姚俊峰,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

高水壓富水山嶺隧道不同排水率的分析研究

姚俊峰,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

以某富水區(qū)山嶺隧道為工程背景,通過(guò)建立有限元地層結(jié)構(gòu)模型,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在高水壓力作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析,得出排水率對(duì)襯砌外側(cè)水壓力分布規(guī)律以及襯砌結(jié)構(gòu)受力情況變化規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明:通過(guò)改變排水率可以有效降低襯砌外側(cè)水壓力,但過(guò)低的降低排水率,襯砌外側(cè)水壓力降低效果不明顯。

山嶺隧道;排水率;水壓力;襯砌受力

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái),隧道水荷載計(jì)算及地下水治理是隧道工程界的一大難題,也是地下工程亟需解決的問(wèn)題。關(guān)于水荷載發(fā)表了不少相關(guān)文獻(xiàn):宋超業(yè)等在海底隧道襯砌水荷載計(jì)算中分析了水荷載作用機(jī)理[1];汪磊等在海底隧道預(yù)注漿加固效果與評(píng)價(jià)中,分別用公式法、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)方法對(duì)注漿效果進(jìn)行研究[2];王建秀等在深埋隧道襯砌水荷載計(jì)算的基本理論中,對(duì)滲流場(chǎng)和外水壓力作用系數(shù)進(jìn)行了研究[3];何明磊等結(jié)合解析解與數(shù)值解分析研究了襯砌厚度、注漿圈滲透系數(shù)與注漿圈厚度等因素對(duì)隧道襯砌水壓力荷載及內(nèi)力的影響[4];郭瑞、周曉軍基于Flac3D流固耦合機(jī)理研究了注漿圈滲透系數(shù)、注漿圈厚度、襯砌滲透系數(shù)及控制排水對(duì)襯砌水荷載的影響并與軸對(duì)稱(chēng)解析解對(duì)比分析[5]等。

隨著隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,隧道防排水設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)其系統(tǒng)性,排水與防水應(yīng)緊密結(jié)合,尤其應(yīng)注重隧道排水系統(tǒng)對(duì)防水的基礎(chǔ)性作用[6]。

在以往富水區(qū)隧道的建設(shè)過(guò)程中,為有效降低襯砌承擔(dān)的水壓力,一般采用“以排為主,堵排結(jié)合”的方法。但隧道排水會(huì)對(duì)周?chē)鷳B(tài)造成破壞。特別是隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn),講究工程與周?chē)h(huán)境和諧相處,富水區(qū)隧道必須采取“以堵為主,堵排結(jié)合”的方針。如此一來(lái),勢(shì)必造成隧道襯砌的外水壓力增加。因此,研究分析襯砌外側(cè)水壓力的分配規(guī)律,制定合理的堵排方案,將直接影響到隧道的安全性與經(jīng)濟(jì)性。以某隧道為例,通過(guò)數(shù)值分析以及和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的方法,對(duì)不同方案下襯砌外側(cè)水壓力分布以及襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析研究。

2 數(shù)值模擬

以某富水深埋山嶺隧道為工程背景,該隧道埋深800 m;由于該隧道穿越區(qū)地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈,部分區(qū)段圍巖破碎,屬Ⅳ～V級(jí)圍巖;同時(shí)構(gòu)造區(qū)內(nèi)溶洞較多,含水量豐富,最大水頭約為450 m。隧道斷面為圓形,毛洞外徑為12.0 m,相應(yīng)力學(xué)參數(shù)[7]見(jiàn)表1、表2。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌及注漿圈參數(shù)

采用FLAC-3D軟件對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,網(wǎng)格模型如圖1所示,模型尺寸為100 m×2.0 m×100 m,而上部圍巖垂直壓力采用施加面力荷載的方式實(shí)現(xiàn),側(cè)邊施加水平向面力邊界條件,底部采用固定邊界[8]。由于圍巖滲透系數(shù)較小,隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷩鷰r水壓的影響區(qū)域有限,假定模型周?chē)吔绲乃畨褐当３植蛔?即為常水頭邊界。襯砌、圍巖、注漿圈均采用8節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬,采用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性本構(gòu)模型。

