馮 威 艾小文 楊 建 李 凱 周浩文

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

巖溶地質(zhì)在我國西南地區(qū)極為常見，在地表水和地下水的共同溶蝕作用下，地下巖體被長時(shí)間溶蝕，形成溝壑發(fā)達(dá)的巖溶地質(zhì)，給交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營帶來了極大的挑戰(zhàn)。巖溶地質(zhì)及巖溶水易導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂和變形。如2015年7月滬昆線小高山隧道由于突降暴雨，地下水位短時(shí)間迅速上升，導(dǎo)致隧道仰拱承壓破壞。株六鐵路線大竹林隧道，因突降暴雨導(dǎo)致隧道邊墻開裂。由此可見，降雨因素導(dǎo)致水壓力突變是造成巖溶隧道破壞的主要因素之一[1]，因此分析動(dòng)水壓作用下巖溶隧道襯砌的受力規(guī)律對(duì)揭示隧道破壞機(jī)理和優(yōu)化排水設(shè)計(jì)方案十分重要。

目前，針對(duì)地下水量較小的山嶺隧道，通常采取不排水或半排水方案即可滿足需求。在含水量豐富的隧道中，半排水或常規(guī)排水方案也可基本滿足隧道排水需求。但當(dāng)巖溶隧道疊加極端暴雨天氣狀況，常規(guī)排水方案將難以滿足防排水需求[2]，因此優(yōu)化改進(jìn)隧道防排水方案顯得非常必要。本文以天峨至巴馬高速公路段典型巖溶隧道作為工程背景，利用Midas GTS有限元軟件模擬不同排水方案，分析在突遇暴雨情況下二次襯砌的水壓力分布狀況，并重點(diǎn)就設(shè)計(jì)優(yōu)化的排水方案進(jìn)行相關(guān)受力分析。

1 項(xiàng)目概況

天峨至巴馬高速公路位于廣西境內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫暖雨水豐沛，常發(fā)生暴雨洪澇、熱帶氣旋等災(zāi)害，經(jīng)統(tǒng)計(jì)多年降雨量范圍723.9～2983.8mm，平均年降雨量1647.7mm，屬多雨水地區(qū)。

隧道項(xiàng)目位于鳳山縣內(nèi)，該地區(qū)地質(zhì)狀況復(fù)雜，地層起伏多變且溶洞發(fā)達(dá)地下水貫通，隧道經(jīng)過區(qū)域圍巖破碎程度不同，為研究最不利狀況，特選擇隧道區(qū)域內(nèi)V級(jí)圍巖作為研究對(duì)象?？紤]項(xiàng)目所在地歷史極端暴雨天氣狀況，模擬不同排水方案下巖溶隧道的承壓分布規(guī)律及薄弱點(diǎn)，驗(yàn)證優(yōu)化后的排水方案可行性，以提高巖溶隧道應(yīng)對(duì)突發(fā)暴雨?duì)顩r的能力。

（1）常規(guī)排水方案設(shè)計(jì)將隧道周邊圍巖內(nèi)的地下水通過襯砌背后的環(huán)、縱向排水管匯入中心排水溝內(nèi)，并最終由中心排水溝集中排出隧道，如圖1所示。

圖1 常規(guī)排水方案

（2）優(yōu)化排水方案是在常規(guī)防排水方案的基礎(chǔ)上，將隧道中心排水溝移動(dòng)至仰拱底部，同時(shí)延長環(huán)向排水盲管至中心水溝，增大其排水能力，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化排水方案

2 隧道滲流模型

2.1 模型的建立

根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及隧道設(shè)計(jì)方案，利用實(shí)體單元構(gòu)建Midas GTS三維滲流模型（見圖3所示），滲流模型長和高為35m、寬15m、隧道埋深5m。利用Mohr-Coulomb模型作為材料彈塑性本構(gòu)分別建立不排水、常規(guī)排水和優(yōu)化排水隧道模型，隧道模型中包括圍巖、二次襯砌、防水板、橫縱向排水盲管及中心排水溝等。

