富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓力分布特征模型試驗研究

徐 強，宋玉香，樊浩博,，譚信榮，楊海宏

（1.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

我國巖溶地貌分布廣泛。地面水和地下水的溶蝕作用使巖溶發(fā)育成類型、形態(tài)各異的巖溶地貌，這不僅增加了隧道工程的建設(shè)難度，同時也會嚴重威脅到相關(guān)鐵路線的運營安全。新中國成立以來，川黔、貴昆、宜萬等鐵路建設(shè)中均存在較多的典型巖溶隧道［1-4］，隨著建成通車的巖溶隧道越來越多，我國鐵路也積累了越來越多針對巖溶病害的防治經(jīng)驗，但長期巖溶水壓作用引起鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂、破損的病害現(xiàn)象仍時有發(fā)生［5-9］，并直接影響鐵路線路的正常使用和行車安全。

近年來針對巖溶水對隧道的影響開展了大量研究。莫陽春［10］針對巖溶隧道涌水、涌砂和涌泥問題，開展了大型物理模型試驗，結(jié)合數(shù)值模擬對隧道二次襯砌的內(nèi)力分布特征進行了研究，分析得到水壓、溶腔和隧道間距的變化對二次襯砌內(nèi)力的影響規(guī)律。袁慧［11］依托齊岳山隧道，對高水壓巖溶隧道襯砌水壓力特征進行了研究，確定只有在排水的前提下襯砌水壓力才能進行折減，且水壓力隨著排水量的增加而減小。申志軍［12］依托宜萬鐵路中的典型巖溶隧道，基于襯砌水壓的長期監(jiān)測，結(jié)合模型試驗和理論分析，對巖溶隧道二次襯砌水壓的特征進行了研究，指出隧道內(nèi)的排水效應(yīng)對斷面水壓分布影響明顯。周毅等［13-14］依托尚家灣隧道工程，開展了深長隧道充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)突水的大比尺模型試驗，揭示了施工擾動下充填物滲透失穩(wěn)突水過程的災(zāi)變演化機制。高新強等［15-16］對比分析了不同排水形式下富水山嶺隧道的圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力，指出在“以堵為主，限量排放”治水方案下，隧道仰拱處會存在較大的襯砌水壓力。

上述學(xué)者針對巖溶隧道涌突水問題開展了大量研究，為富水隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。但當前富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計尚未考慮短時強降雨等形成的突變水壓的影響，這導(dǎo)致現(xiàn)有防排水措施下，隧道襯砌在通車后易出現(xiàn)安全隱患。余洪璋［17］依托織畢鐵路元寶山隧道，分析評估了瞬時強降雨條件下巖溶隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全，確定了強降雨產(chǎn)生的高壓水是元寶山隧道二襯開裂破壞的主要原因，泄水減壓是解決該類襯砌破壞病害的關(guān)鍵。鄒育麟等［18］對15座滲漏病害嚴重的隧道進行統(tǒng)計分析，揭示了隧道滲漏水和巖溶地貌以及季節(jié)性降水之間存在的必然聯(lián)系，并指出處理巖溶地區(qū)季節(jié)性富水營運隧道滲漏水病害時應(yīng)以“排為主、堵為輔”。這些研究揭示了季節(jié)性強降水與隧道襯砌病害的必然聯(lián)系，所以泄水減壓是關(guān)鍵。

鑒于此，極有必要對現(xiàn)有的巖溶隧道排水方案進行優(yōu)化，并通過襯砌水壓力、水壓折減系數(shù)等指標定量地證實其優(yōu)越性。本文以鄭萬高鐵高家坪巖溶隧道為依托，調(diào)整隧道中心排水溝位置，對常規(guī)巖溶隧道排水方案進行優(yōu)化；考慮巖溶均質(zhì)地層條件下不同水頭高度的影響，分不排水、常規(guī)排水和優(yōu)化排水3種試驗方案，設(shè)計并開展關(guān)于富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓力分布特征的模型試驗；分別分析3種方案下，沿隧道縱向和斷面的襯砌水壓力分布特征，為巖溶隧道的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計以及排水系統(tǒng)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 工程概況及排水方案優(yōu)化

