáng)降雨是地下水的主要來(lái)源，應(yīng)盡可能地減少雨水的匯集、下滲并提升地表疏水能力； 2)針對(duì)富水段落圍巖進(jìn)行注漿，降低地層水與隧道間的水力聯(lián)系； 3)完善隧道防排水系統(tǒng)并定期清淤，確保強(qiáng)降雨時(shí)隧道排導(dǎo)能力與排水通暢。

為此，依托該工程制定了如下處治措施： 1)封堵地表巖溶塌陷處，修建地表排水溝渠用于降雨時(shí)引排地表水； 2)針對(duì)巖溶塌陷點(diǎn)臨近區(qū)域進(jìn)行淺層溶洞注漿，針對(duì)襯砌破損臨近區(qū)段開展圍巖注漿，以此降低地層水流動(dòng)速度、減小地層水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響； 3)新設(shè)邊墻降壓孔和仰拱處的井點(diǎn)降水管，提升隧道排水能力，且定期清理隧道內(nèi)排水通道，謹(jǐn)防淤堵。

(a) 彎矩分布圖(單位： kN·m)

(b) 軸力分布圖(單位： MN)

(c) 襯砌安全系數(shù)分布圖

4 結(jié)論與討論

1)依托京港澳高速大寶山隧道水害案例，通過(guò)結(jié)構(gòu)檢測(cè)、地質(zhì)勘探與水連通試驗(yàn)等多重手段，探明了病害段地層巖溶發(fā)育特征，揭示了“地表降雨與隧道涌水”之間的水連通特性。探測(cè)結(jié)果顯示，地層巖溶發(fā)育可為雨水向下徑流提供良好的水利通道，而由此引發(fā)的強(qiáng)降雨作用下地層水位抬升與結(jié)構(gòu)水壓驟增是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壓潰的直接原因。

2)基于“無(wú)人機(jī)航飛+三維地質(zhì)建模”聯(lián)合技術(shù)，構(gòu)建了考慮地形地貌、隧道結(jié)構(gòu)與地質(zhì)信息的精細(xì)化三維仿真模型，探究了強(qiáng)降雨下地層水位驟升時(shí)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，真實(shí)模擬了現(xiàn)場(chǎng)水害的演化過(guò)程，有力驗(yàn)證了模擬方法的可行性。同時(shí)，該模擬方法的提出對(duì)于創(chuàng)新水害分析手段、完善病害研究體系具有現(xiàn)實(shí)意義。

3)通過(guò)FLAC3D軟件分析了強(qiáng)降雨下地層水位驟升時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的外水壓力特征與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，結(jié)果表明： 受地形地貌影響，左右線隧道初始應(yīng)力狀態(tài)已具有差異性，高山側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均高于低山側(cè)；隨地下水位抬升，外水壓力呈現(xiàn)不對(duì)稱式增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)受力持續(xù)惡化，尤其在左線隧道高山側(cè)拱墻處，襯砌軸力的顯著增長(zhǎng)還引發(fā)了結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力超限、安全系數(shù)低于限值的風(fēng)險(xiǎn)；考慮仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)病害特征、病害位置吻合良好，推測(cè)該隧道水害時(shí)地層水位抬升應(yīng)達(dá)60 m。

4)由于本文三維仿真重點(diǎn)關(guān)注地表地形狀態(tài)，而未考慮地層溶洞的細(xì)化特征，故如何結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)多種探測(cè)手段進(jìn)一步明確溶洞位置、規(guī)模，進(jìn)而探究巖溶特征對(duì)隧道水害演化機(jī)制的影響，形成更具有針對(duì)性、實(shí)用性的水害防治措施是后續(xù)研究的主要方向。