安平隧道襯砌水壓力分析*

肖文貴， 傅鶴林

(1.龍瑯高速公路建設開發有限公司， 湖南 婁底 417000；2.中南大學， 湖南 長沙 410075)

影響隧道襯砌水壓力的因素主要有外部因素和內部因素兩類，外部因素有大氣降雨、周邊復雜水系環境和水流通道等，內部因素主要有地下水來源、圍巖的滲透系數、襯砌外加固圈和襯砌的滲透系數、地下水頭大小等。湖南龍瑯(漣源市龍塘鎮—新化縣瑯塘鎮)高速公路安平隧道地質構造復雜，施工中屢次出現巖溶突水。該文以該隧道為例，研究隧道襯砌水壓力的分布。

1 隧道巖溶突水情況

1.1 工程地質

安平隧道起訖里程為K13+198—K16+750，全長3 552 m，最大埋深342.69 m。進口右洞掌子面開挖至K13+803.5，無地下水，該處埋深305 m。原設計地質情況：微風化灰巖，偶夾泥質灰巖，層間具錯動和輕微溶蝕現象；發育有溶蝕裂隙或溶洞，地下水分布不均，基本較貧乏，但可能分布豎直型巖溶裂隙，地表連接巖溶洼地、漏斗等，為Ⅲ級圍巖(見圖1)。

圖1 安平隧道剖面圖(單位：m)

1.2 水文地質

隧道區地下水主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水，地下水補給主要來源于大氣降水、沿南北向斷層和巖溶帶的縱向遠距離補給。

設計階段的地質調查和鉆孔水位測量結果表明，洞內地下水位從進口往出口持續降低，出口段已低于隧道標高。進口段地下水基本從月光巖的溶蝕管道流出，水量約2 000 t/d，暴雨季節約2萬t/d，出水高程475.90 m。鉆孔鉆探結果顯示：洞身ZK13-3(K13+838)鉆孔水位離孔口79.50～81.20 m，水位高程684.95～686.65 m；CZK13-1(K14+440)鉆孔水位離孔口71.20 m，水位高程679.10 m；ZK15-3(K15+648)鉆孔水位離孔口80.00 m，水位高程525.00 m；CZK15-2(K16+731)鉆孔水位離孔口39.50 m，水位高程489.80 m。

1.3 巖溶發育情況

隧址區的灰巖地層巖溶較發育，分布于巖層上部，其次為沿地層傾向較發育，下部白云質灰巖及泥質灰巖地層巖溶發育一般或不甚發育，以裂隙為主。區內地層分布較復雜，巖性差異較大，地質構造復雜，斷裂發育。但由于線路展布方向與地層走向、斷裂延伸方向大角度相交或近于直交，構造對隧道的影響有限，區域地質較穩定。

K13+600—K14+800段洞身段多分布豎直型巖溶裂隙，深度較大，地表連接巖溶洼地、漏斗等，地下發育深度幾十米至幾百米不等，向下延伸至洞室，部分溶蝕裂隙影響到隧道區甚至以下，貫通的巖溶裂隙對隧道影響較大。根據ZK13-3、CZK13-1鉆孔鉆探結果，巖溶主要發育于地表以下50.0 m范圍，下部巖溶發育一般或不甚發育。

K13+750—K14+000段巖溶在地表表現為巖溶漏斗、落水洞等，根據ZK13-3鉆孔鉆探結果，上部50 m范圍內巖溶發育，局部巖溶裂隙向下延伸至洞室，貫通的溶蝕裂隙對隧道影響大。該段施工會有突水可能。

K14+000—800段巖溶地表為溶溝溶槽，根據CZK13-1鉆孔鉆探結果，該段巖溶總體發育一般，局部巖溶較發育，受構造擠壓影響，巖體較破碎，構造裂隙與巖溶裂隙相連并向下延伸至洞室，會對隧道造成較大影響。該段施工會有淋雨現象，局部會有突水可能。

