巖溶弱發(fā)育地層隧道襯砌水壓規(guī)律及結構安全性研究

朱 君 趙東平 和 琦

(1. 中鐵十一局集團有限公司,武漢 430061; 2. 西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

引言

巖溶是地層中的可溶巖被酸性液體溶蝕后形成的一種特殊地質構造,在我國四川、重慶、云南、貴州及廣西均有分布。 根據(jù)巖溶形態(tài)、溶洞的連通性及地下水發(fā)育程度,可將巖溶發(fā)育情況定性地分為強烈發(fā)育、中等發(fā)育、弱發(fā)育和微弱發(fā)育4 種類型[1]。 一般情況下,巖溶裂隙越發(fā)育,地表雨水越容易經(jīng)過裂隙通道流向襯砌,短時間導致內襯砌水壓驟增,進而引發(fā)襯砌開裂或突涌水等災害[2-4]。 在重慶獨特的隔檔式構造條件下,隧道工程施工過程中常常引發(fā)涌突水、地表水體流失、巖溶塌陷等地質災害,大規(guī)模的地下空間工程建設日益加重地質環(huán)境的負擔[5]。 對于巖溶隧道工程而言,地層巖溶發(fā)育程度、隧址區(qū)大氣降雨時長及隧道的防排水措施都會對隧道襯砌結構的安全性產(chǎn)生不同程度的影響[6]。

近年來,隨著運營巖溶隧道逐漸增多,但目前對巖溶隧道突水災害的發(fā)生機理還不夠清晰。 陳仲達為揭示管道型巖溶突水災害的發(fā)生機理,開展不同溶腔水壓、巖溶管道內不同填充介質、不同巖溶管道寬度及長度條件下的多場耦合分析[7]。 黃明利針對高壓富水巖溶區(qū)襯砌結構開展抗水壓能力足尺模型試驗研究,驗證新圓梁山隧道溶洞段和溶洞過渡段襯砌結構的抗水壓能力滿足要求[8];劉希亮分析了30 個發(fā)生過突水事故的隧道,發(fā)現(xiàn)突水災害主要發(fā)生在深長大跨巖溶隧道中[9]。 部分學者采用數(shù)值方法對巖溶隧道防排水結構展開分析。 趙東平等采用數(shù)值模擬的方法對襯砌背后的水壓規(guī)律進行研究,為富水隧道提出優(yōu)化的防排水結構[10-11]。 在長期的工作條件下,即便是優(yōu)化的防排水結構仍會引起防排水結構的破壞。 尚海松針對巖溶富水隧道水壓變化引起結構失穩(wěn)破壞問題,采用數(shù)值模擬方法研究 “全封堵”型襯砌結構的受力特征[12];歷永杰對單層初期支護和雙層初期支護方案分別進行數(shù)值模擬分析,提出適合現(xiàn)場施作的雙層初期支護抗水壓襯砌方案[13]。

上述既有研究成果在一定程度上促進了巖溶隧道的技術進步,但是,既有研究中沒有將巖溶發(fā)育程度與隧道的防排水方案直接聯(lián)系起來,如常規(guī)防排水措施是否能滿足巖溶弱發(fā)育段襯砌安全性的研究,降雨量的增加是否會造成常規(guī)防排水結構失效等問題尚無明確結論。 以重慶市某巖溶弱發(fā)育高鐵隧道為工程依托,采用三維數(shù)值模擬方法對弱發(fā)育地層巖溶隧道襯砌水壓規(guī)律、常規(guī)隧道排水措施的適用性及襯砌結構安全性開展研究,相關研究成果可為弱發(fā)育地層隧道設計優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某高鐵巖溶隧道位于重慶市九龍坡區(qū)與大渡口區(qū)境內,隧道全長4 973 m,隧道進口里程DK9+129,出口里程DK14+102,隧道最大埋深約234 m。 隧道穿過雷口坡組、嘉陵江組及飛仙關組灰?guī)r、白云巖、角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r,屬構造溶蝕侵蝕低山-丘陵區(qū),受構造擠壓,裂隙較發(fā)育,巖溶強烈-中等發(fā)育,多見串珠狀落水洞、溶洞、巖溶漏斗、溶蝕洼地,地表溶蝕現(xiàn)象多垂直發(fā)育,水平方向沿走向連通,最后形成地下暗河,由于距長江較近,一般在長江邊以溶蝕通道(或暗河)排出,長江為侵蝕基準面。

該隧道為巖溶弱發(fā)育隧道,施工階段隧道掌子面見圖1,僅出現(xiàn)輕微滲水,未揭示溶腔或溶洞等典型巖溶構造。

圖1 重慶市某巖溶弱發(fā)育隧道掌子面

考慮該區(qū)段地層巖溶弱發(fā)育,圍巖條件較好且地下水不發(fā)育,為此,有必要研究隧道常規(guī)防排水設計方法在弱發(fā)育地層中的適用性。 目前,我國高速鐵路隧道普遍采用通用設計參考圖進行設計,一般地段隧道的防排水系統(tǒng)由無紡布、防水板、縱向及環(huán)向排水盲管、橫向排水管、縱向排水側及中心排水溝等共同組成[14-15]。 上述防排水構造設計參數(shù)及空間位置關系見圖2、圖3。

