作者簡(jiǎn)介：

李 盈（1983—），工程師，主要從事高速公路行政執(zhí)法、安全生產(chǎn)和應(yīng)急監(jiān)督管理工作。

摘要：文章以某跨越巖溶地貌的公路隧道為依托，運(yùn)用FLAC 3D有限元差分軟件構(gòu)建應(yīng)力-滲流耦合及普通比對(duì)模型，通過(guò)分析服役公路隧道初支和二襯等結(jié)構(gòu)的受力特性，計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)比分析實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。結(jié)果表明：考慮應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均有所降低，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及二次襯砌結(jié)構(gòu)的拱腳處分別可能發(fā)生受拉破壞、受壓破壞，應(yīng)力-滲流耦合模型的二次襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力數(shù)值模擬結(jié)果更貼合實(shí)際情況，更具備可靠性。該結(jié)論可為類似巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道；應(yīng)力-滲流耦合；襯砌結(jié)構(gòu)；安全系數(shù)；服役階段

中圖分類號(hào)：U455.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 39 132 4

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)與公路干網(wǎng)的不斷完善，橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)的服役安全問(wèn)題受到社會(huì)廣泛關(guān)注［1］。隧道在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，受巖層風(fēng)化、巖溶、化學(xué)腐蝕等自然因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和功能劣化［2］。我國(guó)喀斯特地貌分布較為廣泛，受落水洞、溶蝕洼地的不利影響，服役階段的隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。眾多學(xué)者對(duì)服役隧道處于不利影響下的結(jié)構(gòu)安全性開(kāi)展了研究，李曉剛等［3］研究了巖溶區(qū)運(yùn)營(yíng)公路隧道在不同溶洞空間分布形態(tài)大小特征、不同節(jié)理傾角、強(qiáng)降雨條件下襯砌的受力特性；蔣雅君等［4］通過(guò)設(shè)置防水膜力學(xué)參數(shù)及界面參數(shù)，建了復(fù)合式襯砌、噴膜防水襯砌及單層襯砌的數(shù)值仿真模型，并對(duì)不同襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行比較分析；鐘明文等［5-6］均基于數(shù)值模擬與綜合探測(cè)等手段，探索巖溶隧道塌方以及突水涌泥的形成原因；徐強(qiáng)等［7］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法，探究應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)水壓力與安全性存在何種影響。鑒于此，本文針對(duì)某實(shí)際隧道巖溶區(qū)的襯砌結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)構(gòu)建應(yīng)力-滲流耦合與普通比對(duì)模型，通過(guò)提取初支、二襯等結(jié)構(gòu)的內(nèi)力結(jié)果，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1-2018）相關(guān)規(guī)定計(jì)算支護(hù)安全系數(shù)，判斷隧道襯砌安全性。

1 工程概況

本文以某富水公路隧道巖溶區(qū)為依托，隧址巖溶區(qū)從上至下分別為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r層（T1j4）、嘉陵組灰?guī)r層（T1j3）、灰?guī)r夾石膏層（T1j2），區(qū)域節(jié)理、裂隙、巖溶凹槽、暗河等較為發(fā)育，地表水與深部地下水存在縱向水力聯(lián)系，洞身穿越灰?guī)r夾石膏層，石膏巖層具有C級(jí)腐蝕性。隧道巖溶區(qū)縱斷面見(jiàn)圖1。埋深與水位分別為180 m、60 m。對(duì)特征斷面襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)置拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、仰拱底等測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖2。

2 構(gòu)建模型與參數(shù)取值

該隧道巖溶段初支為厚度0.3 m的C25耐腐蝕防水噴混凝土，二襯為厚度為0.55 m的C40耐腐蝕防水鋼筋混凝土，數(shù)值模擬將超前小導(dǎo)管等支護(hù)并入加固圈計(jì)算。加固圈范圍為4.0 m，通過(guò)提高圍巖參數(shù)進(jìn)行模擬，初支（錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架）、二次襯砌結(jié)構(gòu)（不同類型鋼筋）均采用等效剛度法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理［8］。考慮隧道影響范圍大小，采用FLAC 3D軟件構(gòu)建100 m×1 m×260 m（長(zhǎng)×寬×高）的模型；利用實(shí)體單元對(duì)圍巖、加固圈、二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)選取shell單元進(jìn)行模擬。力學(xué)邊界為：除地表自由外，其余邊界均約束法向位移速率。滲流邊界為：水位線以上的圍巖設(shè)置為干燥狀態(tài)，水位線以下的圍巖處于飽和狀態(tài)，地表為透水邊界，其余邊界均為不透水界面，初期支護(hù)、二次襯砌等結(jié)構(gòu)均不透水，隧道凈空斷面為零水壓力面。通過(guò)開(kāi)啟應(yīng)力-滲流模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)，而普通對(duì)比模型僅考慮力學(xué)邊界。隧道巖溶區(qū)特征斷面網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3（a），隧道應(yīng)力-滲流耦合模型的力學(xué)邊界、滲流邊界、初始水位設(shè)置見(jiàn)圖3（b），圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)等物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

