曾宏飛 卿偉宸 陶偉明 張志強 鐘昌桂

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.西南交通大學，成都 610031)

隨著我國鐵路建設的不斷發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)劃的不斷實施，西南山區(qū)鐵路建設發(fā)展迅猛，在地質復雜的巖溶地區(qū)修建的隧道工程越來越多[1]。如宜萬鐵路，隧道159座，總長約278 km，其中巖溶隧道91座，通過可溶巖段落長度占隧道總長度的58%[2]；云桂鐵路，隧道170座，總長約402 km，其中巖溶隧道51座，長170.5 km，占全線隧道總長度的42.4%[3]；在建貴南高速鐵路，新建正線隧道108座，總長257.512 km，其中通過可溶巖段落長度約175 km，占隧道總長度的68%，是目前我國在建高速鐵路中巖溶最為發(fā)育的線路之一。

西南山區(qū)地形地質條件復雜，巖溶發(fā)育極為不規(guī)律，勘察設計期間難以完全探明巖溶發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)，再加上超前預測準確性的不足，導致施工期間易出現(xiàn)“涌水突泥、隧道失穩(wěn)、涌水量大、排水不足”等問題。如渝懷鐵路圓梁山隧道修建期間發(fā)生了32次突水、突泥災害[4]；宜萬鐵路野三關隧道最高日常涌水量達20萬m3，歷經(jīng)88次突水、突泥考驗[5]；滬昆鐵路高塝隧道、崗烏隧道、白巖腳隧道等10余座長大隧道在施工期間均出現(xiàn)過不同程度涌水突泥，累積增設泄水洞長約 21 km；滬昆客運專線朱砂堡二號隧道、成貴鐵路玉京山隧道均開挖揭示巨型溶洞大廳，投資增加顯著，影響建設工期[6-7]；織畢鐵路楊家坡隧道、大營山隧道等雨季后隧道涌水量遠大于設計預估，出現(xiàn)溝槽排水能力不足等問題。

西南山區(qū)巖溶隧道在運營期間也常出現(xiàn)“隧底翻漿冒泥、仰拱上拱、道床隆起、排水系統(tǒng)失效、施工縫滲漏涌、襯砌結構破壞”等問題。2012年6月15日，黔桂鐵路鄧山隧道D1K 125+894左側水溝底出現(xiàn)涌水、涌砂并進入道床，中斷行車3 h 43 min；2015年 6月，由于連續(xù)降雨，貴廣鐵路胡山隧道出現(xiàn)局部軌道上拱，威脅運營安全；2015年6月暴雨后，滬昆鐵路麻拉寨隧道D1K 610+390～D1K 610+490段仰拱出現(xiàn)翻漿冒泥、軌道板隆起，威脅運營安全；2014年6月，廣昆鐵路秀寧隧道DK 997+300～DK 997+580段二襯施工縫滲漏水、局部地下水沿施工縫射出(黃色泥漿水)，引起地表塌陷，威脅運營安全[8]；2017年6月30日暴雨后，滬昆鐵路白巖腳隧道左側側溝施工縫處大量水流涌出，高度約2.1 m，水流沖入左線道床與溝槽間，并影響接觸網(wǎng)，導致行車中斷[9]。

總體來看，西南山區(qū)地形地質條件復雜，巖溶發(fā)育，施工期間各類巖溶病害頻發(fā)，工期壓力大，工程投資大幅增加；運營期間出現(xiàn)的各類巖溶病害，嚴重影響列車的運營安全，引起了各方的強烈關注，產(chǎn)生了極為負面的社會效應。

1 貴南高速鐵路巖溶隧道特點

貴南高速鐵路全長482 km，從貴陽至南寧依次通過貴州高原、貴州高原斜坡帶、廣西盆地三大地貌單元，地貌類型以溶蝕型、侵蝕型、溶蝕侵蝕型為主，地貌形態(tài)主要由溶蝕槽谷、溶蝕谷地、峰叢洼地等組成，巖溶地貌極其發(fā)育，有“巖溶強烈發(fā)育、洼地隧道關聯(lián)、季節(jié)變動帶長，水害風險較高”的特點。巖溶隧道發(fā)育情況如表1所示。

表1 貴南高速鐵路隧道巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計表

貴南高速鐵路巖溶主要發(fā)育于二疊系、石炭系、泥盆系、奧陶系及寒武系的灰?guī)r、白云巖與白云質灰?guī)r中，尤其以二疊系、石炭系中最為發(fā)育。從表1可以看出，全線隧道穿越巖溶段長度占隧道總長的68.2%，其中巖溶強烈發(fā)育段長度占隧道總長的51.3%。

