鄧祥輝

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710032)

隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷加快，越來(lái)越多的鐵路、公路隧道將在西南高山地區(qū)修建。這些隧道一般埋置深度較大，穿越富水區(qū)，而且水頭一般也很高(如兩河口交通隧道和錦屏交通隧道)。這些隧道若采用“防排結(jié)合，以排為主”的防排水原則，一則不能根治隧道水害，二則導(dǎo)致洞頂?shù)叵滤幌陆?，地表水資源枯竭，使本來(lái)脆弱的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。采取“以堵為主”則往往會(huì)產(chǎn)生高達(dá)若干兆帕的水壓力，使襯砌難以承受［1-2］。因此，要在不影響生態(tài)環(huán)境的條件下，安全、可靠地進(jìn)行隧道施工和運(yùn)營(yíng)就必須解決襯砌上外水壓力的問(wèn)題［3-4］。

目前，在隧道襯砌水荷載的計(jì)算中，基本上還是參照水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)。而鐵路、公路隧道工程由于防排水系統(tǒng)的設(shè)置與水利、水電工程隧道差別較大，僅僅采用折減系數(shù)法顯然存在很大問(wèn)題［5］。因此，在折減系數(shù)法基礎(chǔ)上，按照隧道圍巖實(shí)際滲流情況來(lái)確定襯砌上的外水壓力是較為合理的。另外，西南高山區(qū)隧道一般埋深較大，而隨著隧道埋深的增加，地應(yīng)力也迅速增大［6-7］。而規(guī)范對(duì)于Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖水平壓力的側(cè)向系數(shù)通常取值在0.15～0.50的范圍，實(shí)際工程證明這樣的取值范圍對(duì)這一地區(qū)隧道工程明顯偏?。?］。因此，根據(jù)不同地區(qū)隧道工程情況，確定初始地應(yīng)力側(cè)向壓力系數(shù)也是非常重要的。

1 外水壓力及初始地應(yīng)力

1.1 外水壓力折減公式

對(duì)于深埋于含水層的隧道，其經(jīng)折減后的水壓力值往往過(guò)大，襯砌難以直接承受，因此在能保持洞頂水資源恢復(fù)和水環(huán)境平衡的前提下，允許隧道有適當(dāng)滲漏水以減壓，從而減少襯砌和止水工程，應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)合理的。分析表明，襯砌滲流一方面造成能量損失，另一方面還減小了水作用于襯砌外表面的面積，襯砌外水壓力的降低是這兩方面因素疊加的結(jié)果［9］?？紤]滲流的能量損失和減小作用面積對(duì)襯砌外水壓力的重疊影響，可以得到允許滲流的隧道襯砌的外水壓力預(yù)測(cè)公式為

式中，P0為經(jīng)折減后的水壓力;β為折減系數(shù)法中的折減系數(shù);qs為單位長(zhǎng)度未襯砌的毛洞洞壁的自然穩(wěn)定涌水量(m2/d);q為單位長(zhǎng)度襯砌的允許滲流水量(m2/d)。

1.2 初始地應(yīng)力公式

巖體初始地應(yīng)力是巖土工程設(shè)計(jì)與施工所要考慮的重要因素之一，一般來(lái)講，地應(yīng)力場(chǎng)成因復(fù)雜，影響因素眾多，確定初始地應(yīng)力一直是非常困難的問(wèn)題。根據(jù)大量實(shí)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析，并將構(gòu)造地應(yīng)力的影響考慮進(jìn)去，一些學(xué)者提出了巖體地應(yīng)力公式［10］。

Y方向(豎直方向)地應(yīng)力

X方向(水平方向)地應(yīng)力

式中，γ為巖體重度(kN/m3);H為埋深(m);μ為泊松比;kt為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù);k為巖體側(cè)向壓力系數(shù)。

2 兩河口隧道數(shù)值計(jì)算與分析

2.1 兩河口電站1#公路隧道工程概況

雅礱江兩河口水電站交通工程1#公路位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)雅礱江地帶，地貌區(qū)劃屬青藏高原東部之川西高原深切割高山區(qū)，總體地勢(shì)呈東西兩側(cè)高、中部相對(duì)較低態(tài)勢(shì)。1#公路隧道區(qū)巖體主要分布為兩河口組中段(TIn23)，巖石為深灰至灰黑色砂質(zhì)碳質(zhì)板巖夾變質(zhì)石英砂巖，層面發(fā)育，節(jié)理較不發(fā)育，主要礦物成份為長(zhǎng)石、石英。工程區(qū)內(nèi)無(wú)大斷面通過(guò)，斷裂構(gòu)造以構(gòu)造節(jié)理為主，總體構(gòu)造線為北西—南東向。

雅礱江兩河口水電站交通工程1#公路兩河口隧道全長(zhǎng)5 855 m，穿越呷拉山，隧道樁號(hào)K7+480—K13+335。兩河口隧道地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為單斜構(gòu)造，巖性為細(xì)粒石英砂巖，巖石較堅(jiān)硬，巖體較破碎，無(wú)不良地質(zhì)和特殊巖層。洞身圍巖為兩河口組弱風(fēng)化變細(xì)粒石英砂巖，以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主。地下水分為第四系松散堆積層孔隙水壓力和基巖裂隙水兩類。在隧道掘進(jìn)至K8+610—K8+680時(shí)，遇斷層段，水量豐富，地下水位高于隧道洞頂約150 m。

2.2 圍巖參數(shù)

進(jìn)入洞身段主要以Ⅳ級(jí)圍巖為主，Ⅳ級(jí)圍巖主要參數(shù)見(jiàn)表1。本工程施工采用新奧法，隧道開(kāi)挖采用光面爆破。由于本段為Ⅳ圍巖，設(shè)計(jì)采用單圓心曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，二次襯砌混凝土厚度為40 cm。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖主要參數(shù)