圖2 防排水構造設計參數(shù)(單位:mm)

圖3 防排水構造空間位置關系(單位:m)

為了分析常規(guī)隧道排水方案在巖溶弱發(fā)育地層中的適用性,需要對隧道排水狀態(tài)下襯砌水壓分布模式開展研究。 以上述隧道工程為依托,采用數(shù)值模擬方法研究不同初始水頭條件下,巖溶弱發(fā)育隧道的襯砌水壓分布規(guī)律,并對襯砌結構的安全性進行評價。

2 巖溶隧道數(shù)值模型

2.1 計算模型

采用MIDAS GTS/NX 建立三維高鐵巖溶隧道數(shù)值模型[16],具體尺寸為110 m×10 m×160 m(長×寬×高),數(shù)值模型中,計算范圍為左右邊界從隧道邊墻向外延伸48 m,底部從隧道仰拱向下延伸48 m,上部取至地表(隧道埋深為100 m),模型縱向取10 m,即按2 個環(huán)向排水盲管間距長度考慮;根據(jù)隧道防排水設計參數(shù),建立隧道防排水精細化數(shù)值模型。 數(shù)值模型中,隧道防水板、無紡布、排水管及中心排水溝均采用實體單元[17-18]。 圍巖采用Mohr-Coulomb 本構模型,襯砌、排水管、防水板及無紡布等均采用彈性本構模型,整體模型中單元數(shù)為190 672 個,整體模型及防排水結構局部模型見圖4[19]。

2.2 邊界條件

數(shù)值模型僅考慮考慮自重的荷載,在邊界條件上需要分別設定位移邊界和滲流邊界,模型位移邊界條件為模型四周及底部施加法向位移約束,模型滲流邊界條件如下。

(1)初始水頭在短時保持穩(wěn)定,隨著時間的增加,地下水位隨著隧道排水而降低。

(2)模型左右兩側及前后邊界為穩(wěn)定邊界,各點水頭為等水頭,H=h。

(3)底面為不透水邊界,法向流速為0。

(4)模型Y=0 m 和Y=10 m 處的中心排水溝截面壓力水頭設定為0。

2.3 計算參數(shù)

隧道內輪廓采用時速350 km 高速鐵路雙線隧道標準內輪廓。 初期支護采用C25 噴射混凝土,厚12 cm;二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土,厚40 cm。 防水板和無紡布的厚度均為3 mm,排水管直徑為5 cm,中心排水溝尺寸為84.4 cm×60 cm(長×寬)。

本隧道地層巖溶弱發(fā)育,根據(jù)相關規(guī)范[20-22]確定數(shù)值模型中圍巖、初期支護、二次襯砌及防排水結構的滲透系數(shù),取值見表1。

表1 數(shù)值模型地層及結構滲透系數(shù)

3 巖溶隧道襯砌水壓規(guī)律型

依托工程隧道埋深100 m,由于該區(qū)段地層巖溶弱發(fā)育,加之隧道始終處于排水狀態(tài)。 因此,當?shù)乇斫涤暄a給大于隧道排水量時,隧道襯砌累積水頭高度小于隧道埋深。 基于上述考慮,在研究隧道排水狀態(tài)下襯砌水壓分布規(guī)律時,設計襯砌拱頂水頭高度為10,15,20,30 m,采用數(shù)值模擬方法分析4 種工況下隧道襯砌背后水壓力的分布規(guī)律。

隧道排水狀態(tài)下,2 個環(huán)向排水盲管之間的截面相比環(huán)向排水管截面水要高,為此,取2 個環(huán)向排水盲管之間的截面為研究斷面,同時在隧道襯砌拱頂、拱腰、邊墻、墻腳及仰拱各設置1 條測線,研究斷面及水壓測線在數(shù)值模型中的位置關系(見圖5)。

圖5 隧道襯砌縱向、環(huán)向水壓測線設置

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m 時,隧道襯砌縱向水壓測線監(jiān)測結果見圖6。

圖6 各水頭作用下隧道襯砌縱向水壓規(guī)律(單位:kPa)

由圖6 可知,在考慮隧道排水情況下,防水板、無紡布是半包結構,仰拱底水壓值相對較大,排水管設置區(qū)域水壓值較小(近乎為0)。 隧道拱頂、邊墻、拱腰、拱腳部位的水壓力沿縱向變化極其明顯,在環(huán)向排水管設置的斷面(2.5 m 和7.5 m)水壓力趨近于0,而在兩環(huán)排水管中間的位置(5 m)水壓力達到峰值。

