王玉鎖，楊 超，曾宏飛，唐建輝

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展及路網(wǎng)的完善，需要在地下水豐富的地區(qū)修建長大隧道。作用在襯砌的外水壓力的大小和分布規(guī)律在隧道的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營中是值得研究的問題。目前國內(nèi)外已經(jīng)有了一些關(guān)于隧道襯砌外水壓力的研究成果。Harr(1962)基于鏡像法和疊加原理求得了隧道圍巖孔隙水壓力分布［1］;Bouvard和Pioto(1969)假設(shè)隧道周圍鏡像流動(dòng)，提出了滲流計(jì)算公式［2］。此外，根據(jù)無限含水層中井的理論，王建宇［3］、王秀英等［4］推導(dǎo)出隧道中無內(nèi)水壓力時(shí)地下水排放量和支護(hù)結(jié)構(gòu)外水壓力及注漿圈外水壓力的計(jì)算公式。但是到目前為止，國內(nèi)還沒有一套完整、系統(tǒng)的隧道外水壓力的計(jì)算方法。鐵路隧道規(guī)范［5］對(duì)外水荷載的處理與公路隧道規(guī)范［6］基本相似，也沒有明確方法。目前，交通隧道的外水壓力主要采用全水荷載或參照水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［7］和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法［2］?？紤]全水荷載雖然偏于安全，但是過于保守，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理［8］。水電部門對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水荷載研究得比較全面，提出了外水荷載折減系數(shù)β值［7］。但由于水電部門隧洞主要是有壓過水隧洞，加之其自身的特殊性，能否將水工隧洞的外水壓力參考值運(yùn)用于鐵路隧道值得研究［8］。對(duì)此，本文以渭河隧道下穿河谷段為工程背景，應(yīng)用有限差分法［9］進(jìn)行數(shù)值模擬，得出考慮外水壓力時(shí)襯砌設(shè)計(jì)應(yīng)采用的折減系數(shù)。同時(shí)，進(jìn)行了與不考慮外水壓力條件下隧道結(jié)構(gòu)受力的對(duì)比分析，得出了外水壓力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，可為類似工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道位于天水市花牛鎮(zhèn)及南河川鄉(xiāng)。隧道起訖里程DK770+28.0—DK780+40.7，全長10 012.7 m，隧道最大埋深350 m。該隧道下穿籍河段位于天水市規(guī)劃區(qū)。本次研究的隧道下穿河谷段里程為DK772+650—DK776+050，Ⅴ級(jí)圍巖。隧道洞身基本位于第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫石層中。隧道在穿過籍河河谷區(qū)時(shí)，洞身位于第四系全新統(tǒng)細(xì)、粗圓礫土下部泥巖弱風(fēng)化層中。泥巖成分以黏土礦物為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，成巖作用差，巖質(zhì)較軟弱。第四系含水層厚度較大，水量較豐富，對(duì)下部泥巖強(qiáng)風(fēng)化層有一定的補(bǔ)給，但對(duì)強(qiáng)風(fēng)化層下部弱風(fēng)化層補(bǔ)給相對(duì)較弱。洞頂距泥巖強(qiáng)風(fēng)化層底部約1.2～20.0 m，受施工開挖影響局部可能產(chǎn)生突、涌水、滲漏水。

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

本次數(shù)值模擬計(jì)算采用 FLAC3D中流體和固體的完全耦合模式，既考慮了孔隙水壓力的改變導(dǎo)致有效應(yīng)力的改變，又考慮了土體中的流體對(duì)孔隙體積的變化產(chǎn)生反作用。FLAC3D的數(shù)值方法是基于流體連續(xù)性的節(jié)點(diǎn)有限差分方程，滲流區(qū)域離散為由8節(jié)點(diǎn)定義的磚塊狀的zone?？紫秹毫惋柡投仍O(shè)定為節(jié)點(diǎn)變量，每個(gè)zone可以劃分為5個(gè)四面體，四面體中的孔隙水壓力和飽和度假定為線性變化。該方程可以與導(dǎo)致牛頓定律節(jié)點(diǎn)形式的固體力學(xué)常應(yīng)力方程并行計(jì)算［9］。流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒(骨架)的壓縮程度，本次數(shù)值模擬用Biot模量表示顆粒的可壓縮程度。FLAC3D在滲流模式下提供了多種邊界條件，常用的為透水邊界和不透水邊界。本次選擇的邊界條件為默認(rèn)的不透水邊界，即所有的節(jié)點(diǎn)上流體可以流動(dòng)，邊界的孔隙水壓力可以自由變化。采用FLAC 3D軟件作流固耦合計(jì)算分析的步驟:①建立有限差分網(wǎng)絡(luò);②選定本構(gòu)特性與材料性質(zhì);③確定邊界條件與初始條件;④求解。

考慮水壓力和滲流的影響，河流水位取百年洪水位13 m，隧道采用復(fù)合式襯砌，見圖1，支護(hù)參數(shù)見表1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位:cm)