貴南高速鐵路隧道洞身地段多為峰叢、洼地和槽谷，地形起伏較大，坡陡溝深。地表巖溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞發(fā)育，洼地平面形態(tài)呈現(xiàn)為多邊形、橢圓形或圓形、長條形及不規(guī)則形等。大部分溶蝕洼地底部較平坦，多為殘、坡積物堆積，表層被莊稼或灌木、雜草覆蓋。根據(jù)勘測資料，貴南高速鐵路全線對隧道工程有影響的洼地有329個，其中貴州段84個，廣西段245個，如表2所示。

表2 貴南高速鐵路隧道巖溶洼地分布情況統(tǒng)計表

貴南高速鐵路穿越區(qū)域氣候屬亞熱帶季風型氣候，降雨量充沛，部分地區(qū)雨季最大日降雨量超過300 mm。而本線巖溶暗河、洼地、漏斗、落水洞極發(fā)育，大氣降水絕大部份將滲入隧道，直接威脅隧道安全。貴南高速鐵路沿線氣象資料如表3所示。

表3 貴南高速鐵路沿線氣象資料統(tǒng)計表

貴南高速鐵路沿線隧道穿越各類型可溶巖段落長度長約175 km，通過垂直滲流帶約31.1 km，季節(jié)變動帶130.3 km，水平循環(huán)帶11.6 km，深部緩流帶2.5 km。貴南高速鐵路隧道巖溶分帶如圖4所示。

從表4可以發(fā)現(xiàn)，沿線隧道通過季節(jié)變動帶的比例占其全部巖溶隧道段落的74.46%，表明其沿線隧道巖溶發(fā)育段落大部分位于季節(jié)變動帶。在季節(jié)變動帶，地下水的運動隨季節(jié)變動，呈周期性的升降變化，在此分帶中，巖溶發(fā)育最強烈，常形成復雜的大型溶洞、暗河、地下湖等。因此，處于此分帶的隧道，發(fā)生巖溶水害事件的概率較高。

表4 貴南高速鐵路隧道巖溶分帶情況統(tǒng)計表

2 傳統(tǒng)巖溶隧道存在的問題

目前在建及運營的巖溶隧道襯砌結構大部分為仰拱型襯砌，其排水系統(tǒng)以“隧道體內(nèi)排水”為主要模式，地下水排放路徑為：圍巖→初期支護→排水盲管→側溝→橫向排水管→中心水溝(雙線)或圍巖→初期支護→排水盲管→側溝(單線或雙線)，即隧道結構周邊的水通過初期支護滲透經(jīng)由排水盲管引排至隧道結構本體之內(nèi)的水溝，最終排出洞外。襯砌排水系統(tǒng)現(xiàn)主要存在以下三個方面的問題：

(1)隧底積水無法引排

仰拱型襯砌中心水溝(或側溝)設于隧道結構之內(nèi)，主要引排拱墻范圍的周邊地下水，隧道仰拱以下的積水無法有效引排、仰拱承受部分水壓，加之仰拱及填充、填充本身存在的施工縫以及隧道縱向施工縫，極易引起隧底翻漿冒泥，填充道床隆起。

(2)排水系統(tǒng)易于堵塞

巖溶地區(qū)地下水往往帶有各類化學離子，與混凝土或噴射混凝土材料相互作用后往往形成各類型結晶體，堵塞隧道環(huán)向盲管、縱向盲管等排水系統(tǒng)，導致隧道排水系統(tǒng)失效，巖溶水從襯砌結構薄弱環(huán)節(jié)，如施工縫等滲漏進入隧道，嚴重時甚至引起襯砌結構的破壞。

(3)雨季排水能力不足

仰拱型襯砌受道床結構、洞內(nèi)附屬構筑物及隧道斷面工程經(jīng)濟性制約，考慮施工難易程度，洞內(nèi)側溝或中心溝的過水斷面自由度不大，過水能力受限，在極端暴雨氣候條件下，地下水水位驟增，形成超高水壓，導致隧底仰拱隆起，襯砌結構破壞等巖溶病害。

