高水壓富水山嶺隧道不同排水率的分析研究

姚俊峰,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

高水壓富水山嶺隧道不同排水率的分析研究

姚俊峰,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

以某富水區山嶺隧道為工程背景,通過建立有限元地層結構模型,對隧道結構在高水壓力作用下的力學行為進行模擬分析,得出排水率對襯砌外側水壓力分布規律以及襯砌結構受力情況變化規律的影響。研究結果表明:通過改變排水率可以有效降低襯砌外側水壓力,但過低的降低排水率,襯砌外側水壓力降低效果不明顯。

山嶺隧道;排水率;水壓力;襯砌受力

1 概述

長期以來,隧道水荷載計算及地下水治理是隧道工程界的一大難題,也是地下工程亟需解決的問題。關于水荷載發表了不少相關文獻:宋超業等在海底隧道襯砌水荷載計算中分析了水荷載作用機理[1];汪磊等在海底隧道預注漿加固效果與評價中,分別用公式法、數值模擬及實驗方法對注漿效果進行研究[2];王建秀等在深埋隧道襯砌水荷載計算的基本理論中,對滲流場和外水壓力作用系數進行了研究[3];何明磊等結合解析解與數值解分析研究了襯砌厚度、注漿圈滲透系數與注漿圈厚度等因素對隧道襯砌水壓力荷載及內力的影響[4];郭瑞、周曉軍基于Flac3D流固耦合機理研究了注漿圈滲透系數、注漿圈厚度、襯砌滲透系數及控制排水對襯砌水荷載的影響并與軸對稱解析解對比分析[5]等。

隨著隧道的設計標準不斷提高,隧道防排水設計應進一步加強其系統性,排水與防水應緊密結合,尤其應注重隧道排水系統對防水的基礎性作用[6]。

在以往富水區隧道的建設過程中,為有效降低襯砌承擔的水壓力,一般采用“以排為主,堵排結合”的方法。但隧道排水會對周圍生態造成破壞。特別是隨著我國可持續發展戰略的推進,講究工程與周圍環境和諧相處,富水區隧道必須采取“以堵為主,堵排結合”的方針。如此一來,勢必造成隧道襯砌的外水壓力增加。因此,研究分析襯砌外側水壓力的分配規律,制定合理的堵排方案,將直接影響到隧道的安全性與經濟性。以某隧道為例,通過數值分析以及和模型試驗數據進行對比的方法,對不同方案下襯砌外側水壓力分布以及襯砌結構受力進行分析研究。

2 數值模擬

以某富水深埋山嶺隧道為工程背景,該隧道埋深800 m;由于該隧道穿越區地質構造強烈,部分區段圍巖破碎,屬Ⅳ～V級圍巖;同時構造區內溶洞較多,含水量豐富,最大水頭約為450 m。隧道斷面為圓形,毛洞外徑為12.0 m,相應力學參數[7]見表1、表2。

表1 圍巖力學參數

表2 襯砌及注漿圈參數

采用FLAC-3D軟件對隧道結構進行建模,網格模型如圖1所示,模型尺寸為100 m×2.0 m×100 m,而上部圍巖垂直壓力采用施加面力荷載的方式實現,側邊施加水平向面力邊界條件,底部采用固定邊界[8]。由于圍巖滲透系數較小,隧道開挖對周圍圍巖水壓的影響區域有限,假定模型周圍邊界的水壓值保持不變,即為常水頭邊界。襯砌、圍巖、注漿圈均采用8節點四面體單元模擬,采用摩爾-庫侖理想彈塑性本構模型。

圖1 水壓力分布計算模型

為了研究限量排水方案下隧道襯砌外側水壓力以及襯砌的受力特征,定義排水率為實際排水量與排水能力之比,設置以下幾種工況[9]:(1)全封閉不排水; (2)排水率20%;(3)排水率40%;(4)排水率60%; (5)排水率80%;(6)全排水不封閉。