圖1 水壓力分布計(jì)算模型

為了研究限量排水方案下隧道襯砌外側(cè)水壓力以及襯砌的受力特征,定義排水率為實(shí)際排水量與排水能力之比,設(shè)置以下幾種工況[9]:(1)全封閉不排水; (2)排水率20%;(3)排水率40%;(4)排水率60%; (5)排水率80%;(6)全排水不封閉。

3 襯砌外側(cè)水壓力分析

不同排水率工況下襯砌外側(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓力折減系數(shù)如表3所示,相應(yīng)的水壓力折減系數(shù)變化曲線如圖2所示?？梢钥闯?在排水率一定的情況下,襯砌外側(cè)水壓力大體呈現(xiàn)出拱頂處水壓力最大,排水管處水壓力最小。這主要是水力梯度不同導(dǎo)致的,拱頂處水力梯度最大,排水管處水力梯度最小。隨著排水率的增加,襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)不斷減小,且大體呈線性關(guān)系。

表3 各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓力折減系數(shù)

圖2 不同工況下襯砌外水壓力折減系數(shù)變化曲線

4 襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

襯砌結(jié)構(gòu)的安全度通過(guò)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)[10]中的破損階段法來(lái)判斷。

對(duì)混凝土矩形截面構(gòu)件,當(dāng)偏心距e0＜0.2h時(shí),即抗壓強(qiáng)度控制承載力

式中 Ra——混凝土的抗壓極限強(qiáng)度;

Nj——混凝土軸向承載力;

b——截面的寬度;

h——截面的厚度;

φ——構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù),對(duì)于貼壁式隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻,可取φ=1.0;

α——軸向力的偏心影響系數(shù),其計(jì)算公式為

當(dāng)偏心距e0大于0.2h時(shí),即抗拉強(qiáng)度控制承載力時(shí)

式中 Rl——混凝土的抗拉極限強(qiáng)度;

e0——截面偏心距。

安全系數(shù)

式中 N——截面軸向力。

規(guī)范中規(guī)定了混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)的最小值:抗壓強(qiáng)度控制截面承載力時(shí),安全系數(shù)取2.4;抗拉強(qiáng)度控制截面承載力時(shí),安全系數(shù)取3.6。

在不同排水率工況下,襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的彎矩、軸力計(jì)算值如表4所示?？梢钥闯?排水率一定時(shí),襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力值基本相同,隨著排水率的增加,襯砌外側(cè)水壓力的不斷減小,襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力值也在逐漸變小。

根據(jù)破損階段法計(jì)算出的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的安全系數(shù)如表5所示?？梢钥闯?6種工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的偏心距均很小,小于0.2h,所以均為混凝土的抗壓強(qiáng)度控制截面承載力。隨著排水率的增加,襯砌截面的安全系數(shù)不斷增大。且當(dāng)排水率小于60%時(shí),安全系數(shù)小于2.4,不滿足規(guī)范要求。當(dāng)排水率大于60%時(shí),安全系數(shù)大于2.4,滿足規(guī)范要求。因此,在實(shí)際工程中,應(yīng)綜合分析襯砌結(jié)構(gòu)厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、襯砌外側(cè)水壓力大小以及不同防排水模式的適用性和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合確定排水系統(tǒng)的排水率。

表4 不同排水率工況下襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力

表5 不同排水率工況下襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)

