劉瑞斌

(山西交通控股集團有限公司， 山西 太原 030006)

富水區(qū)山嶺隧道修建具有投資大、施工周期長、施工技術復雜、不可預見風險因素多等特點，是一項高風險建設工程[1]。隨著我國綜合國力提升，一大批現(xiàn)代化國家級重點交通基礎設施開始興建，其中有不少隧道處于富水深埋地層中，帶來一系列工程問題，圍巖失穩(wěn)和襯砌破壞現(xiàn)象非常突出[2,3]。主體結構受力特征和作用在支護上水荷載是富水大斷面隧道修建過程中的兩個關鍵性問題，亟待突破。對此，國內(nèi)外學者進行了科學研究，并取得了相關研究成果。

李鵬飛等[4]利用理論解析的方法，推導了地應力和水壓力耦合作用下的圍巖滲流場、應力場和位移場解析公式，并且進行了FLAC數(shù)值模擬驗證。楊為民等[5]研制了適用高地應力、高水壓條件下隧道模型試驗系統(tǒng)，以歇馬隧道為依托，驗證適合流固耦合的相似材料，提出隧道突水前兆。何本國等[6]以雙線鐵路隧道為背景，研究構造應力場條件下穩(wěn)定性與地應力方向的定量關系，并且提出具體設計建議。李廷春等[7]建立了孔隙顆粒介質(zhì)流失的滲流模型，分析了隧道穿越斷層破碎帶突水坍塌機理，為復雜條件下隧道災變設計提供依據(jù)。張民慶和高揚[8]根據(jù)深埋富水滑動型軟弱帶突水突泥特點，建立具體的控制流程，即排水降壓、旋噴加固、超前管棚。吳培榮[9]根據(jù)梁山隧道富水陡傾軟弱帶突水事件，在充分調(diào)研、理論分析基礎上，提出長距離水平旋噴樁方案，并且給出施工工藝、關鍵控制技術。劉健[10]采用ABAQUS有限元程序，進行流固耦合計算，分析不同排水措施、不良地質(zhì)加固方法的作用效果，對隧道富水不良地質(zhì)隧道的設計、施工提供理論依據(jù)。也有學者采用力學等效的方法，提出高水壓隧道加載方法，并且研發(fā)了相應的設備，進行破壞性模型試驗，明確了水壓作用下的襯砌受力特性[11]。

參考國內(nèi)外相關文獻，目前學者研究主要集中于數(shù)值模擬和解析推導，其達西滲流和衡水頭邊界條件理想假設與工程現(xiàn)場情況總是存在一定的差距。因此，本文以太原至石家莊客運專線石板山隧道為依托工程，研究Ⅳ級、Ⅴ級圍巖條件下初期支護圍巖壓力、鋼架受力、襯砌背后水壓和襯砌接觸壓力，具有重要理論意義和工程實踐價值。

1 工程概況與試驗方案

1.1 工程概況

石板山長大隧道位于石太客運專線河北井陘縣內(nèi)，是全線的重點控制工程。標準的350 km/h高速鐵路隧道斷面，開挖跨度14.38 m，高度12.24 m，雙線單洞隧道，開挖面積達159.5 m2。隧道入口在八里溝村附近，經(jīng)冶西、胡雷、胡仁至大落水，隧道出口位于黑水坪村東北，起訖里程為DIK49+585～DIK57+090，全長7505 m。隧道為越嶺隧道，穿越兩條區(qū)域性大斷裂，且褶曲發(fā)育，局部地段地下水發(fā)育，主要富存于斷層破碎帶、地層接觸帶、向斜構造軸部，這些部位節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道Ⅳ級圍巖占25.37%、Ⅴ級圍巖占21.63%。根據(jù)隧址區(qū)含水層類型，地下水主要分為變質(zhì)巖風化裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水、松散層空隙水以及碎屑巖夾碳酸鹽巖空隙裂隙巖溶水，上層主要靠大氣降水或上覆含水層中地下水徑流補給，下層主要為潛水，局部可能存在承壓水，地下水埋深一般1.5～5 m，富水性較強。隧道施工范圍內(nèi)地質(zhì)構造發(fā)育，根據(jù)地勘調(diào)查結果，預測石板山隧道正常涌水量為2845 m3/d，最大涌水量為8150 m3/d，施工過程中隧道掌子面突水如圖1所示。隧道沿程分布的4座水庫，尤其是較大規(guī)模的群英水庫，隧道幾乎沿水庫壩趾穿過，水庫水位僅高于隧道路肩約47 m。在軟弱破碎地層條件和地下水作用下，隧道開挖過程中水壓、圍巖壓力共同作用下支護體系受力特征、關鍵控制部位成為工程建設人員必須面對的技術難題，為此開展了不同圍巖級別的現(xiàn)場試驗。

