朱小兵,周元輔,安 柯,汪振偉,周學(xué)勇

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,重慶 401121;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;3.中建隧道建設(shè)有限公司,重慶 400054)

0 引言

近些年來,西南山區(qū)的地下水問題成了該區(qū)域隧道工程建設(shè)面臨的主要問題之一,隧道發(fā)生涌水時(shí),根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)多采用“寧疏勿堵”的原則。然而經(jīng)驗(yàn)證明,隧道地下水的排放將導(dǎo)致水層被疏干,使生態(tài)環(huán)境惡化,同時(shí)豐富的地下水和不完善的防排水系統(tǒng)導(dǎo)致隧道水害問題頻發(fā),影響隧道行車安全,降低襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。因此,“控制型防排水”的理念隨之產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)眾多專家和學(xué)者在該方面開展了一系列的研究。付鋼針對(duì)隧道采用“以堵為主,限量排放”的防排水措施后,襯砌外水荷載的計(jì)算,以及排水系統(tǒng)排水能力大小對(duì)襯砌外水荷載的影響進(jìn)行了探討[1]。趙瑞等開展了隔擋式背斜區(qū)隧道群地下水滲流模擬演化研究,認(rèn)為數(shù)值法可以較好地模擬預(yù)測(cè)隧道群開挖過程中隔擋式背斜區(qū)的滲流場(chǎng)變化[2]。基于此,本文以重慶土主隧道為依托工程,應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件建立三維模型,研究不同水壓作用下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,為我國(guó)山嶺隧道設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考,具有顯著的社會(huì)價(jià)值。

1 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

整個(gè)模型的計(jì)算范圍為135 m×2 m×1 700 m?？紫端畨毫殪o水壓,初支、二襯用實(shí)體單元模擬。隧道圍巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,其他材料均為彈性。隧道初期支護(hù)主要由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架組成,在FLAC3D隧道數(shù)值模擬中,采用實(shí)體單元來模擬噴射混凝土,鋼筋網(wǎng)和鋼拱架采用等效的方法來考慮鋼拱架和鋼筋網(wǎng)在支護(hù)系統(tǒng)中的作用。模型的邊界條件包含模型位移邊界條件和模型滲流邊界條件,位移邊界:模型除頂面為自由邊界外,其余五個(gè)面約束法向位移。滲流邊界:隧道開挖之前,內(nèi)部含水巖土體假定為富水飽和狀態(tài),相應(yīng)的靜孔隙水壓力與所在位置的埋深成正比線性關(guān)系,模型Z=max處為透水邊界相應(yīng)的孔壓為零,其他表面均為不透水邊界,隨著圍巖體的開挖相應(yīng)的臨空面會(huì)發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng),臨空面為透水邊界其孔壓設(shè)定為零。所分析的隧道為深埋隧道,巖土體的初始地應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力。

計(jì)算所用材料參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取參考了《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2018)、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范細(xì)則》(JTG/T D70-2010)及土主隧道地勘資料所得,詳見表1。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)

2 計(jì)算工況

本研究分析了隧道施工過程中地下水位在20～100 m時(shí),Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)不同圍巖等級(jí),以及不同截面條件下,隧道涌水量、位移場(chǎng)、外水壓力、襯砌受水壓力演化規(guī)律。具體計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況

3 結(jié)果分析

3.1 隧道涌水量

地下動(dòng)力學(xué)法對(duì)模擬工況各水位下的隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。模擬的工況根據(jù)土主隧道水文地質(zhì)資料進(jìn)行設(shè)計(jì),地下水位至隧道底部的深度取30、40、50、60、70、80、90、100和110 m。分別計(jì)算Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)不同圍巖等級(jí)不同水位高度對(duì)應(yīng)的正常涌水量:

Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖土主隧道圍巖涌水量隨著靜水位至隧底深度的升高而增加,且圍巖等級(jí)越差,其隧道涌水量越大,相同靜水位時(shí),不同圍巖等級(jí)隧道涌水量相差約為400 m3/d。