3 襯砌外側水壓力分析

不同排水率工況下襯砌外側各監測點的水壓力折減系數如表3所示,相應的水壓力折減系數變化曲線如圖2所示。可以看出,在排水率一定的情況下,襯砌外側水壓力大體呈現出拱頂處水壓力最大,排水管處水壓力最小。這主要是水力梯度不同導致的,拱頂處水力梯度最大,排水管處水力梯度最小。隨著排水率的增加,襯砌外側水壓力折減系數不斷減小,且大體呈線性關系。

表3 各工況下監測點水壓力折減系數

圖2 不同工況下襯砌外水壓力折減系數變化曲線

4 襯砌結構安全性分析

襯砌結構的安全度通過《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)[10]中的破損階段法來判斷。

對混凝土矩形截面構件,當偏心距e0＜0.2h時,即抗壓強度控制承載力

式中 Ra——混凝土的抗壓極限強度;

Nj——混凝土軸向承載力;

b——截面的寬度;

h——截面的厚度;

φ——構件的縱向彎曲系數,對于貼壁式隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻,可取φ=1.0;

α——軸向力的偏心影響系數,其計算公式為

當偏心距e0大于0.2h時,即抗拉強度控制承載力時

式中 Rl——混凝土的抗拉極限強度;

e0——截面偏心距。

安全系數

式中 N——截面軸向力。

規范中規定了混凝土結構的安全系數的最小值:抗壓強度控制截面承載力時,安全系數取2.4;抗拉強度控制截面承載力時,安全系數取3.6。

在不同排水率工況下,襯砌結構各監測點在不同工況下的彎矩、軸力計算值如表4所示。可以看出,排水率一定時,襯砌各監測點的軸力值基本相同,隨著排水率的增加,襯砌外側水壓力的不斷減小,襯砌各監測點軸力值也在逐漸變小。

根據破損階段法計算出的各監測點在不同工況下的安全系數如表5所示。可以看出,6種工況下各監測點位置的偏心距均很小,小于0.2h,所以均為混凝土的抗壓強度控制截面承載力。隨著排水率的增加,襯砌截面的安全系數不斷增大。且當排水率小于60%時,安全系數小于2.4,不滿足規范要求。當排水率大于60%時,安全系數大于2.4,滿足規范要求。因此,在實際工程中,應綜合分析襯砌結構厚度、混凝土強度等級、襯砌外側水壓力大小以及不同防排水模式的適用性和經濟性等因素綜合確定排水系統的排水率。

表4 不同排水率工況下襯砌各監測點內力

表5 不同排水率工況下襯砌各監測點安全系數

5 數值解與模型試驗對比分析

為了驗證數值法計算得出的富水區山嶺隧道滲流場分布規律的正確性與實用性,將數值法計算得出的滲流場分布規律與模型試驗得出的滲流場分布規律進行對比分析,互相驗證,從而為實際工程中通過調節排水率來控制襯砌外側水壓力的方法提供依據與保證。本節引用北京交通大學杜朝偉、張鵬[11-12]等人所做的模型試驗數據,分析試驗結果,總結滲流場分布規律。由于在用數值方法進行滲流場分析時所考慮的因素與該模型試驗所考慮的因素不同,導致襯砌外側水壓力也不相同,所以本節旨在研究滲流場分布規律的對比。

根據試驗方案,分別考慮了排水量為0、6.85、15.26、27.03、37.89、43.28 mL/s和55.83 mL/s 7種工況下的襯砌外側水壓力測試,分別對應的排水率為0%、12.27%、27.33%、48.41%、67.87%、77.52%和100%。

不同工況下襯砌外側水壓力折減系數見表6,相應的襯砌外側水壓力折減系數變化曲線如圖3所示。對比圖2和圖3可知,水壓力折減系數隨著隧道排水率的變化趨勢基本一致,均呈現出隨著隧道排水率的不斷增大,隧道襯砌外側水壓力折減系數不斷變小,且近似呈線性變化趨勢。

