新型凹凸排水板對隧道二次襯砌受力影響研究

舒澤波，肖強，肖學(xué)良，李潔

（1.江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江西南昌 330022；2. 江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西南昌 330013；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，公路、鐵路等交通網(wǎng)絡(luò)的不斷推進，自21 世紀(jì)以來，我國公路隧道里程年均增長率高達20%左右[1]。然而，“十隧九漏”仍然是隧道工程的痛點和難點[2-3]，我國在建或運營隧道普遍存在滲漏問題[4-5]。

傳統(tǒng)的隧道防排水系統(tǒng)將土工布安裝于初期支護與二次襯砌之間，依靠土工布將二襯外環(huán)地下水導(dǎo)流至排水盲管中，排水通道小，排水效率低[6]，易出現(xiàn)排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞，引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)開裂滲漏水[7]。隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計與滲漏病害的發(fā)生緊密關(guān)聯(lián)[8]，張素磊、樂晟等[9-10]為改善傳統(tǒng)隧道防排水系統(tǒng)的不足，提出在防排水系統(tǒng)中增設(shè)一層排水板。凹凸排水板由于自身具有滲流通道大、全斷面排水和不易堵塞等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于隧道排水系統(tǒng)中[11-13]。

值得說明的是，山嶺隧道多采用復(fù)合式襯砌支護方式[14-15]，圍巖與襯砌近似密貼，在Ⅳ級以下的較差巖層中，隧道襯砌作為承載結(jié)構(gòu)，需考慮襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況[16-17]。而凹凸排水板結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)防水板的結(jié)構(gòu)形式差異較大，其在襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖間的荷載傳遞特性尚不明確，隧道襯砌受力及變形可能受到凹凸板的影響。目前，凹凸排水板對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響研究仍較為缺乏，因此，區(qū)別于傳統(tǒng)計算方法，進一步分析凹凸排水板對隧道二襯受力影響機理十分必要。

鑒于此，本文以江西省宜春市明月山1 號公路隧道為依托，通過一系列數(shù)值模擬進行分析，對增設(shè)凹凸排水板隧道襯砌受力進行系統(tǒng)研究，得到隧道襯砌受力分布規(guī)律，研究成果將為今后凹凸排水板設(shè)計提供借鑒作用。

1 凹凸排水板結(jié)構(gòu)

明月山1 號公路隧道防排水系統(tǒng)由土工布、凹凸排水板及CPS 反應(yīng)粘防水卷材組成，系統(tǒng)布置如圖1 所示。隧道排水主要依靠凹凸排水板的凸臺空隙將地下水排出至排水管及隧道邊溝，摒棄傳統(tǒng)排水盲管；隧道防水則通過濕鋪CPS 反應(yīng)粘防水卷材，可有效防止隧道滲漏病害的發(fā)生。相較于常規(guī)隧道防排水結(jié)構(gòu)，該類無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)形式施工更簡單，適用于防水要求高或地下水豐富的隧道。

圖1 無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)現(xiàn)場布置

工程應(yīng)用的凹凸排水板由聚乙烯塑料制成，材料依靠凸起結(jié)構(gòu)起支撐作用，為地下水的排出提供通道。凹凸排水板結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 凹凸排水板構(gòu)造

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，凹凸排水板材料剛度較低，凸臺底部空心，受壓后易發(fā)生較大變形，同時結(jié)構(gòu)法向剛度不斷變化，因此將凹凸排水板應(yīng)用于隧道時，需考慮凹凸排水板對二次襯砌受力特性的影響研究。

文獻[18]將凹凸排水板視為均質(zhì)、連續(xù)的固體材料，通過材料壓縮試驗得出凹凸排水板受壓變形曲線，該曲線呈3 階段發(fā)展規(guī)律[18]，如圖3 所示。分別為緩慢發(fā)展階段，材料剛度為0.82 MPa；快速發(fā)展階段，材料剛度為0.28 MPa；壓密階段，材料剛度為2.10 MPa。

圖3 凹凸排水板應(yīng)力變形及彈性模量發(fā)展規(guī)律

2 無管濕鋪防排水隧道模擬方案及參數(shù)取值

2.1 模擬方案

本文采用荷載結(jié)構(gòu)法對隧道受力情況進行分析。建立三維Midas 隧道模型，施加自重及圍巖壓力，賦予地基彈簧及相應(yīng)邊界條件，進行非線性靜力分析計算，研究無管濕鋪防排水系統(tǒng)對隧道產(chǎn)生位移及應(yīng)力影響。