從2018年12月下雪以來，一直持續陰雨天氣，其中2月有22天降雨。掌子面出水后，掌子面上方地表雖未見外露的水塘、水庫、集水坑等，但有大面積匯水區(見圖2)。

圖2 地表匯水情況

1.4 巖溶突水情況

右洞進洞之后，已施工的605 m中，前400 m(K13+640以前)主要為鈣質頁巖或夾灰巖，微風化為主，局部節理發育。K13+640以后，逐漸由鈣質頁巖變為微風化灰巖和巖溶化灰巖，圍巖完整性較好，多為中～厚層狀，巖質較硬，巖體完整性較好，局部裂隙稍發育，圍巖穩定性較好。施工中，地下水貧乏，僅局部(K13+793左側邊墻、K13+780拱頂、K13+730左側拱腰等)有滴水現象。

洞身K13+680—760段發育一道F5-1斷層帶，與路線約呈80°相交，走向北東，傾向北西，傾角約65°，巖層擠壓帶和破碎帶寬約80 m，是一條高壓富水帶。為地表水轉入地下水的入口地帶，地下水豐富，活動強烈，形成規模不等的溶蝕裂隙、溶洞甚至地下暗河，且為南北方向地下水的通道。但實際施工中發現該段圍巖完整性較好，未見地下水，按三級施工。

截至2019年3月9日，K13+803.5掌子面共施工出水孔和超前探孔16個(見圖3)。3月2日，掌子面右側拱腰附近在施作加深炮眼時出現地下水。最開始為清水，3月3日下午開始變為渾濁水。該階段隧道水流量為130 m3/h，總出水量為130 m3/h×8.5 h=1 105 m3，累計出水1 555 m3。

圖3 掌子面鉆孔布置

3月3日21：30，1#～5#孔內水量減少，但仍為渾濁泥漿水，其中5#孔內水流水平噴射距離為4 m。這種涌水情況一直持續至4日2：30第二批超前鉆孔施工完畢。該階段水流量為90 m3/h，總出水量為90 m3/h×5 h=450 m3，累計出水2 005 m3。

3月4日2：30，在5#孔四周施工6#～9#孔徑600 mm的鉆孔。其中：6#、8#孔深4.5 m，有水淌出；7#、9#孔深4.5 m，均未見水。1#孔內冒水量劇烈增加，孔高4 m，水平噴射距離8 m。5#孔內水流水平噴射距離為2 m。2#、3#、4#孔內仍持續向外流淌少量渾濁水。該冒水情況一直持續至3月4日16：10仍未變化。洞內掌子面后方地面有泥質沉淀物堆積，厚度3～7 cm。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為140 m3/h×14 h=1 960 m3，累計出水3 965 m3。

3月4日16：10，在8#孔左側40 cm位置施工10#超前鉆孔，孔徑800 mm。10#孔鉆至9 m深時開始冒水，孔高4 m，水平噴射因臺車影響無法確定，為渾濁水。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為160 m3/h×5 h=800 m3，累計出水4 765 m3。

3月4日21：30，在掌子面中間距地面4 m高的位置施工11#超前鉆孔，孔徑800 mm。11#孔鉆至10 m深時開始冒水，水平噴射距離因臺車影響無法確定，為渾濁水。1#、5#、10#孔內水量減少，水平噴射距離因臺車影響無法確定。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為150 m3/h×48 h=7 200 m3，累計出水11 965 m3。

3月6日21：30，在11#孔左側距地面4 m高的位置施工12#超前鉆孔，孔徑800 mm。12#孔鉆至9.5 m深時開始出水，為渾濁水，繼續鉆進3.5～4 m后遇到巖石。1#、5#、10#、11#孔內水量減少，總出水量變化不大，水平噴射距離因臺車影響無法確定。該階段水流量為140 m3/h，總出水量為150 m3/h×5 h=750 m3，累計出水12 715 m3。

3月9日，在13#和14#孔之間、12#孔下方分別施工15#、16#超前鉆孔，孔徑80 mm。15#孔鉆進5 m后卡鉆，孔內有渾濁水流出。16#孔共鉆進13 m，在11 m處有渾濁水流出，有2 m空腔，且在推進鉆桿過程中，11#和12#孔內有噴水現象。到3月9日23：00，出水量約為70 m3/h×48 h=3 360 m3，累計出水17 755 m3。水流情況見圖4。

圖4 隧道突水情況

K13+793左側邊墻有一爆破遺留孔，3月1日有輕微淌水。3月3日13：30，2#超前探孔施工完畢后，該孔的水流開始增大；17：30超前地質預報TSP完成，掌子面水變渾濁，該孔內水也變渾濁。3月4日凌晨，5#孔施工完畢且開始涌水后，該孔內水仍為渾濁水，但水量開始減少。

