基于流固耦合的高水壓隧道支護結構研究

周元輔, 王 智, 索曉慶, 張學富, 丁燕平

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074; 2. 山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074)

0 引言

長大山嶺隧道的建設穿過高水壓地區的概率極大。在這類地區修建隧道時，高水壓可能造成巨大經濟損失，甚至出現人員傷亡，因此地下水問題成為決定隧道設計、施工和運營的關鍵性問題之一[1-2]。學者們通過試驗、數值模擬、理論推導等手段分析了滲流場和應力場的耦合作用，研究結果為隧道設計和施工提供一定的理論支撐[3-6]。基于流固耦合理論和高水頭隧道工程實踐經驗，學者們圍繞新奧法理念，發展了“以堵為主，限量排放”的地下水處治理念，形成了以徑向注漿、帷幕注漿為核心的技術手段，注漿能夠加固圍巖使之承受一部分水壓并阻斷地下水流向隧道的通道[1,7-8]。在水壓過高時，設置橫向泄水孔和豎向降壓孔能降低支護結構所受水壓[9-10]，達到限排目的。但由于同一隧道不同區段的水壓大小不同，應根據隧道的不同區段實際水文情況設計不同的隧道注漿參數、工藝等以確保隧道安全經濟地通過高水壓段[7,11-12]。此外，提高二次襯砌強度也是隧道穿越高水壓區段的常規設計，但高強度襯砌與標準斷面襯砌相比，其厚度和配筋率都顯著增大,對高分子防水板的要求也較高[13-14]，由于此種高強度襯砌相對較厚，其施工相對不便，二次襯砌也不能及時承受水壓。雖然雙層初期支護(2層噴射混凝土和鋼拱架組合結構)能夠成功控制隧道大變形[15-19]，但采用雙層初期支護能否承受高水壓、減小二次襯砌厚度和增強防水效果值得研究。

為了獲得雙層初期支護的效果和基于雙層初期支護的結構參數，本研究以某雙向4車道高速公路隧道為例，基于有限差分法分析單層初期支護和雙層初期支護在不同防滲等級(P2～P8)、防滲等級為P8時不同注漿范圍(2～6 m)、防滲等級為P8且注漿范圍為4 m時不同襯砌厚度(0.4～0.8 m)等工況下圍巖變形、噴射混凝土和二次襯砌的應力變化規律。

依托工程隧道左幅長5 640 m，右幅長5 647 m，最大埋深約301 m。隧址區屬構造溶蝕峰叢洼地、谷地地貌區。隧道右線施工過程中因水壓巨大發生了突泥涌水事故，該斷面埋深135 m左右。

為保障施工進度和安全，將標準斷面襯砌調整為抗水壓襯砌。為優化襯砌厚度，設計了單層初期支護(圖1(a))和雙層初期支護(圖1(b))2種方案，后者比前者多設計了1層噴射混凝土和鋼拱架。2種方案的其他支護參數相同，超前支護為2排φ42 mm注漿小導管，長4.5 m，第1排外插角為10°，第2排外插角為20°。系統錨桿由φ42注漿小導管代替，長6 m，間距50 mm，梅花形布置。初期支護為C25噴射混凝土(28 cm)+鋼筋網(φ8，20 cm×20 cm)+工字鋼鋼架(I22b，50 cm/榀)的組合結構,二次襯砌為C40鋼筋混凝土。

圖1 高水壓段支護結構(單位:cm)Fig.1 Supporting structure of high water pressure segment(unit:cm)

1 數值模型與計算參數

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

數值模型尺寸為92 m×127 m×1 m，左右邊界距隧道40 m，上邊界距隧道95 m，下邊界距隧道23 m(見圖2)。圍巖、注漿區及初期支護均用實體單元模擬，二次襯砌用殼單元模擬。圍巖和注漿區的本構關系采用摩爾-庫倫準則，其他材料均為彈性。其中初期支護包括噴射混凝土和型鋼拱架，材料參數按照等效剛度法獲得。力學邊界為：前后及左右邊界施加法向約束，下邊界施加固定約束。滲流邊界為：底部不透水，其余邊界均透水。計算中初始應力僅考慮自重應力，在施工模擬中考慮流固耦合效應，流固耦合模式采用單向耦合。在計算模型中，選擇點A作為拱頂下沉的監測點，點B、點C作為水平收斂的監測點。

計算參數基于試驗和文獻[20]獲得，巖石孔隙率為0.3，二次襯砌采用shell單元模擬，沒有考慮滲透系數，其余計算參數取值見表1。

表1 計算參數Tab.1 Calculation parameters

2 分析工況

本研究分析了應用單層初期支護和雙層初期支護在不同防滲等級下的圍巖和支護結構力學狀態，設置了P2，P4，P6，P8共4個防滲等級。當使用防滲等級為P8的雙層初期支護時，注漿范圍為2，4，6 m；當應用防滲等級為P8的雙層初期支護和注漿范圍為4 m時，二次襯砌厚度為0.6 m和0.4 m。共計13個計算工況(見表2)。