5 數(shù)值解與模型試驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證數(shù)值法計(jì)算得出的富水區(qū)山嶺隧道滲流場(chǎng)分布規(guī)律的正確性與實(shí)用性,將數(shù)值法計(jì)算得出的滲流場(chǎng)分布規(guī)律與模型試驗(yàn)得出的滲流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,互相驗(yàn)證,從而為實(shí)際工程中通過(guò)調(diào)節(jié)排水率來(lái)控制襯砌外側(cè)水壓力的方法提供依據(jù)與保證。本節(jié)引用北京交通大學(xué)杜朝偉、張鵬[11-12]等人所做的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析試驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)滲流場(chǎng)分布規(guī)律。由于在用數(shù)值方法進(jìn)行滲流場(chǎng)分析時(shí)所考慮的因素與該模型試驗(yàn)所考慮的因素不同,導(dǎo)致襯砌外側(cè)水壓力也不相同,所以本節(jié)旨在研究滲流場(chǎng)分布規(guī)律的對(duì)比。

根據(jù)試驗(yàn)方案,分別考慮了排水量為0、6.85、15.26、27.03、37.89、43.28 mL/s和55.83 mL/s 7種工況下的襯砌外側(cè)水壓力測(cè)試,分別對(duì)應(yīng)的排水率為0%、12.27%、27.33%、48.41%、67.87%、77.52%和100%。

不同工況下襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)見(jiàn)表6,相應(yīng)的襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)變化曲線如圖3所示。對(duì)比圖2和圖3可知,水壓力折減系數(shù)隨著隧道排水率的變化趨勢(shì)基本一致,均呈現(xiàn)出隨著隧道排水率的不斷增大,隧道襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)不斷變小,且近似呈線性變化趨勢(shì)。

表6 各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓力折減系數(shù)

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同排水率的各種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以得出如下結(jié)論。

(1)在排水率一定的情況下,襯砌外側(cè)水壓力大體呈現(xiàn)出拱頂處水壓力最大,排水管處水壓力最小。這主要是水力梯度不同導(dǎo)致的,拱頂處水力梯度最大,排水管處水力梯度最小。隨著排水率的增加,襯砌外側(cè)水壓力值不斷減小,且大體呈線性關(guān)系。

(2)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)的破損階段法來(lái)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),可知隨著排水率的增加,襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不斷增大。且對(duì)于本次的數(shù)值模擬情況,當(dāng)排水率小于60%時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)的安全性不滿足規(guī)范要求,當(dāng)排水率大于60%時(shí)滿足規(guī)范要求。

(3)通過(guò)對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,可以看出隨著排水率的增加,兩者的水壓力分布規(guī)律基本一致,相互驗(yàn)證。從而可以為實(shí)際工程中,通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算襯砌外側(cè)水壓力隨著排水率的變化規(guī)律提供一定程度上的依據(jù)和保證。

圖3 不同工況下襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)變化曲線

[1] 宋超業(yè),周書(shū)明,譚志文.海底隧道襯砌水荷載計(jì)算[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008(S):134-138.

[2] 汪磊,李濤,王全勝.海底隧道預(yù)注漿加固效果與評(píng)價(jià)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(12):83-88.

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[11]杜朝偉.海底隧道襯砌水壓力及結(jié)構(gòu)受力特性究[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

[12]張鵬.海底隧道襯砌水壓力分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗(yàn)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

Study on the Different Rates of Drainage of Mountain Tunnels in High Water Pressure and Water-enriched Region

YAO Jun-feng,YANG Qi-xin,JIANG Ya-jun
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

This paper,based on the engineering practices of mountain tunnels in high water pressure and water-enriched region,simulates and analyzes the mechanical behavior of the tunnel structure in high water pressure and water-enriched region by establishing a finite structural model with soil layers.The effects of the rate of drainage on the external water pressure on lining and on the stress of lining structure are identified.The study results show that adjusting the rate of the drainage can effectively reduce the external water pressure on lining,but the rate of the drainage too low reduces the external water pressure on lining less obviously.

Mountain tunnel;Rate of drainage;Water pressure;Stress of lining

U451

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.027

1004-2954(2014)12-0113-03

2014-03-05;

2014-04-18

姚俊峰(1987—),男,碩士研究生,E-mail:398184707@ qq.com。