3 襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，僅取襯砌結(jié)構(gòu)右半部分進(jìn)行分析即可。建立應(yīng)力-滲流耦合模型與普通對(duì)比模型后，提取不同工況的初支軸力與彎矩等數(shù)據(jù)，然后提取二襯內(nèi)外側(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）轉(zhuǎn)換為二襯軸力、彎矩等數(shù)據(jù)，最終求解出初支與二襯的安全系數(shù)［9］。

N=E（ε內(nèi)+ε外）bh/2

（1）

M=E（ε內(nèi)-ε外）bh2/12

（2）

式中：N——軸力（N）；

M——彎矩（N·m）；

E——彈性模量（Pa）；

ε內(nèi)、ε外——二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)應(yīng)變、外側(cè)應(yīng)變；

b、h——二次襯砌結(jié)構(gòu)的橫截面寬度、橫截面高度（m）。

3.1 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析

在隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖協(xié)調(diào)變形的長(zhǎng)期過(guò)程中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征為緩慢變化趨勢(shì)，且在有、無(wú)應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征也有所不同。軸力、彎矩模擬云圖見(jiàn)圖4、圖5，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力、彎矩見(jiàn)下頁(yè)表2。

由上頁(yè)圖4、圖5及表2可知：

（1）不同工況模型條件下，隧道初支整體受壓，壓力峰值、最低值分別位于邊墻、仰拱底，應(yīng)力-滲流耦合模型的壓力值較普通對(duì)比模型大；若初支局部壓力大于材料極限抗壓強(qiáng)度，邊墻可能最先發(fā)生受壓破壞。

（2）不同工況模型條件下，初支正負(fù)彎矩峰值均位于拱腳，應(yīng)力-滲流耦合模型的彎矩值較普通對(duì)比模型?。还澳_處剪力發(fā)生異號(hào)突變，表明初支拱腳易發(fā)生剪切破壞，當(dāng)初支局部剪力超越材料極限抗剪強(qiáng)度，拱腳易失穩(wěn)。

（3）應(yīng)力-滲流耦合工況下，各測(cè)點(diǎn)初支軸力相較于普通工況分別增大40.1%、18.9%、6.9%、1.7%、97.3%，表明考慮滲流效應(yīng)對(duì)拱頂、仰拱底兩處的軸力影響顯著；各測(cè)點(diǎn)初支彎矩相較于普通工況分別減小63.6%、22.9%、40.7%、2.7%、7.5%，說(shuō)明受滲流耦合影響，初支拱頂、邊墻兩處的彎矩明顯下降。

提取初支各測(cè)點(diǎn)軸力與彎矩值，按《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）相關(guān)規(guī)定，計(jì)算出隧道初支安全系數(shù)。初支為噴混材料，對(duì)應(yīng)抗壓、抗拉安全系數(shù)限制值分別為1.8、2.7［10］。初支各測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)分布如圖6所示。

由圖6可知，不同工況的初支安全系數(shù)存在顯著差異，應(yīng)力-滲流耦合對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)初支安全系數(shù)較普通工況的小，初支除拱腳受拉控制以外，其余均受壓控制，且抗壓安全系數(shù)峰值、最低值分別位于仰拱底、邊墻。不同工況的初支抗壓安全系數(shù)均gt;1.8，拱頂、拱腰、邊墻、仰拱底等部位滿足支護(hù)安全儲(chǔ)備要求；不同工況的拱腳抗拉安全系數(shù)均lt;2.7，可知拱腳處的初支不滿足安全要求。受地下水影響，初支材料強(qiáng)度易發(fā)生劣化，邊墻、拱腳等處的初支安全系數(shù)低，應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決問(wèn)題，確保隧道運(yùn)營(yíng)安全性。

3.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

運(yùn)營(yíng)階段的隧道圍巖與初支協(xié)調(diào)變形持續(xù)，初支與二襯緊密貼合將導(dǎo)致二襯產(chǎn)生一定變形，因此，巖溶段二襯應(yīng)具有良好安全儲(chǔ)備，為隧道耐久性奠定良好基礎(chǔ)。不同工況的二襯Mises等效應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，各測(cè)點(diǎn)的二襯內(nèi)、外側(cè)Mises等效應(yīng)變見(jiàn)表3。

