基于應力 - 滲流耦合的巖溶隧道襯砌安全性分析

作者簡介：

李 盈（1983—），工程師，主要從事高速公路行政執(zhí)法、安全生產(chǎn)和應急監(jiān)督管理工作。

摘要：文章以某跨越巖溶地貌的公路隧道為依托，運用FLAC 3D有限元差分軟件構建應力-滲流耦合及普通比對模型，通過分析服役公路隧道初支和二襯等結構的受力特性，計算支護結構安全系數(shù)，評價隧道結構安全性，對比分析實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，以驗證數(shù)值模擬的可靠性。結果表明：考慮應力-滲流耦合效應，初期支護結構與二次襯砌結構的安全系數(shù)均有所降低，初期支護結構及二次襯砌結構的拱腳處分別可能發(fā)生受拉破壞、受壓破壞，應力-滲流耦合模型的二次襯砌結構外側(cè)土壓力數(shù)值模擬結果更貼合實際情況，更具備可靠性。該結論可為類似巖溶隧道襯砌結構的安全性分析提供參考。

關鍵詞：巖溶隧道；應力-滲流耦合；襯砌結構；安全系數(shù)；服役階段

中圖分類號：U455.91文獻標識碼：A 39 132 4

0 引言

隨著我國基礎建設與公路干網(wǎng)的不斷完善，橋梁、隧道等結構的服役安全問題受到社會廣泛關注［1］。隧道在長期服役過程中，受巖層風化、巖溶、化學腐蝕等自然因素的影響，可能會出現(xiàn)結構損傷和功能劣化［2］。我國喀斯特地貌分布較為廣泛，受落水洞、溶蝕洼地的不利影響，服役階段的隧道襯砌結構安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。眾多學者對服役隧道處于不利影響下的結構安全性開展了研究，李曉剛等［3］研究了巖溶區(qū)運營公路隧道在不同溶洞空間分布形態(tài)大小特征、不同節(jié)理傾角、強降雨條件下襯砌的受力特性；蔣雅君等［4］通過設置防水膜力學參數(shù)及界面參數(shù)，建了復合式襯砌、噴膜防水襯砌及單層襯砌的數(shù)值仿真模型，并對不同襯砌結構的力學特性進行比較分析；鐘明文等［5-6］均基于數(shù)值模擬與綜合探測等手段，探索巖溶隧道塌方以及突水涌泥的形成原因；徐強等［7］通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等研究方法，探究應力-滲流耦合效應對隧道支護結構水壓力與安全性存在何種影響。鑒于此，本文針對某實際隧道巖溶區(qū)的襯砌結構安全性問題進行分析，通過構建應力-滲流耦合與普通比對模型，通過提取初支、二襯等結構的內(nèi)力結果，根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1-2018）相關規(guī)定計算支護安全系數(shù)，判斷隧道襯砌安全性。

1 工程概況

本文以某富水公路隧道巖溶區(qū)為依托，隧址巖溶區(qū)從上至下分別為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r層（T1j4）、嘉陵組灰?guī)r層（T1j3）、灰?guī)r夾石膏層（T1j2），區(qū)域節(jié)理、裂隙、巖溶凹槽、暗河等較為發(fā)育，地表水與深部地下水存在縱向水力聯(lián)系，洞身穿越灰?guī)r夾石膏層，石膏巖層具有C級腐蝕性。隧道巖溶區(qū)縱斷面見圖1。埋深與水位分別為180 m、60 m。對特征斷面襯砌結構設置拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、仰拱底等測點見圖2。

2 構建模型與參數(shù)取值

該隧道巖溶段初支為厚度0.3 m的C25耐腐蝕防水噴混凝土，二襯為厚度為0.55 m的C40耐腐蝕防水鋼筋混凝土，數(shù)值模擬將超前小導管等支護并入加固圈計算。加固圈范圍為4.0 m，通過提高圍巖參數(shù)進行模擬，初支（錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架）、二次襯砌結構（不同類型鋼筋）均采用等效剛度法進行簡化處理［8］?？紤]隧道影響范圍大小，采用FLAC 3D軟件構建100 m×1 m×260 m（長×寬×高）的模型；利用實體單元對圍巖、加固圈、二次襯砌結構進行模擬，初期支護結構選取shell單元進行模擬。力學邊界為：除地表自由外，其余邊界均約束法向位移速率。滲流邊界為：水位線以上的圍巖設置為干燥狀態(tài)，水位線以下的圍巖處于飽和狀態(tài)，地表為透水邊界，其余邊界均為不透水界面，初期支護、二次襯砌等結構均不透水，隧道凈空斷面為零水壓力面。通過開啟應力-滲流模塊實現(xiàn)應力-滲流耦合效應，而普通對比模型僅考慮力學邊界。隧道巖溶區(qū)特征斷面網(wǎng)格劃分見圖3（a），隧道應力-滲流耦合模型的力學邊界、滲流邊界、初始水位設置見圖3（b），圍巖、襯砌結構等物理力學參數(shù)取值見表1。

