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        富水環(huán)境下隧道地下水限量排放的襯砌外水壓力分析

        2020-11-16 08:08:58進(jìn)
        四川建筑 2020年5期
        關(guān)鍵詞:圍巖模型

        張 進(jìn)

        (西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

        近年來,我國西部山區(qū)一大批穿越高壓富水地區(qū)的交通隧道工程建成并投入到運(yùn)營,而伴隨著的地下水問題也在隧道建設(shè)和運(yùn)營過程中越來越突出,影響施工安全和運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全性,甚至可能導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1]。

        針對富水區(qū)隧道工程的襯砌外水壓力作用問題,多年來眾多學(xué)者及工程人員利用理論研究、數(shù)值計(jì)算分析、模型試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐等手段開展了一系列研究工作,取得了大量研究成果[2-4]。其中,在不斷的研究實(shí)踐中,“以堵為主,限量排放(堵水限排)”的防排水設(shè)計(jì)理念在礦山法隧道中被廣泛采用[5-6]。而在實(shí)際工程中,隧道堵水限排的標(biāo)準(zhǔn)與襯砌外水壓力的關(guān)系難以確定,運(yùn)營期隧道排水管路的堵塞也導(dǎo)致隧道排水量的減小和襯砌外水壓力的增加。鑒于此,本文結(jié)合時速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式,采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型,模擬防排水體系不同的排水能力,以研究復(fù)雜富水環(huán)境下隧道不同排水量與襯砌外水壓力作用的關(guān)系,從而為工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

        1 數(shù)值分析模型

        1.1 數(shù)值模型

        本文結(jié)合時速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式,采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型,模擬半包-排水型隧道防排水體系,如圖1所示??紤]力學(xué)和滲流場的邊界效應(yīng)影響,模型左右邊界至隧道中心長度取70 m,模型底邊界至隧道中心長度取60 m,模型上表面至隧道中心距離為實(shí)際水頭高度50 m,模型縱向長度考慮排水管的布置情況取為25 m,模型總體尺寸為(140 m)(X軸)×25m(Y軸)×110 m(Z軸)。模型力學(xué)邊界中上表面為自由面,四周及底面采用法相位移約束條件。滲流邊界條件中上表面為透水邊界(水頭為0),底面設(shè)定為不透水邊界,四周設(shè)為水頭邊界,地下水位線在流固耦合過程中保持不變。

        圖1 數(shù)值計(jì)算模型

        模型中防排水系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示,包含隧道導(dǎo)水墊層、防水板、縱向排水管、橫向排水管、環(huán)向排水管和中心排水溝,地下水通過環(huán)向、縱向、橫向排水盲管匯至中央排水溝進(jìn)行排導(dǎo)。其中,環(huán)向排水盲管的縱向間距為8 m,導(dǎo)水墊層和防水板厚度取值為0.04 m,橫向、環(huán)向排水管和縱向排水管的管徑為0.08 m。進(jìn)行隧道防排水模擬計(jì)算時,為保證隧道模型自由滲水,將襯砌內(nèi)表面和排水管外表面水壓設(shè)為0。

        圖2 模型中的防排水體系

        模型中隧道圍巖、襯砌、注漿圈、防排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬,并假定各結(jié)構(gòu)均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的多孔介質(zhì),滿足FLAC3D軟件流固耦合計(jì)算模塊對于滲流場的相關(guān)準(zhǔn)則和假定條件。圍巖體為理想彈塑性模型,遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;初次襯砌和二次襯砌取為彈性本構(gòu)模型;各結(jié)構(gòu)的流體模型根據(jù)其透水性利用FLAC3D軟件中fl-iso各向同性模型與fl-null流體空單元模型進(jìn)行模擬。圍巖及支護(hù)體系的力學(xué)參數(shù)取值如表1。通過工程類比[7-8],流固耦合計(jì)算中注漿圈、防水板、排水管等結(jié)構(gòu)物的滲透系數(shù)取值如表2所示。

        表1 各土層及材料力學(xué)參數(shù)

        表2 圍巖及結(jié)構(gòu)物滲透系數(shù)取值

        1.2 計(jì)算工況

        計(jì)算模型中排水量的控制難以直接實(shí)現(xiàn),因此基于“堵水限排”的理念,通過改變模型中排水管(材料)的滲透系數(shù),以研究隧道不同控制排水量與襯砌背后水壓力作用的關(guān)系。實(shí)際工程中排水盲管由排水盲管管材、進(jìn)水孔及過濾層組成,其滲透系數(shù)難以量化確定,現(xiàn)參考相關(guān)已有文獻(xiàn)[9],取數(shù)值模型中排水管的滲透系數(shù)k0=2×10-1cm/s,并以該滲透系數(shù)為基準(zhǔn),對各工況下排水管的滲透系數(shù)進(jìn)行折減,共設(shè)置6種計(jì)算工況(表3)。

        表3 計(jì)算工況及設(shè)置排水管滲透系數(shù)

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        2.1 堵水條件下滲流場分析

        利用FLAC3D軟件得到模型模擬運(yùn)營期隧道全堵防水時(設(shè)置排水管滲透系數(shù)為二次襯砌的滲透系數(shù),等效于排水管完全堵塞)圍巖孔隙水壓力分布和襯砌外水壓力如圖3、圖4所示。由圖可知全堵防水條件下圍巖中水壓力分布沿豎向呈梯度變化,孔隙水壓力等值線為水平直線,呈靜水壓力場分布。襯砌背后孔隙水壓分布與隧道周圍巖體中的水壓分布相似,說明在全堵防水條件時,地下水穩(wěn)定滲流后,作用在襯砌上的孔隙水壓近似為圍巖初始水壓狀態(tài),且襯砌拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處(圖4)水壓力分別約為0.442 MPa、0.46 MPa、0.5 MPa、0.524 MPa、0.534 MPa。