依托工程為鄭萬高鐵高家坪巖溶隧道，位于湖北省南漳縣李廟境內(nèi)，全長5 538 m，最大埋深約320 m。圍巖以灰?guī)r、頁巖夾砂巖為主，隧址區(qū)內(nèi)溶溝、溶槽、巖溶洼地等巖溶形態(tài)發(fā)育，為典型的富水巖溶隧道。巖溶水主要接受大氣降水補給及鄰近含水巖組的側(cè)向徑流補給。隧道洞身段主要位于季節(jié)交替帶內(nèi)，受季節(jié)降雨影響明顯，施工時在雨季發(fā)生突水、突泥的風險較大，運營時襯砌經(jīng)受巖溶水壓病害的風險較高。鑒于該隧道典型的巖溶發(fā)育形態(tài)及充沛的降雨補給，對其開展富水巖溶隧道襯砌水壓力分布特征及排水系統(tǒng)優(yōu)化研究尤為重要。

對此類對于環(huán)境保護沒有特殊要求的山嶺隧道而言，隧道防排水常規(guī)方案在設(shè)計時一般參考鐵路工程建設(shè)通用參考圖中的隧道襯砌斷面圖。常規(guī)排水方案采用半包半排防排水形式，防排水系統(tǒng)由防水板、無紡布、環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向連接水管及中心排水溝組成，如圖1所示。圖中：紅箭頭表示排水管中的排水方向。

圖1 隧道防排水常規(guī)方案

普通山嶺隧道地下水量有限，且非巖溶地區(qū)的隧道圍巖滲透系數(shù)較小，地表降水對隧道影響較小，因此常規(guī)排水方案完全能夠滿足隧道排水的要求。但對于高家坪巖溶隧道此類富水巖溶隧道而言，圍巖滲透系數(shù)較大，地表降水對隧道周圍的圍巖裂隙水補給明顯，有必要對隧道排水方案進行優(yōu)化。為便于隧道的設(shè)計和施工，盡量避免大幅改變現(xiàn)有防排水方案帶來的額外工程量，在常規(guī)防排水方案的基礎(chǔ)上，將隧道中心排水溝由仰拱內(nèi)移動至仰拱底部，同時延長環(huán)向排水管至中心水溝，更利于隧道巖溶水的排出。形成的隧道防排水優(yōu)化方案如圖2所示。

圖2 隧道防排水優(yōu)化方案

2 巖溶隧道模型試驗設(shè)計

2.1 模型試驗系統(tǒng)設(shè)計

為展開相關(guān)研究，研制專用的巖溶均質(zhì)地層巖溶隧道模型試驗系統(tǒng)，如圖3所示。模型箱體長×寬×高為2.25 m×1.00 m×2.25 m，主要由鋼板、槽鋼和工字鋼焊接加工而成；箱蓋和箱體之間用高強螺栓進行連接。在密閉的箱體內(nèi)設(shè)置隧道襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖，并通過向模型箱體內(nèi)注水的形式模擬地表水補給。

圖3 巖溶隧道模型試驗系統(tǒng)

2.2 試驗材料相似比設(shè)計及配置

綜合考慮試驗周期及可行性，結(jié)合依托工程相關(guān)參數(shù)，參考相關(guān)模型試驗成果［19-21］，確定模型試驗中原型與模型的幾何相似比Cl為20，容重相似比Cγ為2。以相似理論的3 個基本定理為依據(jù)，推導(dǎo)確定其他物理力學(xué)參數(shù)的相似比∶應(yīng)力相似比Cσ和彈性模量相似比CE均為4；泊松比相似比Cμ和應(yīng)變相似比Cε均為1。

模型試驗中，采用一定配比的細砂與石英砂來模擬隧道圍巖，考慮圍巖滲透系數(shù)為2×10-4m·s-1，通過大量滲透試驗確定石英砂∶細砂為1∶3，其中石英砂300目，細砂70目左右；根據(jù)幾何相似和強度相似，采用25 cm 厚的石膏來模擬二次襯砌，通過試驗確定石膏∶水為1.4∶1。圍巖與二次襯砌具體模型試驗參數(shù)分別見表1和表2。

表1 圍巖原型和模型材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 二次襯砌原型和模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型制作

襯砌模板采用定制的鋼板拼接而成，澆灌拆模后進行養(yǎng)護。襯砌模具和拆模后的襯砌模型如圖4所示。

圖4 隧道襯砌模型

2.4 試驗測點布置及試驗方案

模型試驗過程中，布置水壓力計測點共10 個，分別在監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰、邊墻、墻腳（有縱向排水盲管的位置）、仰拱拱腰和仰拱中心處。監(jiān)測斷面布置在3根環(huán)向排水管之間。以優(yōu)化排水方案為例，水壓力測點及監(jiān)測斷面布置如圖5所示。

