暴雨時(shí)巖溶隧道排水方案優(yōu)化分析

為降低地下水對(duì)隧道襯砌的侵蝕，防止地下水向隧道內(nèi)滲透，文章以某高速公路典型巖溶隧道作為工程背景，利用Midas GTS有限元軟件模擬不同排水方案在突遇暴雨時(shí)二次襯砌的水壓力分布狀況，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化的排水方案進(jìn)行受力分析。根據(jù)模擬結(jié)果可知：不同排水方案下，二次襯砌的水壓力分布規(guī)律不同，其中優(yōu)化的排水方案能改變現(xiàn)有仰拱最大受水壓力狀況，降低巖溶隧道整體水壓力，對(duì)提高巖溶隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全性能有重要作用。

巖溶隧道；Midas GTS；襯砌水壓；排水；方案優(yōu)化

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作者簡(jiǎn)介：

曹" 萍（1987—），經(jīng)濟(jì)師，主要從事各類工程建設(shè)項(xiàng)目招標(biāo)、管理及咨詢服務(wù)工作。

0" 引言

巖溶地質(zhì)在我國(guó)西南地區(qū)極為常見(jiàn)，在地表水和地下水的共同溶蝕作用下，地下巖體被長(zhǎng)時(shí)間溶蝕，形成溝壑發(fā)達(dá)的巖溶地質(zhì)，給交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。巖溶地質(zhì)及巖溶水易導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、變形、垮塌，如處理不當(dāng)，將會(huì)造成各類安全事故，影響隧道使用壽命，引發(fā)不良社會(huì)反響。如2015年7月，滬昆線小高山隧道由于突降暴雨，地下水位短時(shí)間迅速上升，導(dǎo)致隧道仰拱承壓破壞；2021-07-20，暴雨后，鄭州市京廣北路隧道幾乎完全被水淹沒(méi)，有人不幸遇難，多人死里逃生；2021-08-23，元綠高速公路在建的哈達(dá)東1號(hào)隧道，因持續(xù)降雨山體滑移，導(dǎo)致隧道冒頂塌方。由此可見(jiàn)，降雨因素導(dǎo)致水壓力突變是造成巖溶隧道破壞的主要因素之一［1］。

目前，針對(duì)地下水量較小的山嶺隧道，通常采取不排水或半排水方案即可滿足需求；在含水量豐富的隧道中，半排水或常規(guī)排水方案也可基本滿足隧道排水需求；但當(dāng)巖溶隧道疊加極端暴雨天氣狀況，常規(guī)排水方案或?qū)㈦y以滿足防排水需求［2］。因此，分析動(dòng)水壓力作用下巖溶隧道襯砌的受力規(guī)律對(duì)揭示隧道破壞機(jī)理，優(yōu)化改進(jìn)隧道防排水方案顯得十分必要。

1" 工程概況

本文研究的高速公路隧道項(xiàng)目是建設(shè)過(guò)程中的重點(diǎn)控制性工程，位于廣西河池市鳳山縣內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫暖，雨水豐沛，常發(fā)生暴雨洪澇、熱帶氣旋等災(zāi)害。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，多年降雨量在723.9～2 983.8 mm，平均年降雨量為1 647.7 mm，屬多雨水地區(qū)。

該地區(qū)地質(zhì)狀況復(fù)雜，地層起伏多變且溶洞發(fā)達(dá)，地下水貫通。隧道經(jīng)過(guò)區(qū)域圍巖破碎程度不同，隧道斷層兩側(cè)分布灰?guī)r、碎屑巖等不同巖性，斷層段位于可溶巖與非可溶巖交界區(qū)，喀斯特地貌巖溶往往最為發(fā)育。

2" 排水方案設(shè)計(jì)

為研究最不利狀況，考慮項(xiàng)目所在地歷史極端暴雨天氣，特選擇隧道區(qū)域內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖作為研究對(duì)象，利用Midas GTS軟件模擬不同排水方案下巖溶隧道的承壓分布規(guī)律及薄弱點(diǎn)，驗(yàn)證優(yōu)化后的排水方案可行性，以提高巖溶隧道應(yīng)對(duì)突發(fā)暴雨?duì)顩r的能力。

（1）常規(guī)排水方案設(shè)計(jì)將隧道周邊圍巖內(nèi)的地下水通過(guò)襯砌背后的環(huán)、縱向排水管匯入中心排水溝內(nèi)，并最終由中心排水溝集中排出隧道，如圖1所示。

（2）優(yōu)化排水方案是在常規(guī)防排水方案的基礎(chǔ)上，將隧道中心排水溝移動(dòng)至仰拱底部，同時(shí)延長(zhǎng)環(huán)向排水盲管至中心水溝，增大其排水能力，如圖2所示。