1.5 超前地質預報情況

2018年12月2日進行長度為125 m的TSP探測，該段內圍巖為微～弱風化灰巖夾硅質巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體較破碎，節理裂隙較發育，局部有地下水發育。

2019年1月20日，在YK13+753處進行超前地質鉆探，探明YK13+753—833段為微風化灰巖夾硅質巖，未發現前方有泥質、地下水、空腔體等異常情況。

2月28日，在YK13+790—820段進行地質雷達掃描探測，該段圍巖主要為微～弱風化隱晶質灰巖夾硅質巖，多呈中～厚層狀，巖體大部較完整，局部破碎，節理裂隙發育一般，巖質較硬，局部圍巖間有硅質和角礫膠結，圍巖穩定性較好。

3月3日9：00，對右洞掌子面進行地質雷達掃描，水平方向沿拱頂、拱腰、拱底布置3條測線，并在1#孔左側沿豎直方向布置1條測線，對掌子面前方情況進行探測。下午在掌子面進行TSP探測。綜合這兩次探測結果，結合現場實際情況和鉆孔情況，得出：1) YK13+803—840段面向掌子面左側和中部區域的圍巖為微～弱風化灰巖夾硅質巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部較完整，局部較破碎，節理裂隙稍發育，巖質較硬。YK13+806—809段右側區域有強裂隙水發育，YK13+810—818段右側及右側輪廓線外有溶蝕溝槽或溶洞發育，溶蝕溝槽或溶洞中有大量承壓水和泥質充填，YK13+810—818段可能發生突泥突水。2) YK13+840—880段圍巖為微～弱風化灰巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體破碎～較破碎，裂隙或溶蝕裂隙較發育。該段可能會斷續出現溶蝕溝槽或溶洞，溶蝕溝槽或溶洞中有水和泥質物充填。3) YK13+880—900段圍巖為微～弱風化灰巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部較完整，局部較破碎，節理裂隙稍發育，巖質較硬，地下水較發育。4) YK13+900—920段圍巖為微～弱風化灰巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體較破碎，局部裂隙或溶蝕裂隙較發育，巖質較硬。

3月7—8日，對隧道洞頂地表進行地質調查，在掌子面中部偏左補充進行地質雷達掃描。結合前期地質雷達掃描結果和超前探孔結果，得出：YK13+803—825段圍巖為微～弱風化灰巖夾硅質巖，多呈中～厚層狀，局部薄層狀，巖體大部完整，局部較破碎，節理裂隙較發育，巖質硬；YK13+806—809段有溶蝕裂隙和溶蝕溝槽發育，溶蝕裂隙和溝槽中含水；YK13+810—818段隧道中線往左2 m至右側有溶蝕溝槽和溶洞發育，推測該溶洞向隧道右側輪廓線外發育，溶蝕溝槽和溶洞中有水和少量泥質充填。

2 隧道襯砌水壓力

2.1 突水處理方案

(1) 根據地層揭露情況，施工風險基本可控，可進行短進尺、弱爆破開挖施工，但應制訂突水涌泥安全預警方案。

(2) 加強超前超長鉆孔探測，查明巖溶發育特征，根據巖溶形態采取合適的處治措施。若揭露巖溶為管道流，隧道施工后應恢復原有管道的連通，維持原有水系；如揭露巖溶為裂隙流，則采取以堵為主、限量排放的措施，并采用抗水壓襯砌結構。

(3) 加強隧道內監控量測及超前地質預報、地表水和地下水環境監測與調查。

2.2 襯砌水壓力計算

加固圈的滲透系數k1=3.51×10-6cm/s，襯砌的滲透系數kc=1.23×10-7cm/s，圍巖平均滲透系數k2=4.12×10-4cm/s。半徑R=32 m以外，原始滲流場水壓力與地下水水壓力相等，即Pi=50 kPa，相當于5 m高的水柱頭。基于流固耦合計算，得到圍巖、襯砌和加固圈中地下水滲透壓力分布(見圖5～7)。