分析圖7、圖8和表3可以看出：

（1）不同工況下，二襯Mises等效應(yīng)變均表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，內(nèi)、外側(cè)Mises等效應(yīng)變峰值均位于仰拱底。內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變Mises等效應(yīng)變最小值均位于拱腳處；應(yīng)力-滲流耦合對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)Mises等效應(yīng)變較于普通模型愈大；應(yīng)變?cè)隽颗c位移變形成正線性相關(guān)，仰拱底、拱頂處內(nèi)外側(cè)Mises等效應(yīng)變較大，表明仰拱底、拱頂處的位移變形量較大。

（2）二襯內(nèi)、外側(cè)Mises等效應(yīng)變由小到大排序?yàn)楣澳_、邊墻、拱腰、拱頂、仰拱底，應(yīng)力-滲流耦合模型的各測(cè)點(diǎn)外側(cè)Mises等效應(yīng)變分別為普通模型的130.6%、156.4%、154.4%、180.0%、130.3%，應(yīng)力-滲流耦合模型的各測(cè)點(diǎn)內(nèi)側(cè)Mises等效應(yīng)變分別為普通模型的134.5%、105.3%、126.5%、160.0%、131.3%，表明應(yīng)力-滲流耦合對(duì)二襯拱腳處內(nèi)外側(cè)Mises等效應(yīng)變的影響顯著。

將上頁(yè)表3中的二襯各測(cè)點(diǎn)內(nèi)外側(cè)Mises等效應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）計(jì)算，得出二襯軸力、彎矩等數(shù)據(jù)，并按《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）相關(guān)規(guī)定計(jì)算出二襯安全系數(shù)。二襯材料為鋼筋混凝土，其對(duì)應(yīng)的抗壓、抗拉安全系數(shù)限制值分別為1.5、1.8［10］。二襯安全系數(shù)分布規(guī)律見(jiàn)圖9。

由圖9可知，不同工況下的二襯安全系數(shù)均為抗壓安全系數(shù)，各測(cè)點(diǎn)抗壓安全系數(shù)由大到小排序?yàn)檠龉暗住⒐绊?、拱腰、邊墻、拱腳；普通模型的各測(cè)點(diǎn)抗壓安全系數(shù)均＞1.5，而應(yīng)力-滲流耦合模型的抗壓安全系數(shù)較于普通模型降低，且拱腳抗壓安全系數(shù)＜1.5，說(shuō)明受應(yīng)力-滲流耦合影響，二襯拱腳處已不滿足安全儲(chǔ)備要求。應(yīng)力-滲流耦合模型各測(cè)點(diǎn)的二襯抗壓安全系數(shù)較于普通模型分別減小26.3%、14.0%、23.5%、27.8%、41.0%，這是因?yàn)樘幱趲r溶區(qū)，地下水向隧道斷面滲流，二襯外部水壓力增大，導(dǎo)致二襯安全儲(chǔ)備降低。為滿足耐久性與安全性等要求，應(yīng)采取防排水等措施，對(duì)隧道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)加固。

4 實(shí)測(cè)與數(shù)值對(duì)比分析

利用施工預(yù)埋的應(yīng)變式土壓力盒，對(duì)二襯外側(cè)土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)與前頁(yè)圖2相同，二襯各測(cè)點(diǎn)土壓力實(shí)測(cè)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10。

由圖10可知，二襯外側(cè)土壓力從小到大排序?yàn)槠胀▽?duì)比、應(yīng)力-滲流、實(shí)測(cè)，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果均顯示拱腳土壓力最大；對(duì)于普通模型，應(yīng)力-滲流耦合的數(shù)據(jù)更接近于實(shí)測(cè)，且外側(cè)土壓力分布規(guī)律更相似。較于實(shí)測(cè)，應(yīng)力-滲流耦合的二襯外側(cè)土壓力誤差分別為10.7%、8.3%、9.1%、12.3%、2.9%，誤差范圍lt;15%，因此采取應(yīng)力-滲流耦合對(duì)巖溶隧道進(jìn)行模擬，更貼合實(shí)際，驗(yàn)證了應(yīng)力-滲流耦合模擬的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)對(duì)初支影響顯著，拱頂與仰拱底壓力明顯增大，拱頂和邊墻處彎矩值明顯減小，初支安全系數(shù)降低，拱腳抗拉安全系數(shù)lt;2.7，不滿足安全要求，需要及時(shí)加固。

（2）應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)導(dǎo)致二襯拱腳Mises等效應(yīng)變顯著增大，且安全系數(shù)同步減小，拱腳抗壓安全系數(shù)已lt;1.5，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行拱腳區(qū)域養(yǎng)護(hù)加固，確保隧道使用安全。

（3）考慮應(yīng)力-滲流耦合提高了二襯外側(cè)土壓力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，模擬土壓力與實(shí)測(cè)更接近；考慮應(yīng)力-滲流耦合的土壓力誤差范圍lt;15%，驗(yàn)證了模擬可靠性。

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