富水軟弱地層小凈距隧道襯砌結構受力特征分析

■劉曉飛

（廣西路建工程集團有限公司，南寧 530001）

隨著西部大開發戰略、“一帶一路”倡議等國家重大戰略規劃的不斷實施，我國高速公路隧道的數量和里程得以快速增長。 隧道作為交通基礎設施的重要組成部分，具有投資高、建設周期長、技術復雜、風險因素多等特點。 各種結構性病害不是孤立存在的， 一種病害的發生會加劇其他病害的發展，從而降低隧道結構的承載力和耐久性，影響行車舒適性，威脅行車安全。 在中西部，地形地質條件復雜多變、地下水水力路徑縱橫交錯，尤其是富水條件下水壓導致軟弱地層隧道襯砌結構變形問題成為了工程建設中亟待解決的重要難題。 交通行業人員為預防地下工程突水災害的發生進行了大量研究，取得了許多成果，如Liu 等[1]驗證了含水量增加會引起圍巖膨脹軟化， 增加襯砌結構的不均勻荷載，從而導致襯砌開裂；Gao 等[2]研究了不同埋深下穿越相交斷層的作業隧道漏水發生機理及演化規律；Zhang 等[3]基于流固耦合效應，通過數值模擬揭示了突泥演化規律，揭示了開挖擾動和富含泥漿的斷層在地下水中易軟化崩解是突泥的關鍵觸發因素；Fan 等[4]通過電阻率、水含量和磁共振探測松弛分布來表征危險物體和內部填充材料，實現掌子面前含水狀況的表征和危險體的建模；Xu 等[5]采用雷達掃描、鉆孔取芯、激光掃描等手段，揭示隧道病害特征及隧道故障原因，提出了針對隧道襯砌開裂、滲水、倒隆起等病害的解決方案；Jiang 等[6]針對富水區隧道圍巖開挖損傷區問題，提出一種新的滲流—應力—損傷耦合模型；Zhang 等[7-8]通過一系列模型試驗研究了水下隧道襯砌在水壓作用下的承載機制和隧道襯砌的承載機制；Fan 等[9]對富水巖溶隧道襯砌結構水壓分布規律，以及巖溶內力對富水巖溶隧道襯砌及半包半排水的適用性進行了分析；Ding 等[10]為獲得徑向注漿和帷幕注漿的效果及參數， 分析了不同注漿范圍對隧道圍巖及支護結構的影響；Ye等[11]探討了在飽和粉砂層盾構中采用土壓平衡法時，開挖面大量涌水對管片襯砌損傷的影響；徐強[12]考慮了不同水頭高度，開展富水巖溶隧道襯砌水壓力分布模型試驗，揭示富水巖溶隧道分別沿縱向和斷面的襯砌水壓力分布特征。

上述學者針對隧道在富水環境下的問題開展了大量研究， 為富水隧道的結構設計奠定了基礎。目前在水壓狀態下的隧道工程中，存在2 個關鍵問題是圍巖的穩定性和支撐結構的力學特性。 在此基礎上，筆者根據以往研究[13-17]，采用MIDAS GTS 軟件建立三維數值模型，模擬隧道前方不同滲水壓力和開挖步數作用下的襯砌應力變化。 研究成果可為富水軟弱地層公路隧道開挖設計與抗水壓襯砌穩定性提供參考，提高富水隧道施工效率。

1 工程概況及涌水計算

1.1 工程概況

觀音山隧道是水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）重點工程。 觀音山隧道設計為雙線分離式小凈距隧道，兩線均為單向雙車道，設計速度100 km/h。 隧道左線起止樁號為ZK29+272～ZK34+062，全長為4790 m，右線起止樁號為YK29+256～YK34+076，全長為4820 m，屬特長隧道。 隧道內輪廓采用半徑5.8 m 單心圓曲墻式斷面形式， 建筑限界凈寬10.75 m，凈高5 m。 隧道V 級圍巖區段開挖采用預留核心土法及CD 法，IV 級圍巖區段采用臺階法，III 級圍巖區段采用全斷面法， 隧道采用超前小導管注漿支護。 隧道橫縱斷面及圍巖分布縱斷面如圖1 所示。