3.2 圍巖變形分析

水平位移和豎向位移是分析圍巖變形特征的主要指標(biāo)。圖1,圖2分別是工況1(Ⅳ級(jí)圍巖)與工況2(Ⅴ級(jí)圍巖)在地下水位變動(dòng)情況下橫向位移與豎向位移變化趨勢(shì)圖,通過對(duì)比Ⅳ級(jí)圍巖與Ⅴ級(jí)圍巖的橫豎向位移可以發(fā)現(xiàn),兩種工況的位移均隨著水位高度的升高而升高,而Ⅴ級(jí)圍巖的位移略大于Ⅳ級(jí)圍巖,其中橫向位移最值在水位為100 m時(shí)達(dá)到了5.22 mm,豎向位移最值在水位為100 m時(shí)達(dá)到了43.17 mm;從數(shù)值上看位移值較小,說明襯砌仍能夠發(fā)揮較好的支護(hù)作用。

圖1 橫向位移變化趨勢(shì) 圖2 豎向位移變化趨勢(shì)

3.3 外水壓力分析

在隧道開挖前,內(nèi)部含水巖土體假定為富水飽和狀態(tài),巖體內(nèi)的初始孔隙水壓力符合靜孔隙水壓力特征,呈γh的線性分布,其中γ=104,h表示水頭高度,隨著地下水位深度的增加而增大,最大孔隙水壓力位于模型最底部,以地下水位為60 m的模型為例,水頭高度為模型地下水位高度至模型底部,即h=130 m,此時(shí)模型底部的水壓力為1.3 MPa,這與理論計(jì)算數(shù)值孔隙水壓力P=γh=104×130=1.3 MPa相一致。

將臨空面孔壓設(shè)為零作為自由透水邊界,圍巖體內(nèi)地下水滲流流入開挖空間,區(qū)域內(nèi)滲流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。隧道開挖之后地下水向開挖區(qū)域發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng),地下水不斷涌入隧道內(nèi),在臨空面周圍滲流運(yùn)動(dòng)尤為劇烈,形成了一個(gè)滲流漏斗區(qū)域,根據(jù)滲流矢量云圖,滲流方向垂直臨空面為隧道徑向,大體上隧道拱腳和拱底處滲流梯度較大而拱腰和拱頂位置的滲流梯度較小,滲流主要朝著滲流梯度大的方向進(jìn)行,且該處水壓等勢(shì)線尤為密集,相應(yīng)的滲透壓力也最大。從拱頂至地下水平面起每5m提取該位置的孔隙水壓力值,提取結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)曲線變化值可發(fā)現(xiàn),距拱頂60～20 m這一范圍內(nèi),孔隙水壓力會(huì)隨著地下水深度的增大而近似線性增大,與初始狀態(tài)下的孔隙水壓力數(shù)值基本一致,在距離隧道拱頂0～20 m范圍內(nèi),孔隙水壓力呈現(xiàn)非線性變化,孔隙水壓力減小十分明顯,這是因?yàn)樵诹鞴恬詈嫌?jì)算過程中,隧道開挖之后地下水不斷涌入孔隙水壓力為零的隧道臨空面內(nèi),地下水不斷流失,從而引起隧道周圍孔隙水壓力比初始狀態(tài)下的孔隙水壓力小,這也使得滲流計(jì)算后巖體孔隙水壓力云圖呈現(xiàn)出滲流漏斗形狀。Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖開挖后水壓力變化曲線如圖4所示。

根據(jù)曲線變化值可發(fā)現(xiàn),Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖的孔隙水壓力分布規(guī)律基本一致,說明了襯砌外水壓雖然與圍巖滲透系數(shù)有關(guān),但圍巖滲透系數(shù)影響十分有限,而且Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖滲透系數(shù)相差不大,主要還是取決于計(jì)算位置到地下水位的距離,因此Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖的孔隙水壓力分布曲線基本一致。

圖3 孔隙水壓力變化值 圖4 水壓變化圖

3.4 襯砌受水壓力分析

探究不同地下水位產(chǎn)生的水壓力作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水壓分布特征,當(dāng)采用Ⅳ級(jí)圍巖時(shí),襯砌水壓力變化曲線圖,如圖5所示。