圖1 石板山隧道現(xiàn)場涌水

采用現(xiàn)場測試手段，研究不同圍巖級別地層條件下結構受力特征，其中DIK54+680為Ⅳ級圍巖，DIK55+010為Ⅴ級圍巖段，試驗段位置如圖2所示。試驗段隧道埋深在204～236 m之間，主要是碎屑巖夾碳酸鹽巖孔隙裂隙巖溶水，含水層主要為大紅峪組、高于莊組長石石英砂巖和石英巖狀砂巖夾白云巖，孔隙、節(jié)理、白云巖小溶洞較發(fā)育，其出露于溝谷或山坡的下部，分別上覆和下伏寒武系泥頁巖、變質(zhì)巖系隔水層。主要靠上游鄰區(qū)地下水徑流側向補給，排泄方式為以散流的形式呈小股流或滴狀流出，無泉水和水井。地下水主要為潛水，局部可能存在承壓水，富水性較強。

圖2 隧道縱剖面

1.2 試驗方案

沿隧道拱部布置測點，支護荷載測試采用雙模壓力盒埋設，現(xiàn)場實測初期支護圍巖壓力、鋼拱架應力、襯砌外水壓力和接觸壓力，測試元件具體布置方案如圖3所示。

圖3 測點布置示意

圍巖壓力盒在開挖后、支護前安裝，焊接在鋼拱架上面，然后架設帶有鋼筋計的鋼拱架，如圖4a所示。待初支完成后，安裝水壓計，鋪設土工布和防水板。然后綁扎二次襯砌鋼筋。接著安裝接觸壓力盒和澆筑襯砌混凝土，如圖4b所示。

圖4 現(xiàn)場儀器安裝

2 現(xiàn)場試驗測試結果

2.1 初期支護圍巖壓力

圍巖壓力是所有設計工作的根本，現(xiàn)有的計算圍巖壓力理論，如普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、鐵路隧道設計規(guī)范公式均沒有考慮富水因素。因此，有必要對富水軟巖隧道進行現(xiàn)場試驗。根據(jù)上述試驗方案，得到Ⅳ級、Ⅴ級圍巖隧道初期支護圍巖壓力分布如圖5所示。

圖5 初期支護圍巖壓力分布/kPa

從圖5a看出，Ⅳ級圍巖(DIK54+680斷面)左拱肩壓力盒因工人粗放型施工而損壞，圍巖右拱肩處的圍巖壓力值最大，達到500.08 kPa，拱頂處的圍巖壓力值相對較小，只有58.68 kPa。從圖5b看出，Ⅴ級圍巖斷面左拱腰處壓力盒因外力而損壞。當土壓力盒安裝就位后，圍巖與初期支護間的接觸壓力值在初期支護施作完成后很快就達到其最終值且保持相對穩(wěn)定。圍巖右邊墻處的接觸壓力值最大，達到448 kPa，左邊墻處的接觸壓力值最小，只有10.89 kPa?？赡苁鞘艿讲贿B續(xù)節(jié)理、裂隙和下臺階交錯落底開挖作用，在富水軟巖地層圍巖壓力分布不均勻。

經(jīng)典的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、交通隧道設計規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均為均勻分布[13]，計算結果如圖6所示。

圖6 各種經(jīng)典圍巖壓力公式的比較

從圖6看出，各種圍巖壓力理論公式計算結果均大于現(xiàn)場實測值，可能的原因是由于滲流作用的效果，帶走了部分細小的巖粒，使得圍巖與初期支護結構不是很緊密結合。經(jīng)典的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、隧道設計規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均沒有考慮地下水作用效果，與工程現(xiàn)場的實際地質(zhì)條件相矛盾。因此，針對富水軟巖大斷面隧道，建議開展現(xiàn)場測試支護體系受力特征，來評估支護結構穩(wěn)定性。

2.2 初期支護鋼拱架應力

Ⅳ級、Ⅴ級圍巖隧道鋼拱架應力分布如圖7所示。圖中虛線為鋼架外翼緣量測元件所測應力，實線為內(nèi)翼緣應力。

圖7 初期支護鋼拱架應力分布/MPa

從圖7a可以看出，現(xiàn)場測試的Ⅳ級圍巖段DIK54+680鋼拱架應力拱部大于下部，最大值出現(xiàn)在拱頂?shù)膬?nèi)翼緣處，其值為125 MPa，小于鋼筋的屈服強度，處于安全階段。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的時間上看，鋼拱架一旦架設立刻發(fā)揮支護效果，是控制圍巖穩(wěn)定性的有效工具，應該引起足夠的重視，發(fā)揮其支撐作用。