圖5 隧道襯砌水壓力測點及監(jiān)測斷面布置

研究巖溶均質(zhì)地層中不同方案對襯砌背后水壓力分布特征的影響時，在不排水和常規(guī)排水方案基礎(chǔ)上增設(shè)優(yōu)化排水方案，如圖6所示。圖6（a）中，設(shè)置在仰拱底部的中心排水溝可以充分優(yōu)化仰拱處的水壓力。圖6（b）中，通過控制閥門1#，2#和3#，可以模擬得到不同方案下的隧道排水情況：關(guān)閉所有閥門為不排水方案；打開閥門1#和2#為常規(guī)排水方案；打開閥門1#，2#和3#為優(yōu)化排水方案。

圖6 模型試驗排水系統(tǒng)

模型試驗拱頂水頭高度設(shè)置30，40，50 和60 cm 共4 種，分別對應(yīng)于實際工程中隧道拱頂水頭高度為6，8，10 和12 m 時的情況。為便于理解，后續(xù)分析時將所有試驗數(shù)據(jù)（包括試驗時施加的初始水頭高度）均按相似關(guān)系換算為實際工程中對應(yīng)的高度，不再贅述。

3 不同方案的水壓力分布特征對比

模型試驗的防排水系統(tǒng)考慮了縱向和環(huán)向排水管，因此分沿隧道縱向和斷面2 個方向，對比分析不同方案下隧道襯砌不同部位的水壓力分布特征。

3.1 縱向襯砌水壓力分布特征

3.1.1 不排水和常規(guī)排水方案對比

不排水和常規(guī)排水方案下，提取拱頂水頭高度分別為6，8，10 和12 m 時隧道各監(jiān)測斷面上所有測點的襯砌水壓力值，并對左右對稱測點的水壓力取平均值。沿隧道縱向，繪制各監(jiān)測斷面襯砌不同部位的水壓力分布如圖7所示。需要指出的是，6 m水頭且不排水時，縱向上襯砌各測點處的水壓力大小近似等于靜水壓力，如圖7（a）所示，因此其余水頭高度時的不排水方案試驗結(jié)果不再贅述。

圖7 不排水和常規(guī)排水2 種方案下的縱向襯砌水壓力分布

對圖7分析可知：水頭高度越高，則常規(guī)排水方案下各測點處的襯砌水壓力越大；水頭高度相同時，相比不排水方案，常規(guī)排水方案下各測點處的襯砌水壓力均有不同程度地降低，增設(shè)排水管后降壓效果明顯；常規(guī)排水方案下，墻腳處存在縱向排水管但仰拱拱腰和仰拱中心處無縱向排水措施，所以水頭高度不同時這3處測點的襯砌水壓力均無明顯變化，僅仰拱處仍存在較大的襯砌水壓力（與不排水方案的情況一樣），需要重視；常規(guī)排水方案下，拱頂、拱腰和邊墻3處測點的襯砌水壓在環(huán)向排水管之間整體呈倒“V”型分布，這是因為縱向到隧道左邊界距離為4，10 和16 m 處設(shè)有環(huán)向排水管的緣故，所以對應(yīng)測點處的襯砌水壓力急劇減小。

3.1.2 常規(guī)排水與優(yōu)化排水方案對比

對于優(yōu)化排水方案，提取4 種拱頂水頭高度時隧道各監(jiān)測斷面上所有測點的襯砌水壓力值，并沿隧道縱向繪制各監(jiān)測斷面襯砌不同部位的水壓力分布如圖8所示。

對圖8分析可知：優(yōu)化排水方案下，各測點處的襯砌水壓力同樣隨著水頭增大而增大，環(huán)向排水管作用明顯；由于仰拱中心處和墻腳處均有縱向的排水措施，這2 處測點的縱向襯砌水壓力變化并不明顯，而其余測點在環(huán)向排水管間的襯砌水壓力則呈“倒V”型分布；相較于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下不僅各測點處的襯砌水壓力整體更小，而且其排水措施（在仰拱底部設(shè)置中心排水溝、將環(huán)向排水管延長至仰拱底部與中心排水溝相連）對仰拱中心和仰拱拱腰處的襯砌水壓力優(yōu)化效果更明顯，大大降低了可能因高水壓而產(chǎn)生襯砌病害的概率。