        圖3 堵水條件下圍巖水壓力

        圖4 堵水條件下襯砌外水壓力(單位:MPa)

        2.2 隧道排水量分析

        以排水管處滲透系數(shù)kr=0.0001k0工況為例,根據(jù)排水系統(tǒng)水壓力分布云圖中不同位置的水壓力大小,得到地下水排水路徑如圖5所示。在水壓力(水力梯度)的作用下地下水沿環(huán)、縱、橫向水管匯集到中心排水溝以起到地下水排放的作用。

        圖5 防排水系統(tǒng)地下水排水路徑

        根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,提取模型中水量監(jiān)測斷面的過水量,得到下中心溝的排水量如表4,排水量與排水管滲透系數(shù)的關(guān)系如圖6。各工況下中心溝的最大排水量為2.23 m3/(d·m),最小排水量為0.057 m3/(d·m),說明本文通過改變排水管滲透系數(shù)模擬隧道不同排水量的方法是合理的。由圖6可知,隨著排水管滲透系數(shù)的增大,隧道防排水體系的排水量逐漸增大。

        2.3 排水量與襯砌外水壓力關(guān)系分析

        為研究不同工況下襯砌外水壓力的作用規(guī)律,以模型中部的襯砌單元(y=12.88m)為對象,提取其外水壓力如圖7所示。針對同一種防排水形式,隧道排水量不影響襯砌外側(cè)水壓力的作用狀態(tài);對于半包-排水型隧道結(jié)構(gòu),襯砌外水壓力呈“倒葫蘆形”分布。結(jié)合如圖5中所示的地下水排水路徑分析可知,受拱腳處縱向和橫向排水管的影響,地下水向拱腳匯集并由排水管排出,因此襯砌外水壓力在拱腰和拱底處水壓力較大,在拱腳處最小,形成了較為明顯的水壓力降曲線型勢。

        表4 各工況下中心溝排水量

        圖6 排水量與排水管滲透系數(shù)關(guān)系曲線

        圖7 襯砌外側(cè)橫斷面水壓力分布(單位:MPa)

        由圖7可知,“堵水限排”條件下隧道防排水體系的排水量越大,襯砌外水壓力越小。為了更好的對排水量與水壓力的關(guān)系進(jìn)行討論,現(xiàn)考慮排水量對襯砌水壓力的折減作用,利用水壓力折減系數(shù)β(襯砌外水壓力P與堵水條件下水壓力值P0的比值)來表示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,計(jì)算得到不同排水量下模型中部的襯砌單元拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處的水壓力作用系數(shù),具體如表5所示。

        結(jié)合圖5和表5可知,防排水體系(環(huán)、縱、橫向排水管及防水墊層)設(shè)置在拱腳以上部位,拱腳處排水管為地下水排出的通路,拱腰處存在一定的匯水,拱底的排水能力較小,因此防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出,對拱底排水效果較弱,同一排水量下襯砌拱底的水壓力作用折減系數(shù)最大。

        表5 不同排水量時襯砌外側(cè)水壓力作用系數(shù)

        同時,選取襯砌拱頂、拱腳和拱底處水壓力研究不同排水量對襯砌外側(cè)水壓力作用系數(shù)的影響,如圖8所示??梢钥闯?,隨著隧道控制排水量的不斷增加,襯砌外側(cè)的水壓力作用系數(shù)不斷減小。當(dāng)隧道排水量小于0.2 m3/(m·d)時,排水量的增減對襯砌水壓力作用系數(shù)的大小影響顯著;當(dāng)隧道排水量大于0.2 m3/(m·d)時,增大排水量時襯砌外水壓力逐漸減小,但折減效果不明顯。

        圖8 排水量對外水壓力作用系數(shù)的影響

        此外,上文排水量與襯砌外水壓力的關(guān)系說明,隧道排水系統(tǒng)的通暢與否,對于控制襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力有著重要的作用。排水管一旦堵塞出現(xiàn)排水不暢問題時,襯砌外水壓力將顯著增大,影響運(yùn)營期隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全。因此,保障排水系統(tǒng)的施工質(zhì)量以及運(yùn)營期間的疏通維護(hù)至關(guān)重要。

        3 結(jié)論

        本文建立含有隧道防排水系統(tǒng)的三維精細(xì)化數(shù)值模型,研究了復(fù)雜富水環(huán)境下隧道不同排水量與襯砌背后水壓力作用的關(guān)系,得出如下結(jié)論:

        (1)全堵防水條件下襯砌外水壓力分布近似為圍巖初始水壓狀態(tài),襯砌承擔(dān)的外水壓力值較大。

        (2)對于半包-排水型隧道結(jié)構(gòu),襯砌外側(cè)水壓力受拱腳處縱向和橫向排水管的影響,呈“倒葫蘆形”分布,拱底處水壓力最大,拱腳處最小。

        (3)同一排水量下防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出,對拱底排水效果較弱。逐步增大隧道控制排水量,襯砌外水壓力作用系數(shù)不斷減小,且隧道控制排水量小于0.2 m3/(m·d)時,控制排水量的增減對襯砌水壓 力作用系數(shù)的大小影響顯著。

        (4)隧道防排水體系具有將地下水排出的作用,隨排水管滲透系數(shù)增大,隧道排水量逐漸增大。隧道排水系統(tǒng)的通暢與否,對于控制襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力有著重要的作用。

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