圖5 襯砌水壓力變化 圖6 襯砌水壓力變化

通過襯砌水壓力變化曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著水位逐漸升高,襯砌所承受的水壓力呈近似線性增加,符合水壓力的變化規(guī)律,地下水位為20 m時(shí)襯砌所受水壓極值最小,為0.041 7 MPa,地下水位為100 m時(shí)襯砌所受水壓極值最大,為0.150 7 MPa,與最小值相比增加了約260%,從水壓值看,襯砌所受水壓較小,處于較安全的受力狀態(tài)。數(shù)值計(jì)算也說明隧道在不同地下水位時(shí)進(jìn)行排水,襯砌所受水壓力比不排水的水壓小,適當(dāng)?shù)呐欧诺叵滤山档鸵r砌受地下水壓力。Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖襯砌所受水壓力變化曲線如圖6所示。

通過對(duì)比Ⅳ級(jí)圍巖可以發(fā)現(xiàn),Ⅴ級(jí)圍巖襯砌所受水壓力極值略大于Ⅳ級(jí)圍巖,這是由于Ⅴ級(jí)圍巖的滲透系數(shù)較大,有更多的地下水可以到達(dá)隧道襯砌從而引起更大的水壓力。從變化規(guī)律上看,Ⅴ級(jí)圍巖的水壓力變化和Ⅳ級(jí)圍巖相同,均接近線性分布,同樣滿足水壓力的變化規(guī)律,在20 m水位時(shí)所受水壓最小,為0.044 2 MPa,100 m水位時(shí)所受水壓最大,為0.16 MPa,與最小值相比增加了約260%,與Ⅳ級(jí)圍巖襯砌水壓變化值相近,因此圍巖參數(shù)的改變對(duì)襯砌所受水壓影響較小,應(yīng)綜合考慮襯砌總應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合重慶土主隧道,通過FLAC3D有限差分軟件,對(duì)不同水頭下,不同圍巖等級(jí)及不同截面條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的較深入的研究,主要結(jié)論如下:

(1)不同圍巖等級(jí)、截面尺寸和埋深條件下,水位高度變化對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受水壓力和最大、最小主應(yīng)力的影響規(guī)律,利用襯砌安全系數(shù)得到各工況下襯砌能夠承受的極限水位高度,以該水位高度所對(duì)應(yīng)的地下水排放量作為對(duì)應(yīng)工況下地下水限量排放的最低標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)圍巖等級(jí)越高,圍巖質(zhì)量越差,隧道周邊位移越大,從總體上看Ⅴ級(jí)圍巖的位移略大于Ⅳ級(jí)圍巖,其中橫向位移最值在水位為100 m時(shí)達(dá)到5.22 mm,豎向位移最值在水位為100 m時(shí)達(dá)到43.17 mm,與Ⅳ級(jí)圍巖的橫向位移最值4.49 mm相比增加了16.2%,與Ⅳ級(jí)圍巖的豎向位移最值43.76 mm相比減少了約1.3%。三車道隧道的橫豎向位移極值均大于兩車道隧道,其中三車道隧道在地下水位100 m時(shí),水平方向最大位移為4.68 mm,豎直方向最大位移為44.82 mm。與兩車道隧道相比,水平方向位移極值增大了約4.2%,豎直方向位移極值增大了約2.4%。

(3)對(duì)比不同圍巖等級(jí)條件下的水壓力分布特征可以發(fā)現(xiàn),Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖水壓力分布相差不大,圍巖等級(jí)對(duì)水壓力分布的影響較小。三車道隧道的水壓力分布規(guī)律與兩車道隧道相似,但水壓極值比兩車道隧道大約0.08 MPa。三車道隧道襯砌所受水壓力極值為0.158 MPa,比兩車道的情況大約4.8%。

(4)在隧道開挖前各工況水壓力為均勻分布,水壓力大小均滿足理論計(jì)算數(shù)值;隧道開挖后距拱頂60～20 m這一范圍內(nèi),孔隙水壓力隨著地下水深度的增大而近似線性增大,與初始狀態(tài)下的孔隙水壓力數(shù)值基本一致,在距離隧道拱頂0～20 m范圍內(nèi),孔隙水壓力呈現(xiàn)非線性變化,約從0.4～0.5 MPa降至襯砌受水壓0.04～0.15 MPa值。