3 襯砌結構安全性分析

隧道襯砌結構對稱布置，僅取襯砌結構右半部分進行分析即可。建立應力-滲流耦合模型與普通對比模型后，提取不同工況的初支軸力與彎矩等數(shù)據(jù)，然后提取二襯內(nèi)外側(cè)應變數(shù)據(jù)，并將應變數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）轉(zhuǎn)換為二襯軸力、彎矩等數(shù)據(jù)，最終求解出初支與二襯的安全系數(shù)［9］。

N=E（ε內(nèi)+ε外）bh/2

（1）

M=E（ε內(nèi)-ε外）bh2/12

（2）

式中：N——軸力（N）；

M——彎矩（N·m）；

E——彈性模量（Pa）；

ε內(nèi)、ε外——二次襯砌結構的內(nèi)側(cè)應變、外側(cè)應變；

b、h——二次襯砌結構的橫截面寬度、橫截面高度（m）。

3.1 初期支護結構安全性分析

在隧道初期支護結構與圍巖協(xié)調(diào)變形的長期過程中，初期支護結構的力學特征為緩慢變化趨勢，且在有、無應力-滲流耦合效應下初期支護結構內(nèi)力特征也有所不同。軸力、彎矩模擬云圖見圖4、圖5，各監(jiān)測點的軸力、彎矩見下頁表2。

由上頁圖4、圖5及表2可知：

（1）不同工況模型條件下，隧道初支整體受壓，壓力峰值、最低值分別位于邊墻、仰拱底，應力-滲流耦合模型的壓力值較普通對比模型大；若初支局部壓力大于材料極限抗壓強度，邊墻可能最先發(fā)生受壓破壞。

（2）不同工況模型條件下，初支正負彎矩峰值均位于拱腳，應力-滲流耦合模型的彎矩值較普通對比模型?。还澳_處剪力發(fā)生異號突變，表明初支拱腳易發(fā)生剪切破壞，當初支局部剪力超越材料極限抗剪強度，拱腳易失穩(wěn)。

（3）應力-滲流耦合工況下，各測點初支軸力相較于普通工況分別增大40.1%、18.9%、6.9%、1.7%、97.3%，表明考慮滲流效應對拱頂、仰拱底兩處的軸力影響顯著；各測點初支彎矩相較于普通工況分別減小63.6%、22.9%、40.7%、2.7%、7.5%，說明受滲流耦合影響，初支拱頂、邊墻兩處的彎矩明顯下降。

提取初支各測點軸力與彎矩值，按《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）相關規(guī)定，計算出隧道初支安全系數(shù)。初支為噴混材料，對應抗壓、抗拉安全系數(shù)限制值分別為1.8、2.7［10］。初支各測點的安全系數(shù)分布如圖6所示。

由圖6可知，不同工況的初支安全系數(shù)存在顯著差異，應力-滲流耦合對應的各測點初支安全系數(shù)較普通工況的小，初支除拱腳受拉控制以外，其余均受壓控制，且抗壓安全系數(shù)峰值、最低值分別位于仰拱底、邊墻。不同工況的初支抗壓安全系數(shù)均gt;1.8，拱頂、拱腰、邊墻、仰拱底等部位滿足支護安全儲備要求；不同工況的拱腳抗拉安全系數(shù)均lt;2.7，可知拱腳處的初支不滿足安全要求。受地下水影響，初支材料強度易發(fā)生劣化，邊墻、拱腳等處的初支安全系數(shù)低，應進行養(yǎng)護動態(tài)檢測，及時發(fā)現(xiàn)與解決問題，確保隧道運營安全性。

3.2 二次襯砌結構安全性分析

運營階段的隧道圍巖與初支協(xié)調(diào)變形持續(xù)，初支與二襯緊密貼合將導致二襯產(chǎn)生一定變形，因此，巖溶段二襯應具有良好安全儲備，為隧道耐久性奠定良好基礎。不同工況的二襯Mises等效應變結果見圖7、圖8，各測點的二襯內(nèi)、外側(cè)Mises等效應變見表3。