圖5 圍巖中滲透水壓力分布

圖6 襯砌中滲透水壓力分布

圖7 加固圈中滲透水壓力分布

2.3 基于周邊位移計算作用在襯砌上的壓力

根據設計，隧道按照Ⅳ級加強圍巖支護，設有仰拱結構。因此，隧道拱腳約束為鉸接，假設隧道拱腳處位移忽略不計。隧道上半斷面內輪廓見圖8。通過監控量測，得到隧道拱頂豎向位移，根據豎向位移求出作用在隧道襯砌上的壓力，并將計算出的壓力簡化為徑向均布荷載(荷載沿隧道洞周范圍均勻分布)。如果考慮滲透水壓力，則該力為水壓力和圍巖壓力的總和；如果不考慮滲透水壓力，則該力為圍巖壓力。

R為拱圈半徑；δh為拱項累積下沉量；ψA為拱腳處切線的轉角(以逆時針為正)；VA、VB、HA、HB為拱腳支承反力；θ(0≤θ≤π)為拱跨結構對應的圓心角的一半；實線部分為變形前的輪廓，虛線部分為變形后的輪廓。

圖8 隧道斷面總體示意圖

圖9 隧道斷面受力示意圖

通過分析，得ψA與δh的關系近似為：

(1)

假定在2φ(0<φ<θ)范圍內兩側對稱分布徑向壓力w(隧道斷面受力見圖9)，則豎直方向的分力(分布荷載的合力在水平方向的分力為零)為：

(2)

分布荷載對A點的力矩為：

MAw=2R2wsinφsinθ

(3)

由結構力平衡及對A點的力矩平衡，有：

HB+HA=0

(4)

VA+VB-Vw=0

(5)

MAw-2RVBsinθ=0

(6)

A點的水平位移和轉角在隧道結構在荷載w作用下的關系為：

(7)

式中：EI為襯砌結構抗彎剛度；AHH=2θc2+k1(θ-sc)-2k2sc；c=cosθ；k1=1-α-β；α=I/(AR2)；β=FEI/(GAR2);F為形狀系數，取1.21；G為襯砌結構剪切彈性模型；A為襯砌斷面面積；s=sinθ；k2=1-α；AMH=AHM=k2s-θc；LPH=wRc[θ(1-cm+sn)+k1/(2c)(scm+c2n-θm-φm)+k2(sm+cn-θ-φ)]；m=cosφ；n=sinφ；AMM=1/(4s2)[2θs2+k1(θ+sc)-2k2sc]；LPM=wR/2[θ(1-cm+sn)+k1/(2s2)(θ-θcm-φsn+sc-sm)+k2(θ+φ-sm-cn)]。

將δHA=0、MA=0代入式(7)，得：

(8)

HA=L1N1

(9)

將式(8)、式(9)代入式(2)～(6)，得：

HB=-HA，VB=Rwsinφ，VA=Rwsinφ

該隧道θ=90°，二次襯砌結構為45 cmC25砼，初期支護為C20噴射砼、I20工字鋼(見圖10)，工字鋼間距d=50 cm。沿隧道縱向取0.5 m長支護結構為研究對象，襯砌拱頂累計沉降μh=0.018 m。工字鋼彈性模型Es=212 GPa，泊松比μs=0.3。砼的泊松比μs=0.2，C20和C25砼的彈性模量分別為Ec1=27.8 GPa、Ec2=30.2 GPa。

按面積加權平均得出襯砌結構的彈性模量為：

E=

圖10 襯砌結構截面圖(單位：cm)

33.623 GPa

取φ為60°，代入式(8)，得w=90.11 kN/m。

隧道襯砌應力是地下水滲透壓力和圍巖壓力之和。前文計算出的襯砌水壓力P′r1=48.771 kPa，同樣沿隧道縱向取d=0.5 m的襯砌來研究，求得該段襯砌上的徑向均布水壓力為：

qr1=dP′r1=0.5×48.77≈24.39 kN/m

襯砌上的圍巖壓力為：

qd=w-qr1=65.72 kN/m

水壓力qr1在總壓力w中所占比例為27.07%。為保障隧道的安全，在巖溶發育地段進行襯砌結構設計時要重視地下水壓力。

3 結論

(1) 隧道滲流場與圍巖和襯砌材料的滲透系數相關，同時受圍巖加固圈及加固體的滲透系數大小的影響。

(2) 荷載大小因滲透系數的改變而改變，滲流場的分布與水壓頭有關，巖溶處理方案制訂中應充分考慮這一點。