由于工程常用土工布厚度僅為1~2 mm，因此常規(guī)防排水形式下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析中往往不考慮排水系統(tǒng)影響。無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)隧道中由于凹凸排水板具有一定厚度，且受壓后產(chǎn)生較大變形，因此將隧道模型分為噴射混凝土（噴混）、排水板及襯砌3 層結(jié)構(gòu)。建立五心圓+仰拱隧道模型，隧道尺寸如表1 所示。

表1 隧道結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)明月山1 號隧道地質(zhì)勘探報告顯示，明月山隧道Ⅳ級圍巖段占比最多，約占隧道總長度的52%，因此隧道分析中?、艏墖鷰r。根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》可計算得出Ⅳ級圍巖條件下垂直均布荷載取值為176 kN/m2，水平均布荷載取值為52.8 kN/m2，地基反力系數(shù)取值為350 MPa/m。隧道模型荷載分布情況如圖4 所示。

圖4 Ⅳ級圍巖荷載分布

2.2 模型參數(shù)取值

根據(jù)表1 隧道尺寸建立常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)隧道模型及無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)隧道模型，如圖5 所示。

圖5 防排水結(jié)構(gòu)隧道模型

三維隧道模型全長20 m，分別在兩端截面施加y方向約束，在兩端拱頂中心點處施加x方向約束，如圖6 所示。

圖6 模型約束布置

隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值表2，其中，凹凸排水板屬于塑性材料，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性和多階段特點（見圖3），因此凹凸排水板選用von Mises 模型建立，在模型中輸入硬化曲線，見表3。凹凸排水板壓縮應(yīng)變大于0.769 后材料難以壓縮，因此在硬化曲線最后階段取塑性應(yīng)變0.900 時相應(yīng)應(yīng)力取值為5.0×107kPa。

表2 隧道結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)

表3 凹凸排水板硬化曲線設(shè)置

3 凹凸排水板對隧道襯砌受力影響分析

3.1 位移影響

圖7為常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)和無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)在Ⅳ級圍巖壓力作用下的位移變形圖。

圖7 隧道襯砌結(jié)構(gòu)總位移

由圖7 可知，常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)僅考慮噴射混凝土與二次襯砌結(jié)構(gòu)，噴射混凝土與二次襯砌緊密接觸，結(jié)構(gòu)彈性模量相差不大，因此變形趨勢基本一致；無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)下隧道支護由噴射混凝土、凹凸排水板及二次襯砌組成，凹凸排水板彈性模量遠(yuǎn)小于噴射混凝土與二次襯砌，因此在圖7（b）隧道拱頂處結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)差異。

圖8 為Ⅳ級圍巖下防排水結(jié)構(gòu)位移變形情況。

圖8 防排水結(jié)構(gòu)位移變形曲線

由圖8 可知，當(dāng)常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)受到圍巖壓力時，噴射混凝土與二次襯砌協(xié)同變形，拱頂處產(chǎn)生最大位移7.3 mm，側(cè)墻處位移約為4 mm，仰拱處變形位移最小在1 mm 以內(nèi)。

無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)受到Ⅳ級圍巖壓力時，噴混和襯砌同在拱頂處產(chǎn)生最大位移，至拱腰處逐漸減小。噴混最大位移為10.7 mm，襯砌最大位移為9.7 mm，結(jié)構(gòu)位移變形差達1 mm。在側(cè)墻至拱腳處，二次襯砌位移大于噴射混凝土變形位移。無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)受力總變形位移大于常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)。在相同圍巖壓力條件下，無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)在有凹凸防水板部位將產(chǎn)生更大變形。

3.2 最小主應(yīng)力影響

隧道支護結(jié)構(gòu)主要承受圍巖壓力，支撐圍巖防止塌落。當(dāng)圍巖壓力過大，支護結(jié)構(gòu)所受最小主應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)抗壓強度時，混凝土將開裂破壞。因此，支護結(jié)構(gòu)受最小主應(yīng)力是隧道結(jié)構(gòu)安全分析中重要指標(biāo)之一。圖9、圖10 分別為Ⅳ級圍巖壓力條件下常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)和無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)的最小應(yīng)力（壓應(yīng)力）云圖。

圖9 常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

圖10 無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

由圖9、圖10 可知，Ⅳ級圍巖壓力下常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)隧道噴混和襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力主要分布于拱頂、側(cè)墻及拱腳位置；無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)噴混受最小主應(yīng)力作用也主要集中于拱頂、側(cè)墻及拱腳處，而襯砌最小主應(yīng)力則在側(cè)墻處大幅減小，主要集中于拱頂處。