分析圖7、圖8和表3可以看出：

（1）不同工況下，二襯Mises等效應變均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，內(nèi)、外側(cè)Mises等效應變峰值均位于仰拱底。內(nèi)、外側(cè)應變Mises等效應變最小值均位于拱腳處；應力-滲流耦合對應的各測點內(nèi)、外側(cè)Mises等效應變較于普通模型愈大；應變增量與位移變形成正線性相關，仰拱底、拱頂處內(nèi)外側(cè)Mises等效應變較大，表明仰拱底、拱頂處的位移變形量較大。

（2）二襯內(nèi)、外側(cè)Mises等效應變由小到大排序為拱腳、邊墻、拱腰、拱頂、仰拱底，應力-滲流耦合模型的各測點外側(cè)Mises等效應變分別為普通模型的130.6%、156.4%、154.4%、180.0%、130.3%，應力-滲流耦合模型的各測點內(nèi)側(cè)Mises等效應變分別為普通模型的134.5%、105.3%、126.5%、160.0%、131.3%，表明應力-滲流耦合對二襯拱腳處內(nèi)外側(cè)Mises等效應變的影響顯著。

將上頁表3中的二襯各測點內(nèi)外側(cè)Mises等效應變數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）計算，得出二襯軸力、彎矩等數(shù)據(jù)，并按《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）相關規(guī)定計算出二襯安全系數(shù)。二襯材料為鋼筋混凝土，其對應的抗壓、抗拉安全系數(shù)限制值分別為1.5、1.8［10］。二襯安全系數(shù)分布規(guī)律見圖9。

由圖9可知，不同工況下的二襯安全系數(shù)均為抗壓安全系數(shù)，各測點抗壓安全系數(shù)由大到小排序為仰拱底、拱頂、拱腰、邊墻、拱腳；普通模型的各測點抗壓安全系數(shù)均＞1.5，而應力-滲流耦合模型的抗壓安全系數(shù)較于普通模型降低，且拱腳抗壓安全系數(shù)＜1.5，說明受應力-滲流耦合影響，二襯拱腳處已不滿足安全儲備要求。應力-滲流耦合模型各測點的二襯抗壓安全系數(shù)較于普通模型分別減小26.3%、14.0%、23.5%、27.8%、41.0%，這是因為處于巖溶區(qū)，地下水向隧道斷面滲流，二襯外部水壓力增大，導致二襯安全儲備降低。為滿足耐久性與安全性等要求，應采取防排水等措施，對隧道進行養(yǎng)護加固。

4 實測與數(shù)值對比分析

利用施工預埋的應變式土壓力盒，對二襯外側(cè)土壓力進行監(jiān)測，測點布設與前頁圖2相同，二襯各測點土壓力實測與數(shù)值結果對比見圖10。

由圖10可知，二襯外側(cè)土壓力從小到大排序為普通對比、應力-滲流、實測，模擬與實測結果均顯示拱腳土壓力最大；對于普通模型，應力-滲流耦合的數(shù)據(jù)更接近于實測，且外側(cè)土壓力分布規(guī)律更相似。較于實測，應力-滲流耦合的二襯外側(cè)土壓力誤差分別為10.7%、8.3%、9.1%、12.3%、2.9%，誤差范圍lt;15%，因此采取應力-滲流耦合對巖溶隧道進行模擬，更貼合實際，驗證了應力-滲流耦合模擬的可靠性。

5 結語

（1）應力-滲流耦合效應對初支影響顯著，拱頂與仰拱底壓力明顯增大，拱頂和邊墻處彎矩值明顯減小，初支安全系數(shù)降低，拱腳抗拉安全系數(shù)lt;2.7，不滿足安全要求，需要及時加固。

（2）應力-滲流耦合效應導致二襯拱腳Mises等效應變顯著增大，且安全系數(shù)同步減小，拱腳抗壓安全系數(shù)已lt;1.5，應及時進行拱腳區(qū)域養(yǎng)護加固，確保隧道使用安全。

（3）考慮應力-滲流耦合提高了二襯外側(cè)土壓力的預測準確性，模擬土壓力與實測更接近；考慮應力-滲流耦合的土壓力誤差范圍lt;15%，驗證了模擬可靠性。

參考文獻

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