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m 時,隧道襯砌環(huán)向水壓測線監(jiān)測結果見圖7。

隧道上部鋪設有防水板和無紡布以及排水管,無紡布具有較強的透水性,在隧道二次襯砌和初期支護之間形成了一層導水層,隧道襯砌背后的水則可以通過無紡布導入,流向環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管,再從中心排水溝流出,隧道襯砌上的水壓力則隨之降低。 由圖7 可知,當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時,在正常排水條件下,相比不排水狀態(tài),隧道襯砌拱頂?shù)乃畨赫蹨p率分別為100%、99%、97%和93%,隧道襯砌仰拱中心的水壓折減率分別為74%、76%、76%和76%。 當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時,在正常排水狀態(tài)下,隧道仰拱中心的最終水壓分別為57,65,75,105 kPa。

上述計算結果表明,對于巖溶弱發(fā)育地層隧道,當?shù)乇硭罅垦a給時,采用通用參考圖排水設計方案可以及時排出拱頂、邊墻及拱腳處的水,但隧道襯砌仰拱的水不能及時排出。

隧道上部鋪設有防水板和無紡布以及排水管,無紡布具有較強的透水性,在隧道二次襯砌和初期支護之間形成了一層導水層,隧道襯砌背后的水則可以通過無紡布導入,流向環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管,再從中心排水溝流出,隧道襯砌上的水壓力則隨之降低。 由圖7 可知,當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時,在正常排水條件下,相比不排水狀態(tài),隧道襯砌拱頂?shù)乃畨赫蹨p率分別為100%、99%、97%和93%,隧道襯砌仰拱中心的水壓折減率分別為74%、76%、76%和76%。 當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時,在正常排水狀態(tài)下,隧道仰拱中心的最終水壓分別為57,65,75,105 kPa。 上述計算結果表明,對于巖溶弱發(fā)育地層隧道,當?shù)乇硭罅垦a給時,采用通用參考圖排水設計方案可以及時排出拱頂、邊墻及拱腳處的水,但隧道襯砌仰拱的水不能及時排出。

4 巖溶隧道襯砌安全性分析

第3 節(jié)的分析表明,排水狀態(tài)下,襯砌仰拱仍然存在水壓。 為了進一步分析隧道襯砌背后水壓力對襯砌結構的影響,建立荷載結構模型,將提取出來的水壓力和圍巖荷載作為外荷載施加至隧道襯砌上,對隧道襯砌結構的安全性展開研究。

根據(jù)《鐵路隧道設計規(guī)范》確定Ⅳ級圍巖荷載,然后將第3 節(jié)計算得出來的水壓力和圍巖荷載共同施加至隧道襯砌結構上,以分析襯砌結構的安全性。 在評價隧道襯砌的安全性時,安全系數(shù)評價標準見表2[23]。

表2 混凝土結構的強度安全系數(shù)____________

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m,隧道正常排水的情況下,襯砌環(huán)向監(jiān)測斷面的軸力、彎矩分布見圖8、圖9。 提取環(huán)向監(jiān)測斷面各典型截面的內力軸力、彎矩值,按照規(guī)范要求計算安全系數(shù)繪制安全系數(shù)包絡圖(見圖10)。

圖8 各水頭作用下襯砌軸力(單位:kN)

圖9 各水頭作用下襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖10 各水頭作用下襯砌安全系數(shù)包絡圖

由圖10 可知,當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10 m 和15 m 時,隧道拱頂、邊墻、拱腰、拱腳及仰拱的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求;但當隧道襯砌拱頂初始水頭分別為20 m 和30 m 時,隧道拱腳、仰拱的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

5 結論

采用數(shù)值模擬方法對常規(guī)隧道防排水系統(tǒng)條件下的巖溶隧道襯砌水壓分布規(guī)律及結構安全性進行研究,主要結論如下。

(1)在正常排水狀態(tài)下,隧道拱頂?shù)乃畨赫蹨p率依次為100%(10 m 水頭)、99%(15 m 水頭)、97%(20 m 水頭)、93%(30 m 水頭);隧道仰拱的水壓折減率依次為74%(10 m 水頭)、76%(15 m 水頭)、76%(20 m 水頭)、76%(30 m 水頭)。 該排水方案對隧道拱頂?shù)乃畨赫蹨p效果十分顯著,但仰拱的水壓折減率不超過80%。

(2)在水壓和圍巖壓力共同作用下,初始水頭高度小于15 m 時,襯砌結構能夠滿足安全要求;當初始水位超過20 m 時,仰拱處水壓較大,襯砌結構不能滿足安全性要求。

(3)當傳統(tǒng)隧道防排水方案用于巖溶弱發(fā)育地層隧道時,需要對仰拱的排水方案進行改進或優(yōu)化,并降低襯砌仰拱水壓,以提高隧道襯砌仰拱結構的安全性。