徐 強(qiáng)，宋玉香，樊浩博,，譚信榮，楊海宏

（1.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

我國(guó)巖溶地貌分布廣泛。地面水和地下水的溶蝕作用使巖溶發(fā)育成類(lèi)型、形態(tài)各異的巖溶地貌，這不僅增加了隧道工程的建設(shè)難度，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重威脅到相關(guān)鐵路線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)安全。新中國(guó)成立以來(lái)，川黔、貴昆、宜萬(wàn)等鐵路建設(shè)中均存在較多的典型巖溶隧道［1-4］，隨著建成通車(chē)的巖溶隧道越來(lái)越多，我國(guó)鐵路也積累了越來(lái)越多針對(duì)巖溶病害的防治經(jīng)驗(yàn)，但長(zhǎng)期巖溶水壓作用引起鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂、破損的病害現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生［5-9］，并直接影響鐵路線(xiàn)路的正常使用和行車(chē)安全。

近年來(lái)針對(duì)巖溶水對(duì)隧道的影響開(kāi)展了大量研究。莫陽(yáng)春［10］針對(duì)巖溶隧道涌水、涌砂和涌泥問(wèn)題，開(kāi)展了大型物理模型試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)隧道二次襯砌的內(nèi)力分布特征進(jìn)行了研究，分析得到水壓、溶腔和隧道間距的變化對(duì)二次襯砌內(nèi)力的影響規(guī)律。袁慧［11］依托齊岳山隧道，對(duì)高水壓巖溶隧道襯砌水壓力特征進(jìn)行了研究，確定只有在排水的前提下襯砌水壓力才能進(jìn)行折減，且水壓力隨著排水量的增加而減小。申志軍［12］依托宜萬(wàn)鐵路中的典型巖溶隧道，基于襯砌水壓的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)合模型試驗(yàn)和理論分析，對(duì)巖溶隧道二次襯砌水壓的特征進(jìn)行了研究，指出隧道內(nèi)的排水效應(yīng)對(duì)斷面水壓分布影響明顯。周毅等［13-14］依托尚家灣隧道工程，開(kāi)展了深長(zhǎng)隧道充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)突水的大比尺模型試驗(yàn)，揭示了施工擾動(dòng)下充填物滲透失穩(wěn)突水過(guò)程的災(zāi)變演化機(jī)制。高新強(qiáng)等［15-16］對(duì)比分析了不同排水形式下富水山嶺隧道的圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力，指出在“以堵為主，限量排放”治水方案下，隧道仰拱處會(huì)存在較大的襯砌水壓力。

上述學(xué)者針對(duì)巖溶隧道涌突水問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，為富水隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但當(dāng)前富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未考慮短時(shí)強(qiáng)降雨等形成的突變水壓的影響，這導(dǎo)致現(xiàn)有防排水措施下，隧道襯砌在通車(chē)后易出現(xiàn)安全隱患。余洪璋［17］依托織畢鐵路元寶山隧道，分析評(píng)估了瞬時(shí)強(qiáng)降雨條件下巖溶隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全，確定了強(qiáng)降雨產(chǎn)生的高壓水是元寶山隧道二襯開(kāi)裂破壞的主要原因，泄水減壓是解決該類(lèi)襯砌破壞病害的關(guān)鍵。鄒育麟等［18］對(duì)15座滲漏病害嚴(yán)重的隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，揭示了隧道滲漏水和巖溶地貌以及季節(jié)性降水之間存在的必然聯(lián)系，并指出處理巖溶地區(qū)季節(jié)性富水營(yíng)運(yùn)隧道滲漏水病害時(shí)應(yīng)以“排為主、堵為輔”。這些研究揭示了季節(jié)性強(qiáng)降水與隧道襯砌病害的必然聯(lián)系，所以泄水減壓是關(guān)鍵。

鑒于此，極有必要對(duì)現(xiàn)有的巖溶隧道排水方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)襯砌水壓力、水壓折減系數(shù)等指標(biāo)定量地證實(shí)其優(yōu)越性。本文以鄭萬(wàn)高鐵高家坪巖溶隧道為依托，調(diào)整隧道中心排水溝位置，對(duì)常規(guī)巖溶隧道排水方案進(jìn)行優(yōu)化；考慮巖溶均質(zhì)地層條件下不同水頭高度的影響，分不排水、常規(guī)排水和優(yōu)化排水3種試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)并開(kāi)展關(guān)于富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓力分布特征的模型試驗(yàn)；分別分析3種方案下，沿隧道縱向和斷面的襯砌水壓力分布特征，為巖溶隧道的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及排水系統(tǒng)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 工程概況及排水方案優(yōu)化