圖3 三維滲流整體模型圖

2.2 模型參數(shù)確定

通過設(shè)計(jì)文件及實(shí)地勘察結(jié)果，確定構(gòu)建模型所需幾何參數(shù)及物理力學(xué)特性，隧道圍巖等級(jí)為V級(jí)，粘聚力c取值為0.15MPa，內(nèi)摩擦角φ的取值范圍為25°。采用C35混凝土澆筑二次襯砌，中心排水溝直徑為50cm，橫縱向排水盲管直徑均為10cm。材料物理力學(xué)特性見表1所示。

表1 材料物理力學(xué)特性

2.3 荷載及邊界

為更好地研究三維隧道滲流情況，實(shí)現(xiàn)暴雨情況下對(duì)巖溶隧道排水方案優(yōu)化的目的，獲得暴雨情況下隧道襯砌受水壓力分布狀況，需將滲流邊界設(shè)置如下：

（1）假設(shè)自由地下水面位于圍巖頂面，且存在充足的降雨補(bǔ)給，地下水位不會(huì)因隧道內(nèi)盲管及中心溝排水而降低[3]。

（2）設(shè)定隧道底面為不透水邊界，令其法向流速及流量皆為零。

（3）考慮正常排水環(huán)境下，縱向盲管設(shè)定為一端無壓力水頭，另一端不排水。

結(jié)合隧道工程狀況，隧道埋深較深且上方?jīng)]有堆載施工，巖溶發(fā)育地下水位與降雨補(bǔ)給地表緊密相連，軟件模擬時(shí)僅考慮巖層自重荷載及水壓力荷載，其他荷載忽略。荷載加載模型見圖4。

圖4 荷載加載模型圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 整體分布

利用Midas GTS運(yùn)算三種不同狀況下的隧道滲流模型，二次襯砌周圍的水壓力分布云圖如圖5～圖7所示。

圖5 不排水襯砌水壓分布云圖

圖6 常規(guī)排水襯砌水壓分布云圖

圖7 優(yōu)化排水襯砌水壓分布云圖

不排水方案下二次襯砌最大水壓力分布于整個(gè)仰拱，其最大值為8.19kPa。常規(guī)排水方案下最大水壓力集中于仰拱中部，其最大值為5.19kPa。優(yōu)化排水方案后最大水壓力轉(zhuǎn)移至拱腰和拱頂位置，其最大值為2.5kPa。

3.2 細(xì)部分布

為更好地分析二次襯砌受水壓力情況，選擇第1道與第2道縱向盲管中間部位作為典型截面，并選定分布于拱頂、拱腰、邊墻和仰拱的10個(gè)特征點(diǎn)作為分析對(duì)象，提取各特征點(diǎn)水壓數(shù)據(jù)，如圖8、表2所示。

表2 不同排水方案下各測(cè)點(diǎn)水壓力值

圖8 典型截面及特征點(diǎn)選取示意圖

不排水方案下模擬預(yù)測(cè)水壓力值與試驗(yàn)所得孔隙水壓力數(shù)據(jù)大體一致，水壓力值隨隧道埋深不斷增大，仰拱位置埋深最大，其水壓力最大符合工程經(jīng)驗(yàn)。常規(guī)排水方案下，邊墻角的水壓力雖顯著降低，但仍未改變隧道襯砌整體受力分布情況。經(jīng)優(yōu)化排水方案后隧道襯砌整體受力大幅降低，且改變了仰拱受壓最大的狀況，使得隧道的安全性獲得極大提升。

4 結(jié)束語

利用Midas GTS有限元分析軟件結(jié)合實(shí)際隧道工程，分析在暴雨情況下采用不同排水方案的巖溶隧道二次襯砌受壓情況，模擬結(jié)果表明不排水及常規(guī)排水方案下巖溶隧道將承受較大的壓力，且基本集中于仰拱部位，導(dǎo)致隧道承壓破壞。而優(yōu)化后的排水方案可以從根本上改變仰拱最大承壓狀況，并且實(shí)現(xiàn)巖溶隧道整體降壓，提升其在暴雨工況下的抗壓能力，對(duì)提高巖溶隧道施工及安全運(yùn)營有較大現(xiàn)實(shí)意義。