表1 隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

建立考慮水荷載的流固耦合結(jié)構(gòu)模型，見圖2。施工段采用三臺(tái)階開挖法(設(shè)臨時(shí)仰拱)［10］，見圖3。隧道埋深為38 m，計(jì)算范圍為160 m×125 m×1 m(寬×高×長)，整個(gè)模型共劃分了8 304個(gè)單元，16 930個(gè)節(jié)點(diǎn)。Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)根據(jù)工程勘察資料結(jié)合相關(guān)規(guī)范選取;錨桿、鋼架參數(shù)按照等效剛度原則進(jìn)行折減［10］;滲流參數(shù)(孔隙率、滲透率、Biot模量)按照現(xiàn)場勘測資料和相關(guān)研究成果選?。?1］。數(shù)值分析所需物理力學(xué)參數(shù)見表2。為便于分析，對(duì)不考慮水荷載的情況也進(jìn)行了分析。不考慮水荷載的結(jié)構(gòu)模型斷面形式、施工步驟等均與考慮水荷載的結(jié)構(gòu)模型相同。內(nèi)力監(jiān)控點(diǎn)布置見圖4。

圖2 數(shù)值模型

圖3 三臺(tái)階施工開挖模型

圖4 襯砌內(nèi)力監(jiān)控點(diǎn)布置

表2 物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不考慮水荷載與考慮水荷載內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將不考慮水荷載與考慮水荷載的數(shù)值模擬分析得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)(初期支護(hù))軸力、彎矩及安全系數(shù)等進(jìn)行對(duì)比，見圖5～圖7。

圖5 初支軸力對(duì)比

圖6 初支彎矩對(duì)比

圖7 初支安全系數(shù)對(duì)比

由圖5可以看出，考慮最不利水荷載(百年洪水位13 m)與不考慮水荷載的結(jié)構(gòu)模型相比，軸力顯著增大，拱底處軸力增大約18倍。

由圖6可以看出，考慮最不利水荷載與不考慮水荷載相比，彎矩有較大幅度的增大，且分布形態(tài)不盡相同(彎矩符號(hào)發(fā)生變化)。

由圖7可以看出，考慮最不利水荷載時(shí)初支安全系數(shù)顯著降低，但均＞1，說明所受荷載應(yīng)力未超出初支結(jié)構(gòu)材料允許強(qiáng)度值。

3.2 考慮水荷載流固耦合模型水壓力折減系數(shù)分析

3.2.1 外水壓力計(jì)算結(jié)果分析

流固耦合模型孔隙水壓力計(jì)算云圖見圖8。

圖8 孔隙水壓力(單位:Pa)

由圖8可以看出，考慮滲流的隧道模型未開挖前，孔隙水壓力呈水平分布。隧道開挖后，隧道周邊圍巖孔隙水壓力開始下降，地下水向洞內(nèi)滲透，這樣在隧道周邊由于孔隙水壓力差的作用，造成滲流場的改變，最終形成一個(gè)以隧道開挖區(qū)域?yàn)橹行牡念愃朴跐B水漏斗狀的滲流場。

3.2.2 折減系數(shù)分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到隧道中心線的襯砌外緣的孔隙水壓力水頭為37.0 m，隧洞中心線的靜水壓力水頭為49.3 m，由此得到折減系數(shù)

式中:Pi為隧道中心線襯砌外緣的孔隙水壓力水頭，m;P0為隧洞中心線的靜水壓力水頭，m。

本文所研究的襯砌防排水設(shè)計(jì)方案及地層特征與《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》外水荷載折減系數(shù)值建議表［7］的第4等級(jí)“嚴(yán)重股狀流水，沿軟弱結(jié)構(gòu)面有小量涌水。沖刷結(jié)構(gòu)面充填物質(zhì)，加速巖體風(fēng)化，地下水對(duì)斷層等軟弱帶軟化泥化，并使其膨脹崩解，以及產(chǎn)生機(jī)械管涌;有滲透壓力，能鼓開較薄的軟弱層”的工況相似，規(guī)范中推薦的折減系數(shù)為0.4～0.8，而鐵路隧道相關(guān)研究成果［2］按照類比法推薦系數(shù)為0.7～0.8?？梢姳敬斡?jì)算得到的折減系數(shù)與已有研究結(jié)果接近。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)不考慮水荷載與考慮水荷載情況下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論:

1)考慮水荷載的計(jì)算模型在開挖后，洞室周圍層狀分布的水壓力云圖受到明顯影響，在施工時(shí)可能會(huì)發(fā)生較大的滲水現(xiàn)象。與完全不考慮水荷載的計(jì)算模型相比，考慮水荷載的計(jì)算模型初支所承受的軸力和彎矩都明顯增大，軸力和彎矩的分布不盡相同，因此在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮外水荷載對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

2)通過對(duì)渭河隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的流固耦合數(shù)值分析，得出作用在隧洞中心線襯砌外緣水壓力折減系數(shù)為0.74，在水工隧洞推薦的折減系數(shù)取值范圍內(nèi)。說明水工隧洞折減系數(shù)對(duì)于交通隧道具有參考價(jià)值。

本文應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行流固耦合數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可供設(shè)計(jì)和施工單位參考，但由于隧道襯砌外水壓力是由工程區(qū)域巖體的水文地質(zhì)特征、水流系統(tǒng)、巖體的滲透系數(shù)、注漿堵水工程措施等因素共同作用的結(jié)果，如何考慮各種因素的綜合作用和各因素間的權(quán)重關(guān)系得到一套完整、系統(tǒng)的外水壓力計(jì)算方法還有待進(jìn)一步深入研究。

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