從圖7b可以看出，現(xiàn)場實測Ⅴ級圍巖段DIK55+010初期支護鋼拱架受力較大，以拱部為主，邊墻為輔，鋼拱架內(nèi)側受力大于外側，以壓力為主，量值上明顯大于Ⅳ級圍巖，但是均小于Q235鋼架的極限強度，支護結構安全。

2.3 襯砌背后水壓力

水荷載是富水隧道襯砌失穩(wěn)的主要外在因素之一，在現(xiàn)場埋設水壓力計，測試襯砌水荷載。根據(jù)現(xiàn)場試驗監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，不同圍巖級別隧道襯砌背后水壓力分布如圖8所示。

圖8 襯砌背后水壓力分布/kPa

從圖8a看出，Ⅳ級圍巖隧道右拱肩位處襯砌背后的水壓力值最大，最大值為57.44 kPa。在施工過程中應注意排水，及時施作支護以避免出現(xiàn)塌方失穩(wěn)或者其他的事故。水壓計安裝完以后，圍巖背后的水壓力值在初期支護完成后很快趨于穩(wěn)定，但在二次襯砌的施做完畢后圍巖背后的水壓力會有所增大，而后重新趨于穩(wěn)定。

從圖8b看出，Ⅴ級圍巖斷面DIK55+010處進行現(xiàn)場試驗，在隧道的左拱腰處襯砌背后的水壓力值最大，最大值為73.76 kPa；在隧道的右拱腰位置處襯砌背后的水壓力值最小，其值為1.88 kPa，并且隧道的左臂水壓分布較大。現(xiàn)場實測水壓顯示非均勻特性，有別于經(jīng)驗公式預測的均勻水壓力[14]。

參照圍巖壓力分布圖5a，可以發(fā)現(xiàn)在Ⅳ級圍巖段，右拱肩的位置圍巖壓力值最大，而水壓力最大值同樣出現(xiàn)在右拱肩位置，并且遠遠大于其他位置的水壓。針對Ⅴ級圍巖，比較圍巖壓力分布圖5b和外水壓力分布圖8b，發(fā)生圍巖壓力和水壓力的峰值位置并不一致，兩者沒有直接的關系。

2.4 襯砌接觸壓力

襯砌和初期支護之間的接觸壓力直接決定主體結構是否安全，通過現(xiàn)場埋設壓力盒監(jiān)測，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖隧道二次襯砌接觸壓力分布如圖9所示。

圖9 二次襯砌接觸壓力分布/kPa

從圖9a可以看出，Ⅳ級圍巖初期支護對二次襯砌的接觸壓力最大值為36.18 kPa，位于右側下部邊墻處。拱頂位置接觸壓力為14.85 kPa；拱頂處的初期支護對二次襯砌接觸壓力相對較小，可能原因是隧道拱頂部位的二次襯砌混凝土施工時的密實程度比兩側要差一些，即拱頂澆筑混凝土密實度不夠。

從圖9b可以看出，Ⅴ級圍巖初期支護對二次襯砌的接觸壓力最大值為320.64 kPa，位于右側下部邊墻處，襯砌接觸壓力最小值出現(xiàn)在右側邊墻位置，大小為66.03 kPa。

3 基于現(xiàn)場實測的結構安全性

根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[12](以下簡稱《規(guī)范》)的建議，采用荷載-結構有限元三維計算模型。其中，襯砌結構采用實體單元SOLID65模擬，襯砌和初期支護之間相互作用采用LINK10單元，設置其只抗壓、不抗拉功能，總共25083個節(jié)點，2011個單元，計算模型如圖10所示。本文襯砌結構受力模擬采用的是SOLID65實體單元，并不能直接得到單元的內(nèi)力，只能得到單元的應力。典型位置截面上節(jié)點的應力對截面形心積分，得到截面的軸力，再對該截面形心二次積分，得到截面的彎矩。

C30襯砌彈性模量取31 GPa，拱頂厚度50 cm，仰拱厚度60 cm，泊松比0.2，密度2500 kg/m3。Ⅳ級圍巖彈性抗力系數(shù)取為350 MPa/m，Ⅴ級圍巖彈性抗力系數(shù)取為150 MPa/m[12]。