依托工程為鄭萬(wàn)高鐵高家坪巖溶隧道，位于湖北省南漳縣李廟境內(nèi)，全長(zhǎng)5 538 m，最大埋深約320 m。圍巖以灰?guī)r、頁(yè)巖夾砂巖為主，隧址區(qū)內(nèi)溶溝、溶槽、巖溶洼地等巖溶形態(tài)發(fā)育，為典型的富水巖溶隧道。巖溶水主要接受大氣降水補(bǔ)給及鄰近含水巖組的側(cè)向徑流補(bǔ)給。隧道洞身段主要位于季節(jié)交替帶內(nèi)，受季節(jié)降雨影響明顯，施工時(shí)在雨季發(fā)生突水、突泥的風(fēng)險(xiǎn)較大，運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌經(jīng)受巖溶水壓病害的風(fēng)險(xiǎn)較高。鑒于該隧道典型的巖溶發(fā)育形態(tài)及充沛的降雨補(bǔ)給，對(duì)其開(kāi)展富水巖溶隧道襯砌水壓力分布特征及排水系統(tǒng)優(yōu)化研究尤為重要。

對(duì)此類(lèi)對(duì)于環(huán)境保護(hù)沒(méi)有特殊要求的山嶺隧道而言，隧道防排水常規(guī)方案在設(shè)計(jì)時(shí)一般參考鐵路工程建設(shè)通用參考圖中的隧道襯砌斷面圖。常規(guī)排水方案采用半包半排防排水形式，防排水系統(tǒng)由防水板、無(wú)紡布、環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向連接水管及中心排水溝組成，如圖1所示。圖中：紅箭頭表示排水管中的排水方向。

圖1 隧道防排水常規(guī)方案

普通山嶺隧道地下水量有限，且非巖溶地區(qū)的隧道圍巖滲透系數(shù)較小，地表降水對(duì)隧道影響較小，因此常規(guī)排水方案完全能夠滿(mǎn)足隧道排水的要求。但對(duì)于高家坪巖溶隧道此類(lèi)富水巖溶隧道而言，圍巖滲透系數(shù)較大，地表降水對(duì)隧道周?chē)膰鷰r裂隙水補(bǔ)給明顯，有必要對(duì)隧道排水方案進(jìn)行優(yōu)化。為便于隧道的設(shè)計(jì)和施工，盡量避免大幅改變現(xiàn)有防排水方案帶來(lái)的額外工程量，在常規(guī)防排水方案的基礎(chǔ)上，將隧道中心排水溝由仰拱內(nèi)移動(dòng)至仰拱底部，同時(shí)延長(zhǎng)環(huán)向排水管至中心水溝，更利于隧道巖溶水的排出。形成的隧道防排水優(yōu)化方案如圖2所示。

圖2 隧道防排水優(yōu)化方案

2 巖溶隧道模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為展開(kāi)相關(guān)研究，研制專(zhuān)用的巖溶均質(zhì)地層巖溶隧道模型試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。模型箱體長(zhǎng)×寬×高為2.25 m×1.00 m×2.25 m，主要由鋼板、槽鋼和工字鋼焊接加工而成；箱蓋和箱體之間用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。在密閉的箱體內(nèi)設(shè)置隧道襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖，并通過(guò)向模型箱體內(nèi)注水的形式模擬地表水補(bǔ)給。

圖3 巖溶隧道模型試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)材料相似比設(shè)計(jì)及配置

綜合考慮試驗(yàn)周期及可行性，結(jié)合依托工程相關(guān)參數(shù)，參考相關(guān)模型試驗(yàn)成果［19-21］，確定模型試驗(yàn)中原型與模型的幾何相似比Cl為20，容重相似比Cγ為2。以相似理論的3 個(gè)基本定理為依據(jù)，推導(dǎo)確定其他物理力學(xué)參數(shù)的相似比∶應(yīng)力相似比Cσ和彈性模量相似比CE均為4；泊松比相似比Cμ和應(yīng)變相似比Cε均為1。

