長期浸水對未完工隧洞圍巖及襯砌結構的影響

冉建西

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)04—0046—03

長期浸水對未完工隧洞圍巖及襯砌結構的影響

冉建西

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

新疆某無壓輸水隧洞飽和水土體洞段在未完工的情況下被水長時間浸泡，造成圍巖二次加速變形，通過浸水前后收斂變形數據反演土體物理力學參數，并對隧洞襯砌結構內力及配筋結果進行對比驗算。

長期浸水;無壓輸水隧洞;飽和水土體;圍巖變形;反演計算;襯砌內力。

1 某隧洞浸水情況概述

隧洞停工期間沒能抽水，造成全洞淹沒8個月。當時，豎井水深23 m，主洞埋深92 m左右，開挖進尺136 m，圍巖類別主要為低液限粉土，局部含夾砂礫薄層，隧洞僅完成一次噴錨支護。恢復施工后，為減小地下水位突然下降對洞周圍巖的破壞，歷時25 d緩慢抽干隧洞，發現樁號3+345 m掌子面塌方。

一次支護：鋼拱架噴錨支護，C20噴射混凝土厚15 cm，掛網鋼筋為Φ6.5@120×120 mm；錨桿為擊入式錨桿，錨桿直徑20 mm，L=1.5 m，梅花形布置，環向間距0.8 m；洞壁安裝I14工字鋼拱架，間距0.5 m。二次襯砌：C25鋼筋混凝土，底拱厚50 cm，側、頂拱厚40 cm。

2 浸水前后隧洞圍巖變形和土體力學參數對比

本工程為軟土隧洞，在未完成襯砌澆筑的情況下長期被淹沒于地下水中，洞周土體在飽和水的滲泡和滲透破壞的共同作用下變形加大、變形速度加快。在此整理較為典型的3+334 m斷面浸水前后收斂累計位移值-時間曲線、速率-時間曲線[1]，如圖1所示。

圖1 3+334 m斷面收斂變形位移、速率-時間曲線圖

樁號3+334 m斷面共計監測344 d，其中第17～258天為隧洞浸水期。圖1中可以看出，浸水期內隧洞變形速率較小，隧洞排干后原本已趨于穩定圍巖又突然加速變形，變形速度加快1.5～4倍，收斂變形量出現峰值，頂拱測得的最大累計變形值為29 mm，邊墻最大累計變形值為62 mm，兩者相差2.1倍，邊墻變形受浸水影響較大。經觀察，一次支護噴射混凝土拱頂及拱間位置出現縱向裂縫。

土體及支護系統長時間在水的浸泡下，一方面使得土體及支護系統強度進一步惡化，同時，降低了土體顆粒間的摩擦系數和粘聚力，約束條件下降。另一方面排水時土體內部形成滲流通道，在圍巖內產生了指向洞內的滲透動水壓力。因此，通過現有監測斷面得到的隧洞浸水前后的變形數據反演，3+334 m斷面洞周土體物理力學參數設計值、反演值對比[2]見表1。

表1 3+334 m斷面低液限粉土物理力學參數

通過反演分析，樁號3+334 m斷面受水浸泡后土體發生軟化，泊松比較原設計增加16%，當泊松比由小變大時，側壓力系數[μ/(1-μ)]也隨之變大。圍巖強度參數中變形模量較原設計降幅40%，粘聚力下降46.7%，內摩擦角減少8.8%，說明低液限粉土受飽和水浸泡后，對粘聚力和變形模量力學性能影響較為明顯。

3 浸水前后襯砌結構內力比較與配筋的變化

本工程為無壓隧洞，外荷載起主導作用，襯砌結構分別采用結構力學方法、有限元法計算。結構力學法利用普氏塌落拱理論計算山巖壓力，理正隧洞結構設計軟件計算襯砌設計內力值。有限元法利用巖土工程數值仿真分析軟件FINAL復核計算，采用Mohr-Coulomb屈服準則判斷圍巖在開挖過中的塑性屈服狀態，襯砌采用BEAM6曲梁單元模擬。3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力值匯總及比值分別見表2、3。

表2 3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力值匯總表

表3 3+334 m斷面隧洞浸水前后襯砌彎矩和軸力的比值表

通過對表2、3分析，頂拱浸水前后內力比值在2倍左右，而側、底拱浸水前后內力比值在3倍左右，側、底拱內力值受浸水影響較大，這與隧洞收斂變形監測結果規律一致。襯砌計算配筋由原Φ18@200 mm增加至Φ22@200 mm，混凝土含鋼量由89.29 kg/m3增加至119.33 kg/m3，鋼筋用量增加33.6%，需要對隧洞襯砌結構重新配筋。

4 結 語

本工程輸水隧洞同時具有軟巖、滲水量大的特點，由于停工期排水不到位，造成洞周土體浸泡軟化，降低了圍巖物理力學參數，致使襯砌配筋增大。我們應吸取教訓，在飽和水土體隧洞未完成襯砌時，切不可停止洞內排水工作，避免高水位浸泡隧洞，造成不必要的經濟損失。另外，未襯砌隧洞長期浸水造成土體軟化，巖石力學參數性能降低的機理還不夠清晰，有待進一步剖析和研究。

[1] 鄭甲佳,趙可.圍巖浸水對黃土地鐵隧道穩定性影響分析[J].鐵道學報,2011,(02)：91-95.

[2] 江波.布倫口-公格爾水電站導流洞塌方處理及探討[J].廣西水利水電,2010,(01)：47-48.

[3] 李冠楠.復雜地質條件下小斷面排水隧洞塌方處理及預防措施[J].西北水電,2014,(01)：41-46.

Impacts on Surrounding Rock and Lining of Uncompleted Tunnel Immersed in a Long Term

RAN Jian-xi

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000, China)

The uncompleted and saturated section of one pressure-free water transmission tunnel in Xinjiang is immersed in a long term. This causes a secondary expediting deformation of the surrounding rock. Through the data of convergence and deformation of the surrounding rock before and after being immersed, the physical-mechanics parameters of the soil mass are derived in inversion. Meanwhile, the internal forces and reinforcement arrangement of the tunnel lining are compared and verified. Key words:long-term immersion; pressure-free water transmission tunnel; deformation of surrounding rock; inversion calculation; internal force of lining

2014-11-10

冉建西(1982- )，男，新疆和靜縣人，工程師，主要從事新疆水利水電工程設計工作.

TV672.1

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.012