具體問題示意如圖1所示。解決上述問題的傳統(tǒng)方法主要有：

圖1 巖溶隧道襯砌排水系統(tǒng)存在問題示意圖

(1)加強排水能力，設置隧道泄水孔

加強隧道拱墻部位盲溝的排水能力、加密邊墻泄水孔的設置，降低拱墻部分水壓，但難以有效降低隧底結構承受的水壓。

(2)加強襯砌結構，提高抗水壓能力

一方面增設襯砌鋼筋或加強襯砌配筋，提高其承載能力，降低襯砌開裂風險；一方面加大襯砌厚度、調整仰拱曲率，設置圓形或近似圓形斷面，采用抗(部分)水壓襯砌。但單純增加配筋難以有效防止仰拱隆起及道床變形，圓形抗水壓襯砌投資大，且高水頭地段難以實施。

(3)設置泄水洞，疏排隧周巖溶水

設置泄水洞可大幅度降低巖溶隧道風險，但工程造價巨大；泄水洞距離正洞約20～30 m，難以完全襲奪地下水，在建成的鐵路隧道中，個別隧道即使設置了泄水洞排水，正洞仍出現(xiàn)隧底變形開裂等巖溶病害，如圖2所示。另外，泄水洞的養(yǎng)護維修也存在很大問題。

圖2 泄水洞未能揭示巖溶水正洞持續(xù)水害示意圖

因此，設置有效的防排水體系尤其是隧底排水系統(tǒng)成為巖溶隧道設計的關鍵。為降低復雜巖溶地區(qū)隧道運營安全風險，改善防排水系統(tǒng)勢在必行，而防排水系統(tǒng)又與襯砌結構尤其是隧底結構直接相關，為此應首先優(yōu)化隧底結構。因施工繁瑣、維護管理困難等問題，結構體外排水系統(tǒng)(例如隧底設置排水管溝)還未真正落到實處。因此，需要一種新型襯砌結構體系，兼具隧底排水通暢、便于施工、維護等優(yōu)點，并且能夠適應巖溶及巖溶水的無規(guī)律性，以期望降低貴南高速鐵路乃至全國復雜巖溶地區(qū)鐵路隧道的建設運營風險。

3 新型襯砌結構選型研究

經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)，目前部分巖溶隧道為降低水害風險，采用了仰拱深埋中心溝型襯砌，如圖3所示，在隧道仰拱以下設置深埋的中心水溝，用于引排隧道周邊及底部的地下水。存在的主要問題在于“施工困難、形態(tài)難控”，即隧道仰拱開挖后在其中部位置繼續(xù)下挖2～3 m，施工干擾較大，深埋水溝形態(tài)難以保證；“檢修困難、維護缺失”，即巖溶地區(qū)地下水在排水系統(tǒng)中常形成堵塞，需要及時維護，即使在隧道縱向設置檢查井，由于天窗時間有限，作業(yè)空間狹小等問題，也存在運維上的缺陷。

圖3 仰拱深埋中心溝型襯砌結構示意圖

為徹底解決上述問題，中鐵二院工程集團有限責任公司研究提出了如圖4所示的底板型箱體排水型襯砌結構，在兩側邊墻底設置箱型基礎兼做集排水廊道，用于引排隧道周邊及隧道底部的巖溶水、地下水，在箱體之間設置底板連接，通過兩側箱體的剛度，保證結構穩(wěn)定。底板型箱體排水型襯砌結構有以下優(yōu)點：

圖4 底板型箱體排水型Ⅴ級襯砌結構示意圖(mm)

(1)隧底泄水快，排水路徑短

在襯砌邊墻底部設置箱型基礎兼集排水廊道，環(huán)向盲管可直接彎入箱體中，箱體內(nèi)部也可直接設置泄水孔，隧道周邊巖溶水、地下水可以快速高效的引入箱體內(nèi)并快速排走，具有泄水速度快，排水路徑短的優(yōu)點。

(2)排水空間大，泄水能力強

底板型箱體排水型襯砌在兩側邊墻底部設置的箱體基礎兼集排水廊道，其內(nèi)凈空為1.5 m(寬)×1.8 m(高)，遠大于傳統(tǒng)側溝或中心溝尺寸，排水空間保證了足夠的泄水能力。

(3)檢修空間大，運營維護容易

兩側邊墻底部設置箱體的凈空空間，可以滿足運營期間的檢修、維護要求，通過設置檢查井、檢查洞室等方式，達到隧道襯砌方便檢修，便于維護的要求。

(4)施工干擾小，現(xiàn)場施作快

在兩側邊墻底部設置箱型基礎，不對隧道中部構成影響，施工車輛可在隧道中部通行，快速進行開挖、出渣、支護等作業(yè)，對施工干擾較小，便于施工組織，施工現(xiàn)場易于實施。