模型試驗(yàn)中，采用一定配比的細(xì)砂與石英砂來(lái)模擬隧道圍巖，考慮圍巖滲透系數(shù)為2×10-4m·s-1，通過(guò)大量滲透試驗(yàn)確定石英砂∶細(xì)砂為1∶3，其中石英砂300目，細(xì)砂70目左右；根據(jù)幾何相似和強(qiáng)度相似，采用25 cm 厚的石膏來(lái)模擬二次襯砌，通過(guò)試驗(yàn)確定石膏∶水為1.4∶1。圍巖與二次襯砌具體模型試驗(yàn)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 圍巖原型和模型材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 二次襯砌原型和模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型制作

襯砌模板采用定制的鋼板拼接而成，澆灌拆模后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。襯砌模具和拆模后的襯砌模型如圖4所示。

圖4 隧道襯砌模型

2.4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)過(guò)程中，布置水壓力計(jì)測(cè)點(diǎn)共10 個(gè)，分別在監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、拱腰、邊墻、墻腳（有縱向排水盲管的位置）、仰拱拱腰和仰拱中心處。監(jiān)測(cè)斷面布置在3根環(huán)向排水管之間。以?xún)?yōu)化排水方案為例，水壓力測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面布置如圖5所示。

圖5 隧道襯砌水壓力測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面布置

研究巖溶均質(zhì)地層中不同方案對(duì)襯砌背后水壓力分布特征的影響時(shí)，在不排水和常規(guī)排水方案基礎(chǔ)上增設(shè)優(yōu)化排水方案，如圖6所示。圖6（a）中，設(shè)置在仰拱底部的中心排水溝可以充分優(yōu)化仰拱處的水壓力。圖6（b）中，通過(guò)控制閥門(mén)1#，2#和3#，可以模擬得到不同方案下的隧道排水情況：關(guān)閉所有閥門(mén)為不排水方案；打開(kāi)閥門(mén)1#和2#為常規(guī)排水方案；打開(kāi)閥門(mén)1#，2#和3#為優(yōu)化排水方案。

圖6 模型試驗(yàn)排水系統(tǒng)

模型試驗(yàn)拱頂水頭高度設(shè)置30，40，50 和60 cm 共4 種，分別對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程中隧道拱頂水頭高度為6，8，10 和12 m 時(shí)的情況。為便于理解，后續(xù)分析時(shí)將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)（包括試驗(yàn)時(shí)施加的初始水頭高度）均按相似關(guān)系換算為實(shí)際工程中對(duì)應(yīng)的高度，不再贅述。

3 不同方案的水壓力分布特征對(duì)比

模型試驗(yàn)的防排水系統(tǒng)考慮了縱向和環(huán)向排水管，因此分沿隧道縱向和斷面2 個(gè)方向，對(duì)比分析不同方案下隧道襯砌不同部位的水壓力分布特征。

3.1 縱向襯砌水壓力分布特征

3.1.1 不排水和常規(guī)排水方案對(duì)比

不排水和常規(guī)排水方案下，提取拱頂水頭高度分別為6，8，10 和12 m 時(shí)隧道各監(jiān)測(cè)斷面上所有測(cè)點(diǎn)的襯砌水壓力值，并對(duì)左右對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)的水壓力取平均值。沿隧道縱向，繪制各監(jiān)測(cè)斷面襯砌不同部位的水壓力分布如圖7所示。需要指出的是，6 m水頭且不排水時(shí)，縱向上襯砌各測(cè)點(diǎn)處的水壓力大小近似等于靜水壓力，如圖7（a）所示，因此其余水頭高度時(shí)的不排水方案試驗(yàn)結(jié)果不再贅述。

圖7 不排水和常規(guī)排水2 種方案下的縱向襯砌水壓力分布

對(duì)圖7分析可知：水頭高度越高，則常規(guī)排水方案下各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力越大；水頭高度相同時(shí)，相比不排水方案，常規(guī)排水方案下各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力均有不同程度地降低，增設(shè)排水管后降壓效果明顯；常規(guī)排水方案下，墻腳處存在縱向排水管但仰拱拱腰和仰拱中心處無(wú)縱向排水措施，所以水頭高度不同時(shí)這3處測(cè)點(diǎn)的襯砌水壓力均無(wú)明顯變化，僅仰拱處仍存在較大的襯砌水壓力（與不排水方案的情況一樣），需要重視；常規(guī)排水方案下，拱頂、拱腰和邊墻3處測(cè)點(diǎn)的襯砌水壓在環(huán)向排水管之間整體呈倒“V”型分布，這是因?yàn)榭v向到隧道左邊界距離為4，10 和16 m 處設(shè)有環(huán)向排水管的緣故，所以對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力急劇減小。