3" 隧道滲流模型

3.1" 模型的建立

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及隧道排水設(shè)計(jì)方案，利用實(shí)體單元構(gòu)建Midas GTS三維滲流模型，滲流模型長(zhǎng)和高均為35 m、寬為15 m，隧道埋深為5 m。利用Mohr-Coulomb模型作為材料彈塑性本構(gòu)分別建立不排水、常規(guī)排水和優(yōu)化排水隧道模型，隧道模型中包括圍巖、二次襯砌、防水板、橫縱向排水盲管及中心排水溝等（圖3、圖4）。

暴雨時(shí)巖溶隧道排水方案優(yōu)化分析/曹" 萍

3.2" 模型參數(shù)的確定

通過(guò)排水設(shè)計(jì)方案及隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察結(jié)果，確定構(gòu)建模型所需幾何參數(shù)及物理力學(xué)特性，隧道圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，粘聚力c取值為0.15 MPa，內(nèi)摩擦角φ的取值范圍為25°，采用C35混凝土澆筑二次襯砌，中心排水溝直徑為50 cm，橫縱向排水盲管直徑均為10 cm。

3.3" 荷載及邊界

為更好地研究三維隧道滲流情況，實(shí)現(xiàn)暴雨條件下對(duì)巖溶隧道排水方案優(yōu)化的目的，獲得暴雨條件下隧道襯砌受水壓力分布狀況，需將滲流邊界設(shè)置如下：

（1）假設(shè)自由地下水面位于圍巖頂面，且存在充足的降雨補(bǔ)給，地下水位不會(huì)因隧道內(nèi)盲管及中心溝排水而降低［3］。

（2）設(shè)定隧道底面為不透水邊界，令其法向流速及流量皆為0。

（3）考慮正常排水環(huán)境下，縱向盲管設(shè)定為一端無(wú)壓力水頭，另一端不排水。

結(jié)合隧道工程狀況，隧道埋深較深且上方?jīng)]有堆載施工，巖溶發(fā)育地下水位與降雨補(bǔ)給地表緊密相連，軟件模擬時(shí)僅考慮巖層自重荷載及水壓力荷載，忽略其他荷載。

4" 模擬結(jié)果分析

4.1" 整體分布

利用Midas GTS軟件運(yùn)算三種不同狀況下的隧道滲流模型，二次襯砌周圍的水壓力分布云圖如圖5～7所示。

不排水方案下二次襯砌最大水壓力分布于整個(gè)仰拱，其最大值為8.19 kPa；常規(guī)排水方案下最大水壓力集中于仰拱中部，其最大值為5.19 kPa；優(yōu)化排水方案后最大水壓力轉(zhuǎn)移至拱腰和拱頂位置，其最大值為2.5 kPa。

4.2" 細(xì)部分布

為更好地分析二次襯砌受水壓力情況，選擇第1道與第2道縱向盲管中間部位作為典型截面，并選定分布于拱頂、拱腰、邊墻和仰拱的10個(gè)特征點(diǎn)作為分析對(duì)象（圖8），提取各特征點(diǎn)水壓數(shù)據(jù)，如表2所示。

不排水方案下模擬預(yù)測(cè)水壓力值與試驗(yàn)所得孔隙水壓力數(shù)據(jù)大體一致，水壓力值隨隧道埋深不斷增大，仰拱位置埋深最大，其水壓力最大，符合工程經(jīng)驗(yàn)；常規(guī)排水方案下，邊墻角的水壓力雖顯著降低，但仍未改變隧道襯砌整體受力分布情況；經(jīng)優(yōu)化排水方案后隧道襯砌整體受力大幅降低，且改變了仰拱受壓最大的狀況，使隧道的安全性獲得極大提升。

5" 結(jié)語(yǔ)

本文利用Midas GTS軟件結(jié)合巖溶地區(qū)高速公路隧道工程實(shí)際情況，分析在暴雨時(shí)采用不同排水方案的巖溶隧道二次襯砌受壓情況，主要得到如下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果表明，不排水及常規(guī)排水方案下巖溶隧道將承受較大的壓力，且基本集中于仰拱部位，導(dǎo)致隧道承壓破壞。而優(yōu)化后的排水方案可以從根本上改變仰拱最大承壓狀況，實(shí)現(xiàn)巖溶隧道整體降壓，能提升巖溶隧道在暴雨工況下的抗壓能力。

（2）理論上，采用優(yōu)化排水方案對(duì)巖溶地區(qū)公路隧道引排處治在一定程度上是有效的，但模擬軟件在解決工程問(wèn)題中一般起到輔助驗(yàn)證的作用，該方案在我國(guó)隧道工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究工作并不多，僅為巖溶地區(qū)隧道排水系統(tǒng)的改進(jìn)提供一定的參考和借鑒。

［1］聶志凌.水壓充填型巖溶隧道突水機(jī)理及襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［2］潘東東，李術(shù)才，許振浩，等.巖溶隧道承壓隱伏溶洞突水模型試驗(yàn)與數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（5）：828-836.

［3］周亞?wèn)|，張" 彬，耿" 招，等.基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的隧道軟弱圍巖穩(wěn)定性分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（5）：980-988.

20240420