圖11為Ⅳ級圍巖下隧道支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力曲線。

圖11 隧道支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

由圖11 可知，在常規(guī)施工情況下，噴射混凝土與襯砌受壓應(yīng)力趨勢基本一致。無管濕鋪施工條件下噴射混凝土受壓應(yīng)力明顯增大，尤其是隧道側(cè)墻處，最大壓應(yīng)力為常規(guī)施工方法的2.5 倍；襯砌結(jié)構(gòu)則在拱頂處壓應(yīng)力增大，常規(guī)結(jié)構(gòu)隧道襯砌拱頂受最大壓應(yīng)力為-3097 kN/m2，無管濕鋪隧道襯砌拱頂受最大壓應(yīng)力為-5128 kN/m2，約為常規(guī)結(jié)構(gòu)的1.7 倍；襯砌側(cè)墻處壓應(yīng)力則減小明顯，在凹凸排水板尾端下出現(xiàn)壓應(yīng)力突然增大的情況。這是由于側(cè)墻處噴射混凝土隨凹凸排水板向內(nèi)壓縮變形，排水板強度較低，壓應(yīng)力傳遞至凹凸排水板后衰減，而凹凸排水板尾端結(jié)束處凹凸排水板材料變?yōu)榕c襯砌結(jié)構(gòu)相同的混凝土材料，此處材料剛度突然增大，壓力傳遞不發(fā)生衰減或僅發(fā)生少量衰減，因此出現(xiàn)壓應(yīng)力突增情況。綜上所述，雖然無管濕鋪條件下襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)墻最小主應(yīng)力有明顯減小，但拱頂位置受壓應(yīng)力明顯增大，隧道襯砌結(jié)構(gòu)更容易在拱頂部位發(fā)生破壞。

3.3 最大主應(yīng)力影響

隧道襯砌結(jié)構(gòu)通常為混凝土或鋼筋混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)脆性材料，具有典型的單邊效應(yīng)，受拉時表現(xiàn)為脆性，而受壓時表現(xiàn)為塑性，且抗壓強度顯著高于抗拉強度。因此，襯砌結(jié)構(gòu)在受到偏壓時極易發(fā)生受拉破壞現(xiàn)象，圖12、圖13 為Ⅳ級圍巖下2 種防排水工況隧道支護結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）云圖。

圖12 常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖13 無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖14為Ⅳ級圍巖下隧道支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力曲線。

圖14 隧道支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力曲線

由圖14 可知，在常規(guī)噴射混凝土+襯砌條件下，噴射混凝土結(jié)構(gòu)在拱腰和拱腳處受到較大拉應(yīng)力，其余部位受壓應(yīng)力；襯砌結(jié)構(gòu)則不受拉應(yīng)力作用，呈現(xiàn)僅受壓狀態(tài)。加設(shè)凹凸排水板結(jié)構(gòu)后，噴射混凝土與襯砌結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出與常規(guī)工況下受力相反的特性，噴射混凝土基本不受拉應(yīng)力，僅在拱腳（排水板結(jié)束位置）發(fā)生應(yīng)力突變，受到拉應(yīng)力；襯砌結(jié)構(gòu)在拱腰和拱腳處則出現(xiàn)受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力巨幅增大，為常規(guī)排水工況下噴射混凝土受拉應(yīng)力的2 倍以上。

4 結(jié) 論

為分析無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)與二次襯砌間的相互作用特性，討論凹凸排水板在不同隧道條件下的適用性，采用三維數(shù)值模擬軟件對無管濕鋪防排水系統(tǒng)受力特征進行分析。根據(jù)計算分析計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）相較于常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)隧道，相同圍巖條件下無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)隧道將產(chǎn)生更大變形。

（2）無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)隧道襯砌拱頂受最大壓應(yīng)力為常規(guī)結(jié)構(gòu)隧道的1.7 倍。

（3）常規(guī)隧道襯砌外環(huán)僅呈受壓狀態(tài)，無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)隧道拱腰和拱腳處則出現(xiàn)受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力巨幅增大，為常規(guī)排水工況下噴射混凝土受拉應(yīng)力的2 倍以上。

（4）防排水結(jié)構(gòu)形式的改變將導(dǎo)致隧道襯砌壓應(yīng)力分布的改變，常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)襯砌最大壓應(yīng)力在側(cè)墻部位，無管濕鋪防排水結(jié)構(gòu)襯砌最大壓應(yīng)力在拱頂部位。