“底板型箱體排水型襯砌”相比于“仰拱深埋中心溝型襯砌”，排水能力更強，結構更加穩(wěn)定，運營維護更加便捷，施工現(xiàn)場更易實施。下文基于“底板型箱體排水型襯砌”的構造特點，進一步對其結構穩(wěn)定性、圍巖穩(wěn)定性和泄水能力等因素進行理論分析。

4 底板型箱體排水新型襯砌結構理論研究

為分析底板型箱體排水新型襯砌結構的受力特征、圍巖穩(wěn)定性、泄水能力等因素，采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立實體模型，以V級圍巖深埋荷載為例，進行結構理論分析，采用通用有限差分軟件Flac3d，建立泄水數(shù)值模型，進行泄水能力分析。

4.1 力學性能分析

(1)計算模型

采用SOLID 65單元來模擬結構襯砌，采用彈簧模擬地基土等抗力作用。在建模時，取3 m洞身為研究對象，將鋼筋視為分布于整個襯砌單元中，和混凝土作為整體式單元考慮。襯砌底部作地基彈簧，并沿洞身均勻布置，有限元模型如圖5所示。

圖5 新型襯砌結構計算有限元模型圖

(2)參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)行TB 10003-2016《鐵路隧道設計規(guī)范》中規(guī)定，以V級圍巖為例，進行結構受力分析(考慮該襯砌為排水型襯砌，計算中僅考慮V級圍巖荷載，未考慮水壓力)，材料物理力學參數(shù)如表5所示。

表5 襯砌結構計算參數(shù)表

(3)計算結果

根據(jù)計算結果，新型襯砌的豎向變形、第一主應力、第三主應力、基底塑性區(qū)、內(nèi)力分布圖、結構安全系數(shù)如圖6所示。

圖6 新型襯砌結構理論分析結果圖

(4)與傳統(tǒng)底板型襯砌受力對比分析

為進一步分析底板型箱體排水新型襯砌力學性能，在同樣荷載情況下，與傳統(tǒng)底板型襯砌力學性能進行對比分析，結果如表6所示。

從表6可以看出：

表6 新型箱體襯砌與傳統(tǒng)底板襯砌計算結果對比表

①新型襯砌結構的最大位移發(fā)生在拱頂位置處，為1.77 cm，底板豎向位移值為6.77 mm，理論計算值與傳統(tǒng)仰拱型襯砌計算結果接近，可以看出，新型襯砌結構具有良好的穩(wěn)定性。

②新型襯砌結構的最大第一主應力(拉)發(fā)生在拱頂內(nèi)側，為7.79 MPa，與傳統(tǒng)仰拱型襯砌計算結果接近；新型襯砌結構最大第三主應力(壓)出現(xiàn)在拱頂外側、拱腰內(nèi)側，最大值為14.4 MPa，均小于混凝土抗壓強度設計值，可看出新型襯砌結構具有良好的應力狀態(tài)。

③新型襯砌基底塑性區(qū)的最大值為 0.555E-03，最大塑形應變發(fā)生內(nèi)墻外側底部土體處整體分析可以看出，新型襯砌的塑性區(qū)較小且塑形應變較小，結構整體受力合理基底穩(wěn)定性良好。

④從新型襯砌結構的內(nèi)力圖和彎矩圖中可以發(fā)現(xiàn)，新型襯砌的最大軸力則出現(xiàn)在邊墻處，為 2 036.63 kN，最大彎矩則出現(xiàn)在箱體外墻處，為408.80 kN·m。從彎矩的分布來看，新型襯砌截面的彎矩反彎點出現(xiàn)在拱腰等位置處，最大彎矩差值為679.64 kN·m，內(nèi)力分布良好。

⑤與傳統(tǒng)底板型襯砌受力分析相比，新型襯砌結構隧道拱部與傳統(tǒng)底板襯砌受力情況相似，新型襯砌由于兩側箱體的剛度較大，拱腳與墻腳的受力情況優(yōu)于傳統(tǒng)底板型，底板中部由于新型襯砌所受軸力較小，安全系數(shù)較傳統(tǒng)底板型有所降低。新型襯砌各處安全系數(shù)均滿足規(guī)范安全要求，且富余量較大，結構整體穩(wěn)定性較高。

4.2 泄水能力分析

(1)模型概況

為分析底板型箱體排水新型襯砌結構的泄排水能力，與“傳統(tǒng)襯砌+泄水洞”模式的泄水能力進行對比，采用Flac3d軟件建立Ⅳ級圍巖中新型襯砌結構泄水模型和“傳統(tǒng)襯砌+泄水洞”模式泄水模型，如圖7所示。考慮邊界效應，對于新型襯砌模型，隧道外側距離左右邊界為30 m，上邊界為60 m，下邊界為15 m，縱向長度為10 m，計算模型如圖8所示；對于“傳統(tǒng)襯砌+泄水洞模型”，隧道外側距離左右邊界為60 m，上邊界為60 m，下邊界為15 m，縱向長度為10 m。