圖1 隧道圍巖破碎段地質橫縱斷面

富水地層是一種分布廣泛、厚實的不利地質構造，地層均勻性差，結構疏松，滲透性強。 軟弱地層隧道襯砌受水壓致災原因主要為軟弱圍巖破碎，巖體節理裂隙發育，同時地下水會沿著裂隙向掌子面外流動，形成涌水，可溶性礦物流失，軟化作用明顯。隧道區域夏季降雨豐富，多年平均降雨量為1340～1500 mm，最大一日降水強度達283.2 mm，大范圍的降雨入滲增加了隧道地下水位和孔隙水壓，在靜、動水壓力作用下削弱了圍巖抗剪強度，增加了初期支護荷載壓力，致襯砌開裂，同時可能存在支護設計考慮不足等問題。

1.2 涌水計算

觀音山隧道圍巖裂隙發育， 且在隧道開挖后，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖部分的隧道施工段有地下水沿裂隙滲出；隧道施工過程中極有可能導致地下水與開挖面貫通，發生突水突泥災害。 隧道圍巖地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中裂隙水。 兩者主要由大氣降水補給，因此采用大氣降水入滲估算法對隧道洞室進行涌水量計算。

（1）大氣降水入滲法

地下水的補給來源主要為大氣降水，其補給量的多少受降水強度、降水持續時間、地形及地表節理、裂隙的發育程度影響。 當地年均降雨量為1500 mm，入滲系數取0.30，采用降水入滲法初步估算隧道的涌水量如下：

式（1）中：Qs為隧道通過含水山體地段的正常涌水量（m3/d）；α 為降雨入滲參數，取0.3；W 為年均降水，W=1500 mm；A 為隧道集水面積，A=2.34 km2。

根據上述公式，計算正常涌水量為Qs=2885.2 m3/d，最大涌水量取正常涌水量的1.5 倍計算，為4327.8 m3/d。

2 數值模型

2.1 圍巖荷載

根據現場勘察報告，V 級圍巖區段的隧道埋深分布在10～250 m 范圍內，IV 級圍巖區段隧道埋深分布10～350 m 范圍內，在構建數值計算模型時，選取最不利荷載情況，其中數值計算模型中圍巖荷載按照JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》中規定進行計算，計算公式為：

式（2）、（3）中：q 為垂直均布壓力（kN/m2）；γ 為圍巖重度（kN/m3）；h 為圍巖壓力計算高度（m）；S 為圍巖級別；w 為寬度影響系數，w=1+i （B-5），i 為圍巖壓力增減率；B 為隧道寬度（m），取開挖尺寸凈寬為13.6 m。

根據上述公式，計算得到IV、V 級圍巖區段作用在模型上方的均布荷載大小值分別為304560 Pa/m2、162000 Pa/m2。

2.2 模型建立

根據觀音山隧道設計情況， 通過Midas GTS NX有限元軟件建立富水地層隧道模型，旨在揭示不同富水工況下襯砌受力情況，僅考慮自重條件下隧道開挖對邊坡的影響，不考慮構造應力的影響。 模型左右兩側長度設定為隧道直徑的5 倍，兩隧道間的凈距按照最不利的情況，取為17 m。計算模型橫向長度為110 m，高度為60 m，沿隧道掘進方向為60 m。開挖模型斷面寬度約為13.6 m，高度約為11 m，襯砌厚度設為30 cm。 采用全斷面開挖，如圖2 所示。

圖2 隧道三維模型圖

位移邊界條件用于約束模型周圍的水平位移和模型底部的固定位移，荷載按照計算得到的均布荷載施加在上表面。 圍巖本構模型遵循Mohr-Coulomb 準則，根據工程地質勘察報告，并結合JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》和室內巖土試驗成果，確定主要圍巖物理力學參數。 初期支護采用錨桿+噴射混凝土支護，噴射混凝土厚度為30 cm，錨桿采用4.0 m 長的中空錨桿， 布置范圍為拱頂120°范圍，縱向間距1 m，環間距0.6 m，一環共26根，隧道采用單層φ42 mm×4 mm 的超前小導管，L=4.5 m，環向間距0.4 m，外插角5°～15°，隧道采用超前小導管注漿支護，縱向間距4 m，一環總計46 根。隧道襯砌結構采用彈性單元模擬，具體的計算參數見表1。

表1 材料參數

3 工況設置

隧道模型圍巖取Ⅴ級圍巖段，模擬隧道全斷面開挖過程中，通過改變隧道前方圍巖不同滲水壓力來模擬隧道圍巖的富水情況，研究富水條件對軟弱地層小凈距隧道施工的影響。 模擬5 種不同水壓工況，可分為：（1） 無水壓、（2）4 MPa、（3）6 MPa、（4）8 MPa、（5）10 MPa。 隧道施工過程模擬：隧道沿著z 軸進行開挖，每次開挖進尺3 m，開挖后立刻進行支護，不考慮襯砌施作的時間效應。