表2 計算工況Tab.2 Calculation conditions

3 結果分析

3.1 圍巖變形

拱頂下沉和周邊收斂是分析圍巖變形特征的主要指標。圖2中的測點A豎向位移為拱頂下沉，測點B，C連線的位移變化為水平收斂。

(1) 不同防滲等級對圍巖變形的影響

工況1～4(單層噴射混凝土，不同抗滲等級)之間的拱頂下沉和水平收斂差值很小，在1 mm以內，工況5～8(雙層噴射混凝土，不同抗滲等級)之間的拱頂下沉和水平收斂差值也在1 mm以內。由此表明，在初期支護類型相同時，噴射混凝土的防滲等級對拱頂下沉和水平收斂影響甚微。當使用單層初期支護時，拱頂下沉和水平收斂約為2 cm和2.9 cm；當使用雙層初期支護時，拱頂下沉和水平收斂約為1.4 cm和1.8 cm。總體來看，水平收斂值大于拱頂下沉(見圖3)。在其他條件相同時，施作雙層初期支護的拱頂位移和水平收斂比施作單層初期支護分別減小30%和37%。由此可見，雙層初期支護對控制圍巖變形非常有效，更有利于圍巖穩定。

(2) 不同注漿范圍對圍巖變形的影響

堵水是隧道高水壓段圍巖注漿的主要目的，加固圍巖可提升圍巖的防滲性能。工況9～11的拱頂下沉和水平收斂(見圖3)表明，隧道開挖階段釋放了大部分圍巖變形，開挖后圍巖注漿對圍巖變形影響較小。

圖3 圍巖變形Fig.3 Deformation of surrounding rock

圖4 不同防滲等級的初期支護主應力最值Fig.4 Maximum and minimum principal stresses of primary lining with different impervious grades

(3) 不同二次襯砌厚度對圍巖位移的影響

工況10，12～13(雙層噴射混凝土，改變二襯厚度)之間的拱頂下沉和水平收斂差值與工況9～11差值在1 mm以內。二次襯砌是在圍巖變形收斂之后施作，也是最后施工的隧道主體結構。工況10，12，13的拱頂下沉和水平收斂表明圍巖變形受襯砌厚度影響較小。

3.2 初期支護應力

雙層初期支護中首次施作的噴射混凝土和鋼拱架等為第1層初期支護，之后施作的初期支護為第2層初期支護。

(1) 不同防滲等級對初期支護應力的影響

雙層初期支護對初期支護的應力狀態影響顯著，但初期支護的不同防滲等級對其應力影響非常小(見圖4)。可以看出，其他條件相同時，單層初期支護的最小主應力最小值約7.7 MPa(壓應力)，最大主應力最大值約1.3 MPa(壓應力)；雙層初期支護的最小主應力最小值約4.4 MPa(壓應力)，最大主應力最大值約0.7 MPa(壓應力)。應用雙層初期支護時，最小主應力最小值比應用單層初期支護減小了42%，最大主應力最大值減小了46%。

(2) 不同注漿范圍對初期支護應力的影響

圖5 不同注漿范圍時的初期支護主應力最值Fig.5 Maximum and minimum principal stresses of primary lining with different grouting areas

圍巖注漿導致初期支護應力增大，當注漿范圍大于4 m后，圍巖注漿對初期支護的應力影響較小(見圖5)。使用雙層初期支護時，2 m圍巖注漿使第1層初期支護最小主應力從4.3 MPa(壓應力)減小到2.8 MPa(壓應力)，第2層初期支護最小主應力從3.2 MPa(壓應力)減小到2.1 MPa(壓應力)，2層初期支護最大主應力都從0.69 MPa(壓應力)減小到0.48 MPa(壓應力)。注漿范圍從2 m增大到4 m 時，第1層初期支護最小主應力從2.8 MPa(壓應力)減小到1.4 MPa(壓應力)，第2層初期支護最小主應力從2.1 MPa(壓應力)減小到1.2 MPa(壓應力)，2層初期支護最大主應力都從0.48 MPa(壓應力)減小到0.28 MPa(壓應力)。注漿范圍從4 m增大到6 m時，第1層初期支護最小主應力從1.4 MPa(壓應力)減小到1.3 MPa(壓應力)，第2層初期支護最小主應力從1.2 MPa(壓應力)減小到1.1 MPa(壓應力)，2層初期支護最大主應力都從0.28 MPa(壓應力)減小到0.24 MPa(壓應力)。