3.1.2 常規(guī)排水與優(yōu)化排水方案對(duì)比

對(duì)于優(yōu)化排水方案，提取4 種拱頂水頭高度時(shí)隧道各監(jiān)測(cè)斷面上所有測(cè)點(diǎn)的襯砌水壓力值，并沿隧道縱向繪制各監(jiān)測(cè)斷面襯砌不同部位的水壓力分布如圖8所示。

對(duì)圖8分析可知：優(yōu)化排水方案下，各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力同樣隨著水頭增大而增大，環(huán)向排水管作用明顯；由于仰拱中心處和墻腳處均有縱向的排水措施，這2 處測(cè)點(diǎn)的縱向襯砌水壓力變化并不明顯，而其余測(cè)點(diǎn)在環(huán)向排水管間的襯砌水壓力則呈“倒V”型分布；相較于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下不僅各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力整體更小，而且其排水措施（在仰拱底部設(shè)置中心排水溝、將環(huán)向排水管延長(zhǎng)至仰拱底部與中心排水溝相連）對(duì)仰拱中心和仰拱拱腰處的襯砌水壓力優(yōu)化效果更明顯，大大降低了可能因高水壓而產(chǎn)生襯砌病害的概率。

圖8 優(yōu)化排水方案下的縱向襯砌水壓力分布

綜上進(jìn)一步分析可知：不管是常規(guī)排水方案還是優(yōu)化排水方案，襯砌水壓力大小與水頭高度呈正相關(guān)變化，水頭高度越大，則襯砌水壓力越大；對(duì)于設(shè)置了縱向排水措施的各處測(cè)點(diǎn)，襯砌水壓力變化均不明顯，而對(duì)于其余測(cè)點(diǎn)，位置越靠近環(huán)向排水管時(shí)的襯砌水壓力越小，2 根環(huán)向排水管間的縱向襯砌水壓力整體呈倒“V”型分布；縱向上，優(yōu)化排水方案較常規(guī)排水方案對(duì)襯砌水壓力的優(yōu)化效果更好，尤其是隧道仰拱處襯砌水壓的降低最為明顯。

3.2 斷面襯砌水壓力分布特征

環(huán)向排水管對(duì)襯砌水壓力有明顯的優(yōu)化效果，所以避開(kāi)環(huán)向排水管，僅取2 根環(huán)向排水管中間的監(jiān)測(cè)斷面（距隧道左邊界13 m 處），對(duì)比分析隧道斷面的襯砌水壓力分布特征。

3.2.1 不排水與常規(guī)排水方案對(duì)比

不排水和常規(guī)排水方案下，提取4 種拱頂水頭高度時(shí)隧道各監(jiān)測(cè)斷面上所有測(cè)點(diǎn)的襯砌水壓力值，繪制隧道襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖如圖9所示。

圖9 不排水和常規(guī)排水2種方案下的襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖（單位：kPa）

對(duì)圖9分析可知：水頭高度不同時(shí)，2 種方案下的襯砌水壓力的分布形式相似，不排水方案下，從拱頂?shù)窖龉暗囊r砌水壓力逐漸增大，初始水頭高度不同時(shí)各測(cè)點(diǎn)處水壓力均近似等于靜水壓力，此時(shí)襯砌水壓力不能進(jìn)行折減；相對(duì)于不排水方案，常規(guī)排水方案下各測(cè)點(diǎn)處的水壓力均有不同程度地減小，其中仰拱中心處的水壓折減系數(shù)最小，約0.10～0.15，拱頂處次之，約0.15～0.19，墻腳處最大，達(dá)0.80～0.90，這主要由于墻腳測(cè)點(diǎn)處存在縱向排水管，極大地優(yōu)化了襯砌背后的水壓力；雖然現(xiàn)有常規(guī)排水方案對(duì)襯砌水壓力有一定的折減效果，但在仰拱處仍會(huì)產(chǎn)生較大的水壓力，實(shí)際工程中仰拱底部一般無(wú)排水措施，一旦發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨，襯砌仰拱處無(wú)法及時(shí)排水，必然會(huì)增加仰拱處的水壓力，這也能夠說(shuō)明試驗(yàn)方案設(shè)置與實(shí)際情況較為符合。

