考慮外水壓力的山嶺深埋隧道變形分析

鄧祥輝

(西安工業大學 建筑工程學院，西安 710032)

隨著西部大開發的不斷加快，越來越多的鐵路、公路隧道將在西南高山地區修建。這些隧道一般埋置深度較大，穿越富水區，而且水頭一般也很高(如兩河口交通隧道和錦屏交通隧道)。這些隧道若采用“防排結合，以排為主”的防排水原則，一則不能根治隧道水害，二則導致洞頂地下水位下降，地表水資源枯竭，使本來脆弱的生態環境遭到破壞。采取“以堵為主”則往往會產生高達若干兆帕的水壓力，使襯砌難以承受［1-2］。因此，要在不影響生態環境的條件下，安全、可靠地進行隧道施工和運營就必須解決襯砌上外水壓力的問題［3-4］。

目前，在隧道襯砌水荷載的計算中，基本上還是參照水工隧洞設計規范和經驗。而鐵路、公路隧道工程由于防排水系統的設置與水利、水電工程隧道差別較大，僅僅采用折減系數法顯然存在很大問題［5］。因此，在折減系數法基礎上，按照隧道圍巖實際滲流情況來確定襯砌上的外水壓力是較為合理的。另外，西南高山區隧道一般埋深較大，而隨著隧道埋深的增加，地應力也迅速增大［6-7］。而規范對于Ⅲ～Ⅴ級圍巖水平壓力的側向系數通常取值在0.15～0.50的范圍，實際工程證明這樣的取值范圍對這一地區隧道工程明顯偏小［8］。因此，根據不同地區隧道工程情況，確定初始地應力側向壓力系數也是非常重要的。

1 外水壓力及初始地應力

1.1 外水壓力折減公式

對于深埋于含水層的隧道，其經折減后的水壓力值往往過大，襯砌難以直接承受，因此在能保持洞頂水資源恢復和水環境平衡的前提下，允許隧道有適當滲漏水以減壓，從而減少襯砌和止水工程，應該是經濟合理的。分析表明，襯砌滲流一方面造成能量損失，另一方面還減小了水作用于襯砌外表面的面積，襯砌外水壓力的降低是這兩方面因素疊加的結果［9］。考慮滲流的能量損失和減小作用面積對襯砌外水壓力的重疊影響，可以得到允許滲流的隧道襯砌的外水壓力預測公式為

式中，P0為經折減后的水壓力;β為折減系數法中的折減系數;qs為單位長度未襯砌的毛洞洞壁的自然穩定涌水量(m2/d);q為單位長度襯砌的允許滲流水量(m2/d)。

1.2 初始地應力公式

巖體初始地應力是巖土工程設計與施工所要考慮的重要因素之一，一般來講，地應力場成因復雜，影響因素眾多，確定初始地應力一直是非常困難的問題。根據大量實測及統計分析，并將構造地應力的影響考慮進去，一些學者提出了巖體地應力公式［10］。

Y方向(豎直方向)地應力

X方向(水平方向)地應力

式中，γ為巖體重度(kN/m3);H為埋深(m);μ為泊松比;kt為構造應力系數;k為巖體側向壓力系數。

2 兩河口隧道數值計算與分析

2.1 兩河口電站1#公路隧道工程概況

雅礱江兩河口水電站交通工程1#公路位于四川省甘孜州雅江縣境內雅礱江地帶，地貌區劃屬青藏高原東部之川西高原深切割高山區，總體地勢呈東西兩側高、中部相對較低態勢。1#公路隧道區巖體主要分布為兩河口組中段(TIn23)，巖石為深灰至灰黑色砂質碳質板巖夾變質石英砂巖，層面發育，節理較不發育，主要礦物成份為長石、石英。工程區內無大斷面通過，斷裂構造以構造節理為主，總體構造線為北西—南東向。

雅礱江兩河口水電站交通工程1#公路兩河口隧道全長5 855 m，穿越呷拉山，隧道樁號K7+480—K13+335。兩河口隧道地質構造簡單，為單斜構造，巖性為細粒石英砂巖，巖石較堅硬，巖體較破碎，無不良地質和特殊巖層。洞身圍巖為兩河口組弱風化變細粒石英砂巖，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主。地下水分為第四系松散堆積層孔隙水壓力和基巖裂隙水兩類。在隧道掘進至K8+610—K8+680時，遇斷層段，水量豐富，地下水位高于隧道洞頂約150 m。

2.2 圍巖參數

進入洞身段主要以Ⅳ級圍巖為主，Ⅳ級圍巖主要參數見表1。本工程施工采用新奧法，隧道開挖采用光面爆破。由于本段為Ⅳ圍巖，設計采用單圓心曲墻式襯砌結構，二次襯砌混凝土強度等級為C25，二次襯砌混凝土厚度為40 cm。

表1 Ⅳ級圍巖主要參數

2.3 外水壓力及初始地應力計算

經實測，得到該段隧道封堵前后單位長度的涌水量分別是:封堵前滲水量qs為0.009 7 m3/s;封堵后的滲水量q為0.001 68 m3/s;折減系數 β為0.6。地下水高度約為150 m，根據式(1)可計算得到外水壓力P為0.85 MPa。

本工程地處青藏高原邊緣，由于地殼運動的關系，導致初始地應力高。根據工程經驗類比和分析試算，側向壓力系數k取0.9。因此，根據式(2)和式(3)，可以得到Y方向和X方向的地應力。