(3) 不同二次襯砌厚度對初期支護應力的影響

使用雙層初期支護時，二次襯砌厚度對初期支護的最大主應力影響較小，對最小主應力有一定影響(見圖6)。其他條件相同，圍巖注漿范圍為4 m，二次襯砌厚度從40 cm增大到60 cm時，第1層初期支護最小主應力從2.1 MPa(壓應力)減小到1.6 MPa(壓應力)，第2層初期支護最小主應力從2.0 MPa(壓應力)減小到1.4 MPa(壓應力)。二次襯砌厚度從60 cm增大到80 cm時，第1層初期支護最小主應力從1.6 MPa(壓應力)減小到1.5 MPa(壓應力)，第2層初期支護最小主應力從1.57 MPa(壓應力)減小到1.2 MPa(壓應力)。由此可知，隨著二次襯砌厚度減小，初期支護的最小主應力值逐漸增大，最大主應力基本無影響。

3.3 二次襯砌內力分析

(1) 不同防滲等級對二次襯砌內力的影響

二次襯砌在設計中常作為安全儲備考慮，其受力狀態對隧道結構安全產生重要影響。計算表明，本隧道的二次襯砌軸力和彎矩最大值都在墻腳區域。其他條件相同，采用雙層初期支護時，二次襯砌的最大彎矩和軸力分別為220 kN·m和1 600 kN (受壓)；采用單層初期支護時，最大彎矩和軸力分別為500 kN·m和2 950 kN(受壓)。雙層初期支護使二次襯砌的最大彎矩和軸力分別減小56%和45%。因而，雙層初期支護的使用顯著減小了二次襯砌內力，但是初期支護的防滲等級影響甚微(見圖7)。

圖7 不同防滲等級的二次襯砌內力最大值Fig.7 Maximum internal forces of secondary lining with different impervious grades

(2) 不同注漿圈范圍對二次襯砌內力的影響

使用雙層初期支護時，圍巖注漿對二次襯砌的內力影響明顯(見圖8)。當采用防滲等級為P8的80 cm厚的雙層初期支護，不使用圍巖注漿時，彎矩和軸力最大值分別為220 kN·m和1 600 kN(受壓)；注漿范圍為2 m時，彎矩和軸力最大值分別減小了32%和32.4%；注漿范圍為4 m的彎矩和軸力最大值比注漿范圍為2 m分別減小了42%和43%；當注漿范圍為6 m時，彎矩和軸力最大值比注漿范圍為4 m 分別減小了11.7%和13.5%。因此，當注漿范圍大于4 m之后，注漿范圍對二次襯砌內力影響較小。

圖8 不同注漿范圍時二次襯砌的內力最大值Fig.8 Maximum internal forces of secondary lining in different grouting areas

(3) 不同二次襯砌厚度對其內力的影響

使用雙層初期支護時，二次襯砌的厚度越大，其彎矩最大值越大，軸力最大值越小(見圖9)。當注漿范圍為4 m，二次襯砌厚度為40 cm時，其軸力和彎矩分別為16 kN(受壓)和497 kN·m；二次襯砌厚度為60 cm時，其軸力和彎矩分別為45.6 kN(受壓)和590 kN·m；二次襯砌厚度為80 cm時，其軸力和彎矩分別為85.4 kN(受壓)和614 kN·m。當應用雙層初期支護且二次襯砌的厚度為40 cm時，基于《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[20]獲得二次襯砌的最小安全系數為40，大于該規范規定值。因此，使用雙層初期支護時二次襯砌的厚度可大幅減小且能保障二次襯砌結構的安全。

圖9 不同二次襯砌厚度時二次襯砌的內力最大值Fig.9 Maximum internal force of secondary lining with different thicknesses of secondary lining

4 結論

通過數值模擬分析了不同滲透等級、注漿范圍及二次襯砌厚度的單、雙層初期支護時的高水壓隧道支護結構受力狀態，可得到如下結論：

(1)圍巖變形、初期支護和二次襯砌的力學狀態基本不受防滲等級影響。雙層初期支護能夠減小圍巖變形、二次襯砌內力、初期支護最小主應力及最大主應力。

(2)在其他條件相同的情況下，施作雙層初期支護的拱頂位移和水平收斂比施作單層初期支護分別小30%和42%。與之相比，增大圍巖注漿范圍和二次襯砌厚度對圍巖變形的影響較小。

(3)雙層初期支護最大應力的絕對值比單層初期支護明顯減小，但初期支護應力對防滲等級不敏感。隨圍巖注漿范圍的增大，初期支護應力增大明顯。增大二次襯砌厚度對初期支護的最小主應力有一定影響。

(4)雙層初期支護的使用顯著減小了二次襯砌內力，但是初期支護防滲等級對二次襯砌的內力影響可以忽略。使用雙層初期支護時，圍巖注漿對二次襯砌的內力影響明顯，但是當注漿范圍大于6 m后，注漿范圍對二次襯砌內力影響較小。使用雙層初期支護時，二次襯砌的厚度越大，其彎矩最大值越大，軸力最大值越小。