3.2.2 常規(guī)排水與優(yōu)化排水方案對(duì)比

常規(guī)排水和優(yōu)化排水方案下，提取4 種拱頂水頭高度時(shí)隧道監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)處的水壓力值，并繪制成隧道襯砌斷面水壓力包絡(luò)如圖10所示。

圖10 常規(guī)排水和優(yōu)化排水2種方案下的襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖（單位：kPa）

對(duì)圖10分析可知：相對(duì)于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下4種初始水頭高度的襯砌水壓分布形式近似，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)處的水壓力均有不同程度地減小，尤其是仰拱處水壓折減明顯；優(yōu)化排水方案下，從拱頂?shù)竭厜μ幍乃畨毫φ蹨p系數(shù)有所增大，其中拱頂處的水壓力折減系數(shù)約0.12～0.16，邊墻處均在0.25以上，仰拱拱腰處達(dá)0.3，仰拱底部處達(dá)0.9 左右；優(yōu)化排水方案的排水效果優(yōu)于常規(guī)排水方案，在仰拱底部設(shè)置中心排水溝底部的排水措施針對(duì)性地解決了后者仰拱處水壓較大的問(wèn)題。

為更直觀地對(duì)比分析不同方案下襯砌水壓的折減系數(shù)，繪制常規(guī)排水和優(yōu)化排水2 種方案相對(duì)于不排水方案的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線(xiàn)。通過(guò)上述分析可知水頭高度不同時(shí)各排水方案的襯砌水壓折減系數(shù)相差不大，因此僅以12 m 水頭時(shí)的情況為例進(jìn)行分析。繪制不同測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線(xiàn)如圖11所示，其中對(duì)左右對(duì)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)的水壓力取平均值。

對(duì)圖11分析可知：相較于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓折減更為明顯，特別是仰拱拱腰處和仰拱中心處的水壓折減系數(shù)分別增加了1 倍有余和4 倍有余；推薦富水巖溶隧道采用優(yōu)化排水方案。

圖11 12 m 水頭時(shí)常規(guī)排水和優(yōu)化排水2 種方案下的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線(xiàn)

綜上，常規(guī)排水方案與不排水方案均會(huì)造成仰拱拱腰和仰拱中心處存在較大襯砌水壓力，需要重視；相比常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案通過(guò)改變中心排水溝位置等措施，有效地降低了襯砌特別是仰拱處的水壓力；建議在降雨較為頻繁的區(qū)域采用優(yōu)化排水方案，這樣即使出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨天氣，依然能夠有效地減小仰拱處的水壓力，改善襯砌結(jié)構(gòu)受力，避免隧道仰拱因水壓過(guò)大而發(fā)生病害，確保運(yùn)營(yíng)期間襯砌的安全性和可靠性。

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)排水方案和優(yōu)化排水方案下，富水巖溶隧道設(shè)置了縱向排水措施的測(cè)點(diǎn)處襯砌水壓力變化均不明顯；而對(duì)于其余測(cè)點(diǎn)，越靠近環(huán)向排水管處的襯砌水壓力越小，環(huán)向排水管之間，各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力呈倒“V”型分布。

（2）相較于不排水方案，富水巖溶隧道在常規(guī)排水方案下各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力均有不同程度地減小，仰拱中心處水壓折減系數(shù)最小，僅為0.1～0.15，易引發(fā)仰拱處因水壓較大產(chǎn)生的病害；墻腳處水壓折減系數(shù)最大，達(dá)0.8～0.9。

（3）采用優(yōu)化排水方案能夠進(jìn)一步降低富水巖溶隧道各測(cè)點(diǎn)處的襯砌水壓力，相較于常規(guī)排水方案從拱頂?shù)竭厜Φ乃畨赫蹨p系數(shù)從0.12 增大到0.25，仰拱中心處的水壓折減系數(shù)均能達(dá)到0.9，針對(duì)性解決了現(xiàn)有常規(guī)排水方案下仰拱處水壓較大的問(wèn)題。