圖10 有限元計算模型 /cm

3.1 Ⅳ級圍巖斷面

襯砌結構受到水壓和接觸壓力共同作用，針對這種條件下的襯砌結構現(xiàn)有研究相對較少。在施工現(xiàn)場，經(jīng)過一段時間的定期測量之后，獲得了襯砌背后水壓力、接觸壓力大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計圖8a，9a壓力分布，在不同的位置進行疊加，具體數(shù)值如表1所示。

表1 Ⅳ級圍巖襯砌結構承受水壓與接觸壓力 kpa

結合圖10和表1，進行有限元計算，得到各個單元的內(nèi)力，即彎矩和軸力，如表2所示。發(fā)現(xiàn)Ⅳ級圍巖隧道襯砌仰拱處的軸力最大，峰值為2320 kN；右邊墻的軸力最小，為1150 kN。隧道右邊墻彎矩最大，為624 kN·m；左拱肩的彎矩最小，為23 kN·m。根據(jù)《規(guī)范》[12]中的破損階段法，計算IV級圍巖隧道襯砌結構典型截面安全系數(shù)見表2中的最后一列。

從表2可以看出，從隧道結構來看，右墻腳處最不安全，最小安全系數(shù)K為1.5，小于《規(guī)范》[12]要求，成為襯砌結構受力最不利位置。左拱腰處安全系數(shù)最大，為8.5，滿足《規(guī)范》[12]要求，結構穩(wěn)定。

表2 IV級圍巖隧道襯砌內(nèi)力和安全系數(shù)

3.2 Ⅴ級圍巖斷面

根據(jù)現(xiàn)場量測試驗得到的Ⅴ級圍巖隧道襯砌背后水壓力(圖8b)、襯砌背后接觸壓力(圖9b)，進行統(tǒng)計和疊加得到Ⅴ級圍巖斷面DIK55+010襯砌背后荷載如表3所示。

襯砌背后水壓力、接觸壓力作為結構安全性關鍵荷載計算參數(shù)，關系到支護受力狀態(tài)及穩(wěn)定程度。進行水壓和土壓共同作用下的有限元計算，同時參考《規(guī)范》[12]，結構典型截面安全系數(shù)見表4。

表3 Ⅴ級圍巖襯砌結構承受水壓與接觸壓力 kpa

表4 Ⅴ級圍巖隧道襯砌內(nèi)力和安全系數(shù)

從表4可以看出，通過有限元計算發(fā)現(xiàn)Ⅴ級圍巖隧道仰拱處的軸力最大，峰值為1900 kN，左邊墻軸力最小，為888 kN。隧道左墻腳處彎矩最大，為597 kN·m；右拱腰彎矩最小，為30 kN·m。隧道右拱腰處最安全，但是左拱腳和左墻腳處最不安全，最小安全系數(shù)K僅為1.02，小于《規(guī)范》[12]要求，成為隧道襯砌結構穩(wěn)定性關鍵控制部位。

4 結 論

(1)富水軟巖地層隧道圍巖壓力分布不均勻，傳統(tǒng)基于松散介質(zhì)的普氏理論、泰沙基理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式、交通隧道設計規(guī)范公式得到的豎向圍巖壓力均為均勻分布，與地質(zhì)結構相矛盾，且傳統(tǒng)理論公式?jīng)]有考慮水的因素。因此，針對富水軟巖大斷面隧道，建議采用現(xiàn)場測試支護體系荷載，來評估支護結構體系穩(wěn)定性。

(2)由于地層偏壓與兩邊臺階法開挖交錯落腳導致現(xiàn)場實測支護承受的圍巖壓力、水壓、接觸壓力并不對稱。墻腳、拱腳成為關鍵安全控制部位，建議加強參數(shù)，采用非對稱支護設計。

(3)富水地層隧道結構受力特征應同時考慮水壓和土壓共同作用，同時隧道水壓力受到非連續(xù)地質(zhì)結構影響，呈現(xiàn)出非均勻水壓分布，評估隧道穩(wěn)定性應現(xiàn)場監(jiān)測作用在襯砌結構上的外水壓力，有別于經(jīng)驗公式預測的均勻水壓力。

(4)富水軟巖環(huán)境下，隧道鋼拱架均為壓應力，其中內(nèi)側大于外側，拱部大于邊墻，仰拱中間大于兩側，鋼拱架架設后能夠立即承載，是富水大變形隧道加強圍巖穩(wěn)定性的有效手段。