表6 各工況下監測點水壓力折減系數

6 結論

通過對不同排水率的各種工況進行數值模擬分析并與模型試驗結果進行對比,可以得出如下結論。

(1)在排水率一定的情況下,襯砌外側水壓力大體呈現出拱頂處水壓力最大,排水管處水壓力最小。這主要是水力梯度不同導致的,拱頂處水力梯度最大,排水管處水力梯度最小。隨著排水率的增加,襯砌外側水壓力值不斷減小,且大體呈線性關系。

(2)根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)的破損階段法來計算襯砌結構的安全系數,可知隨著排水率的增加,襯砌結構的安全系數不斷增大。且對于本次的數值模擬情況,當排水率小于60%時,襯砌結構的安全性不滿足規范要求,當排水率大于60%時滿足規范要求。

(3)通過對比模型試驗結果和數值模擬計算結果,可以看出隨著排水率的增加,兩者的水壓力分布規律基本一致,相互驗證。從而可以為實際工程中,通過數值方法計算襯砌外側水壓力隨著排水率的變化規律提供一定程度上的依據和保證。

圖3 不同工況下襯砌外側水壓力折減系數變化曲線

[1] 宋超業,周書明,譚志文.海底隧道襯砌水荷載計算[J].現代隧道技術,2008(S):134-138.

[2] 汪磊,李濤,王全勝.海底隧道預注漿加固效果與評價[J].鐵道標準設計,2010(12):83-88.

[3] 王建秀,楊立中,何靜.深埋隧道襯砌水荷載計算的基本理論[J].巖石力學與工程學報,2002,21(9):1339-1343.

[4] 何明磊,胡磊,孟祥磊.隧道襯砌水壓力荷載及內力研究[J].鐵道標準設計,2014,58(2):79-83.

[5] 郭瑞,周曉軍.水底隧道復合式襯砌水壓力影響因素分析[J].鐵道標準設計,2014,58(4):78-82.

[6] 馬志富.鐵路隧道防排水設計探討[J].鐵道標準設計,2011(5): 76-78.

[7] 高新強.高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規律研究[D].成都:西南交通大學,2005.

[8] 潘建明.高水壓山嶺隧道襯砌水壓力有限元分析方法[J].長沙鐵道學院學報,2006,7(3):210-213.

[9] 張鐸,張瑩.地下水不同控制排放方案對隧道結構與環境的影響分析[J].鐵道標準設計,2012(2):95-98

[10]中華人民共和國交通部.JTG D70—2004公路隧道設計規范[S].北京:人民交通出版社.2004.

[11]杜朝偉.海底隧道襯砌水壓力及結構受力特性究[D].北京:北京交通大學,2011.

[12]張鵬.海底隧道襯砌水壓力分布規律和結構受力特征模型試驗研究[D].北京:北京交通大學,2008.

Study on the Different Rates of Drainage of Mountain Tunnels in High Water Pressure and Water-enriched Region

YAO Jun-feng,YANG Qi-xin,JIANG Ya-jun
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

This paper,based on the engineering practices of mountain tunnels in high water pressure and water-enriched region,simulates and analyzes the mechanical behavior of the tunnel structure in high water pressure and water-enriched region by establishing a finite structural model with soil layers.The effects of the rate of drainage on the external water pressure on lining and on the stress of lining structure are identified.The study results show that adjusting the rate of the drainage can effectively reduce the external water pressure on lining,but the rate of the drainage too low reduces the external water pressure on lining less obviously.

Mountain tunnel;Rate of drainage;Water pressure;Stress of lining

U451

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.027

1004-2954(2014)12-0113-03

2014-03-05;

2014-04-18

姚俊峰(1987—),男,碩士研究生,E-mail:398184707@ qq.com。