2.4 計算模型及分析

選取K8+660剖面為典型計算剖面，計算區域為69.6 m×58.8 m。隧道原點為O點，隧道外輪廓半徑為5.8 m，二次襯砌混凝土厚度為0.4 m，如圖1所示。整個計算區域劃分為6 158個三角形單元，其中圍巖剖分為5 920個單元，二次襯砌剖分為238個單元，共3 223個節點。采用筆者自編程序2D-Tunnel進行有限元分析。

圖1 有限元計算

圖2 不考慮外水壓力的X方向位移(單位:m)

圖3 考慮外水壓力的X方向位移(單位:m)

圖4 不考慮外水壓力的Y方向位移(單位:m)

圖5 考慮外水壓力的Y方向位移(單位:m)

經過計算，分別得到不考慮外水壓力和考慮外水壓力的X方向和Y方向等值線圖，詳見圖2～圖5，圖中位移單位均為m。從圖中可以看出，考慮外水壓力時，計算的X方向、Y方向的值明顯偏大。從計算結果來看，考慮外水壓力時，Y方向最大變形發生在拱頂A點的正上方，變形值為-4.63 cm，而不考慮外水壓力的最大變形值為-3.70 cm;考慮外水壓力時，X方向最大變形點位于隧道右側拱角附近，最大值為1.39 mm，而不考慮外水壓力時，最大變形點位于隧道左側拱角附近，最大值為1.14 mm。比較 X、Y向變形的等值線圖可知，Y向變形遠遠大于X向變形。由此可知，承受外水壓力的隧道襯砌破壞形式以受壓破壞為主。

為了更清楚地了解考慮外水壓力與不考慮外水壓力變形值與實測值之間的關系，對該斷面進行了實際變形量測。如圖1所示，斷面測點共設3點，分別是拱頂的A點，洞周的 B、C點，3個實測點位置坐標見表2。本工程對斷面位移測量采用SL-2型位移收斂儀，其測量精度為0.01 mm。同時對拱頂A點的下沉位移測量采用高精度 Leica全站儀 TPS800型號。拱頂 A的絕對下沉值以及 A、B、C三點相對收斂位移 UA-B，UA-C和UB-C值詳見表3。表3對3個測點兩種工況計算值與實測收斂值進行了比較，從表3可見，雖然考慮外水壓力和不考慮外水壓力兩種情況得到的位移值都比實測值小，但考慮外水壓力計算得到的位移值與實測值更為接近。這樣的情況主要是本工程水壓力較大，因此，考慮水壓力情況下計算得到的位移收斂值就會更接近實際。

表2 實測點坐標

表3 測點實測值與計算值比較 mm

3 結論

本文對位于青藏高原的兩河口隧道進行了實際變形測量，并在考慮外水壓力和不考慮外水壓力的情況下進行了隧道變形的數值模擬。從計算的過程和結果看，主要有以下幾方面的體會和建議:

1)考慮外水壓力計算得到的 X、Y方向的位移值均明顯大于不考慮外水壓力時兩個方向的位移值，而且考慮外水壓力得到的位移值與實測值更為接近。

2)本工程外水壓力折減系數β取0.6是根據工程類比確定的，從計算結果來看，比較符合實際，但建議在富水地區應進行實測外水壓力。

3)由于本工程地處青藏高原邊緣，初始地應力較高，地應力側向系數的取值比較重要，取值是不能僅僅根據設計規范來確定。本次計算經試算，取值為0.9，計算結果接近實際，說明結果較合理。

4)對于外水壓力較高的隧道工程，施工中可考慮實施既能保障注漿堵水質量，又能提高加固圍巖耐久性的注漿措施，這樣既能發揮圍巖的承載性能，又能有效確保外水壓力下襯砌的安全。

5)本文對襯砌、圍巖的變形模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角等參數未進行敏感度分析，有待進一步討論。

［1］高新強，仇文革，高揚.山嶺隧道高水壓下襯砌結構平面數值分析［J］.巖土力學，2005，26(3):365-369.

［2］丁浩，蔣樹屏，楊林德.外水壓下隧道圍巖與襯砌的隨機有限元分析［J］.巖土工程學報，2009，31(4):643-647.

［3］NAM S W，BOBET A.Liner Stresses in Deep Tunnels Below the Water Table［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2006(21):626-635.

［4］BOBET A.Effect of Pore Water Pressure on Tunnel Support During Static and Seismic Loading［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2003(18):377-393.

［5］陳林杰，蔣樹屏，丁浩.公路隧道外水壓力折減規律研究［J］.重慶交通大學學報(自然科學版)，2008，27(3):383-387.

［6］唐曌.武廣鐵路客運專線瀏陽河隧道抗水壓襯砌計算分析［J］.鐵道建筑，2010(1):129-132.

［7］馬秀敏，彭華，李金鎖.襄渝鐵路增建二線—新白巖寨隧道地應力測量及其在巖爆分析中的應用［J］.地球學報，2006，27(2):181-186.

［8］徐林生，王蘭生，孫宗遠.二郎山公路隧道地應力測試研究［J］.巖石學與工程學報，2003，22(4):611-614.

［9］蔣忠信.深埋巖溶隧道水壓力的預測與防護［J］.鐵道工程學報，2005(6):37-40.

［10］孫偉亮.棋盤石隧道溶洞突水成因分析及技術處理措施［J］.鐵道建筑，2010(10):54-56.