圖7 新型襯砌結構泄水能力分析有限元模型圖

圖8 底板型箱體排水型Ⅳ級襯砌結構示意圖(mm)

(2)參數(shù)設置

對于力學邊界，模型上端為自由邊界，底部位移垂直約束，兩側水平位移約束，沿隧道軸線前后方向水平約束。

對于滲流邊界，模型上下、左右邊界為透水邊界且采用固定孔隙水壓力，沿隧道縱向的前后邊界為自由邊界。初始空隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力。

采用Ⅳ級圍巖參數(shù)進行計算，參數(shù)選取如表7所示。

表7 泄水模型計算參數(shù)

(3)計算結果

兩種泄水模型的孔壓等值線圖、襯砌背后孔壓示意如圖9所示。

圖9 新型襯砌結構泄水能力分析結果圖

為更直觀的比較兩者的排水能力，按平均水壓進行計算，即通過提取隧道襯砌背后單元的孔壓、單元體積等數(shù)據(jù)，經(jīng)過積分求得在隧道縱向上單位長度所受的全部水壓，除以隧道環(huán)向周長可得出在隧道縱向、環(huán)向上單位長度的襯砌背后平均水壓，計算結果如表8所示。

表8 排水后襯砌平均水壓表

根據(jù)計算結果可以看出：

(1)新型襯砌結構排水分布形式更優(yōu)

新型襯砌結構襯砌背后水壓力沿隧道軸線對稱分布；而傳統(tǒng)泄水洞結構正洞襯砌背后水壓力由于受一側泄水洞影響，遠泄水洞側水壓力比近側高30%左右，呈明顯偏壓狀態(tài)。

(2)新型襯砌結構排水泄壓能力更強

采用新型襯砌結構后，隧道襯砌拱頂平均水壓為4.3 kPa，為傳統(tǒng)泄水洞12.0 kPa的35.8%；襯砌拱腰平均水壓為7.5 kPa，為傳統(tǒng)泄水洞15.6 kPa的48.1%；襯砌拱墻平均水壓為8.7 kPa，為傳統(tǒng)泄水洞16.7 kPa的52.1%；隧道底部平均水壓為9.6 kPa，為傳統(tǒng)泄水洞30.1 kPa的31.9%。新型襯砌結構襯砌背后殘余水壓比傳統(tǒng)泄水洞結構更小，可見新型襯砌結構的排水能力優(yōu)于傳統(tǒng)泄水洞。

5 結論及建議

本文以貴南高速鐵路隧道為研究背景，研究提出了底板型箱體排水新型襯砌結構，主要研究結論為：

(1)由于巖溶的復雜性、巖溶發(fā)育的不規(guī)律型，復雜巖溶地區(qū)隧道建設風險高，貴南高速鐵路巖溶隧道具有巖溶強烈發(fā)育、洼地隧道關聯(lián)、季節(jié)變動帶長等特點，隧道巖溶水害風險較高。

(2)傳統(tǒng)巖溶隧道設計存在隧底積水無法引排、排水系統(tǒng)易于堵塞、雨季排水能力不足等問題，設置隧道邊墻泄水孔、采用抗水壓襯砌、配置泄水洞等傳統(tǒng)措施均存在一定問題。

(3)基于現(xiàn)行巖溶隧道襯砌結構防排水方面存在的問題，本文提出的“底板型箱體排水新型襯砌”，具有“泄水快、宜維護、便施工”等特點，能夠很好地適應貴南高速鐵路復雜巖溶地區(qū)的地質情況。

(4)底板型箱體排水新型襯砌結構在變形控制、應力狀態(tài)、基底穩(wěn)定性、內(nèi)力分布及安全性系數(shù)方面均具有良好性能，相對于傳統(tǒng)的配置泄水洞方案，其排水分布形式更優(yōu)、排水泄壓能力更強。

(5)建議進一步加強底板型箱體排水新型襯砌結構體系的研究，包括初支支護體系、二襯鋼筋布設、防排水體系、施工工法體系、運維檢修體系等，并在貴南高速鐵路巖溶隧道中選擇適合的工點，開展現(xiàn)場試驗段研究，相關成果可推廣至其他復雜地區(qū)的巖溶隧道工程。