4 結果分析

分別提取掌子面前方不同水壓工況作用下隧道x 軸和z 軸方向應力云圖， 分析2 個方向主要受力部位和應力變化情況，如圖3～6 所示；同時獲取隧道襯砌最大受力點數據， 觀察最大應力變化趨勢，如圖7 所示。

圖3 隧道前方水壓4 MPa 襯砌受力

圖4 隧道前方水壓6 MPa 襯砌受力

圖5 隧道前方水壓8 MPa 襯砌受力

圖6 隧道前方水壓10 MPa 襯砌受力

圖7 隧道襯砌最大受力曲線

對比分析不同工況下隧道襯砌受力情況，由圖3～6 可知，隧道襯砌受到最大的壓力位于拱腳處，且最大壓力隨著隧道前方水頭壓力的增加而增加。對比x 軸方向和z 軸方向的最大應力可以發現，隧道襯砌在z 軸方向上受到的壓力更大，同時，最大壓力隨著開挖的進行不斷增大，直至開挖結束后襯砌受到的應力達到最大值，且襯砌拱頂和拱底承受了一定的拉力。 從圖7 可以看出，隧道襯砌最大受力在隧道開挖前5 部分時緩慢增加， 當隧道開挖后5部分時，隧道襯砌受力急劇增大，且z 方向最大應力增加更明顯。 隧道前方水壓為4 MPa 時，隧道襯砌z 方向最大應力增加幅度大于其他值。 當襯砌承受較大的應力時，會出現開裂、滲水、倒隆等一系列問題，因此，隨著隧道開挖進行，隧道的安全防護等級應隨之提高，施工人員需不斷地對掌子面前方進行探測，以識別前方危險體內圍巖和填充材料的含水條件和涌入危險類型，保證施工安全。

對比有無水壓情況下隧道襯砌受到的最大應力，結果如表2 所示。 相比于無水壓情況下，隧道掌子面前方有水壓會使隧道襯砌受力增加。 當隧道掌子面前方存在水壓4 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應力增加了約12%；當隧道掌子面前方存在水壓6 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應力增加約22%；當隧道掌子面前方存在水壓8 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應力增加約36%；當隧道掌子面前方存在水壓10 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應力增加約50%。可見，對于富水軟弱地層小凈距隧道而言，巖土體中的含水情況會對隧道結構產生極大的影響，并對隧道施工安全提出了巨大的挑戰。 因此，為保證隧道施工正常進行，提高隧道施工安全性，有必要在隧道施工期間加強監控量測，并在地質預報時提高精準度，明確隧道掌子面前方的地質情況。 當襯砌出現裂縫時，可采用飽和處理，對裂縫灌漿，抑制裂縫處的拉應力[3]，并采用粘土鋼帶加固；對病害嚴重的斷面襯砌進行鑿邊、重澆，并設置低預應力地腳螺栓，保證襯砌縱縫與圍巖整體錨固，嚴重受損段需重點監測，直至未發現裂縫擴大和滲漏再發；同時設置橫向排水管和縱向排水管，確保排水順暢。

5 結論

本文針對觀音山富水軟弱地層小凈距隧道施工過程中可能出現突水、 突泥等危害問題展開分析，計算了觀音山隧道涌水量，闡述了影響突水突泥災害的因素和機理，進而對富水地層隧道襯砌進行數值模擬研究，得出如下結論：（1）影響隧道突水突泥災害的因素眾多，觀音山隧道發生涌水災害的主要因素可以分為地質因素和降雨。 由于隧道圍巖軟弱、節理發育，隧道區域常年出現季節性暴雨，降雨量大，使雨水沿著裂隙流動，巖體空隙通道中的原有充填物顆粒不斷被運移帶走，巖體空隙率不斷增加，同時雨水對圍巖存在軟化作用，因此，觀音山隧道容易出現涌水災害；（2）通過Midas 數值模擬軟件建立三維模型，對比不同工況下的隧道襯砌受力情況，發現相比于無水壓的情況，在隧道掌子面前方有水壓會時隧道襯砌受力增加，在隧道掌子面前方存在水壓4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 的情況下， 隧道襯砌受力增加約12%、22%、36%、50%。隧道襯砌最大受力在隧道開挖前5 部分時緩慢增加，當隧道開挖后5 部分時，隧道襯砌受力急劇增大。 因此，隨著隧道施工進行，隧道的安全防護等級要隨之提高，保證施工安全。