2.3 外水壓力及初始地應(yīng)力計(jì)算

經(jīng)實(shí)測(cè)，得到該段隧道封堵前后單位長(zhǎng)度的涌水量分別是:封堵前滲水量qs為0.009 7 m3/s;封堵后的滲水量q為0.001 68 m3/s;折減系數(shù) β為0.6。地下水高度約為150 m，根據(jù)式(1)可計(jì)算得到外水壓力P為0.85 MPa。

本工程地處青藏高原邊緣，由于地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，導(dǎo)致初始地應(yīng)力高。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比和分析試算，側(cè)向壓力系數(shù)k取0.9。因此，根據(jù)式(2)和式(3)，可以得到Y(jié)方向和X方向的地應(yīng)力。

2.4 計(jì)算模型及分析

選取K8+660剖面為典型計(jì)算剖面，計(jì)算區(qū)域?yàn)?9.6 m×58.8 m。隧道原點(diǎn)為O點(diǎn)，隧道外輪廓半徑為5.8 m，二次襯砌混凝土厚度為0.4 m，如圖1所示。整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為6 158個(gè)三角形單元，其中圍巖剖分為5 920個(gè)單元，二次襯砌剖分為238個(gè)單元，共3 223個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用筆者自編程序2D-Tunnel進(jìn)行有限元分析。

圖1 有限元計(jì)算

圖2 不考慮外水壓力的X方向位移(單位:m)

圖3 考慮外水壓力的X方向位移(單位:m)

圖4 不考慮外水壓力的Y方向位移(單位:m)

圖5 考慮外水壓力的Y方向位移(單位:m)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，分別得到不考慮外水壓力和考慮外水壓力的X方向和Y方向等值線圖，詳見(jiàn)圖2～圖5，圖中位移單位均為m。從圖中可以看出，考慮外水壓力時(shí)，計(jì)算的X方向、Y方向的值明顯偏大。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，考慮外水壓力時(shí)，Y方向最大變形發(fā)生在拱頂A點(diǎn)的正上方，變形值為-4.63 cm，而不考慮外水壓力的最大變形值為-3.70 cm;考慮外水壓力時(shí)，X方向最大變形點(diǎn)位于隧道右側(cè)拱角附近，最大值為1.39 mm，而不考慮外水壓力時(shí)，最大變形點(diǎn)位于隧道左側(cè)拱角附近，最大值為1.14 mm。比較 X、Y向變形的等值線圖可知，Y向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X向變形。由此可知，承受外水壓力的隧道襯砌破壞形式以受壓破壞為主。

為了更清楚地了解考慮外水壓力與不考慮外水壓力變形值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系，對(duì)該斷面進(jìn)行了實(shí)際變形量測(cè)。如圖1所示，斷面測(cè)點(diǎn)共設(shè)3點(diǎn)，分別是拱頂?shù)腁點(diǎn)，洞周的 B、C點(diǎn)，3個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)見(jiàn)表2。本工程對(duì)斷面位移測(cè)量采用SL-2型位移收斂?jī)x，其測(cè)量精度為0.01 mm。同時(shí)對(duì)拱頂A點(diǎn)的下沉位移測(cè)量采用高精度 Leica全站儀 TPS800型號(hào)。拱頂 A的絕對(duì)下沉值以及 A、B、C三點(diǎn)相對(duì)收斂位移 UA-B，UA-C和UB-C值詳見(jiàn)表3。表3對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)兩種工況計(jì)算值與實(shí)測(cè)收斂值進(jìn)行了比較，從表3可見(jiàn)，雖然考慮外水壓力和不考慮外水壓力兩種情況得到的位移值都比實(shí)測(cè)值小，但考慮外水壓力計(jì)算得到的位移值與實(shí)測(cè)值更為接近。這樣的情況主要是本工程水壓力較大，因此，考慮水壓力情況下計(jì)算得到的位移收斂值就會(huì)更接近實(shí)際。

表2 實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

表3 測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較 mm

3 結(jié)論

本文對(duì)位于青藏高原的兩河口隧道進(jìn)行了實(shí)際變形測(cè)量，并在考慮外水壓力和不考慮外水壓力的情況下進(jìn)行了隧道變形的數(shù)值模擬。從計(jì)算的過(guò)程和結(jié)果看，主要有以下幾方面的體會(huì)和建議:

1)考慮外水壓力計(jì)算得到的 X、Y方向的位移值均明顯大于不考慮外水壓力時(shí)兩個(gè)方向的位移值，而且考慮外水壓力得到的位移值與實(shí)測(cè)值更為接近。

2)本工程外水壓力折減系數(shù)β取0.6是根據(jù)工程類比確定的，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，比較符合實(shí)際，但建議在富水地區(qū)應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)外水壓力。

3)由于本工程地處青藏高原邊緣，初始地應(yīng)力較高，地應(yīng)力側(cè)向系數(shù)的取值比較重要，取值是不能僅僅根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)確定。本次計(jì)算經(jīng)試算，取值為0.9，計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際，說(shuō)明結(jié)果較合理。

4)對(duì)于外水壓力較高的隧道工程，施工中可考慮實(shí)施既能保障注漿堵水質(zhì)量，又能提高加固圍巖耐久性的注漿措施，這樣既能發(fā)揮圍巖的承載性能，又能有效確保外水壓力下襯砌的安全。

5)本文對(duì)襯砌、圍巖的變形模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)未進(jìn)行敏感度分析，有待進(jìn)一步討論。

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