圖8 優(yōu)化排水方案下的縱向襯砌水壓力分布

綜上進一步分析可知：不管是常規(guī)排水方案還是優(yōu)化排水方案，襯砌水壓力大小與水頭高度呈正相關(guān)變化，水頭高度越大，則襯砌水壓力越大；對于設(shè)置了縱向排水措施的各處測點，襯砌水壓力變化均不明顯，而對于其余測點，位置越靠近環(huán)向排水管時的襯砌水壓力越小，2 根環(huán)向排水管間的縱向襯砌水壓力整體呈倒“V”型分布；縱向上，優(yōu)化排水方案較常規(guī)排水方案對襯砌水壓力的優(yōu)化效果更好，尤其是隧道仰拱處襯砌水壓的降低最為明顯。

3.2 斷面襯砌水壓力分布特征

環(huán)向排水管對襯砌水壓力有明顯的優(yōu)化效果，所以避開環(huán)向排水管，僅取2 根環(huán)向排水管中間的監(jiān)測斷面（距隧道左邊界13 m 處），對比分析隧道斷面的襯砌水壓力分布特征。

3.2.1 不排水與常規(guī)排水方案對比

不排水和常規(guī)排水方案下，提取4 種拱頂水頭高度時隧道各監(jiān)測斷面上所有測點的襯砌水壓力值，繪制隧道襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖如圖9所示。

圖9 不排水和常規(guī)排水2種方案下的襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖（單位：kPa）

對圖9分析可知：水頭高度不同時，2 種方案下的襯砌水壓力的分布形式相似，不排水方案下，從拱頂?shù)窖龉暗囊r砌水壓力逐漸增大，初始水頭高度不同時各測點處水壓力均近似等于靜水壓力，此時襯砌水壓力不能進行折減；相對于不排水方案，常規(guī)排水方案下各測點處的水壓力均有不同程度地減小，其中仰拱中心處的水壓折減系數(shù)最小，約0.10～0.15，拱頂處次之，約0.15～0.19，墻腳處最大，達0.80～0.90，這主要由于墻腳測點處存在縱向排水管，極大地優(yōu)化了襯砌背后的水壓力；雖然現(xiàn)有常規(guī)排水方案對襯砌水壓力有一定的折減效果，但在仰拱處仍會產(chǎn)生較大的水壓力，實際工程中仰拱底部一般無排水措施，一旦發(fā)生短時強降雨，襯砌仰拱處無法及時排水，必然會增加仰拱處的水壓力，這也能夠說明試驗方案設(shè)置與實際情況較為符合。

3.2.2 常規(guī)排水與優(yōu)化排水方案對比

常規(guī)排水和優(yōu)化排水方案下，提取4 種拱頂水頭高度時隧道監(jiān)測斷面各測點處的水壓力值，并繪制成隧道襯砌斷面水壓力包絡(luò)如圖10所示。

圖10 常規(guī)排水和優(yōu)化排水2種方案下的襯砌斷面水壓力包絡(luò)圖（單位：kPa）

對圖10分析可知：相對于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下4種初始水頭高度的襯砌水壓分布形式近似，絕大多數(shù)測點處的水壓力均有不同程度地減小，尤其是仰拱處水壓折減明顯；優(yōu)化排水方案下，從拱頂?shù)竭厜μ幍乃畨毫φ蹨p系數(shù)有所增大，其中拱頂處的水壓力折減系數(shù)約0.12～0.16，邊墻處均在0.25以上，仰拱拱腰處達0.3，仰拱底部處達0.9 左右；優(yōu)化排水方案的排水效果優(yōu)于常規(guī)排水方案，在仰拱底部設(shè)置中心排水溝底部的排水措施針對性地解決了后者仰拱處水壓較大的問題。

為更直觀地對比分析不同方案下襯砌水壓的折減系數(shù)，繪制常規(guī)排水和優(yōu)化排水2 種方案相對于不排水方案的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線。通過上述分析可知水頭高度不同時各排水方案的襯砌水壓折減系數(shù)相差不大，因此僅以12 m 水頭時的情況為例進行分析。繪制不同測點處的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線如圖11所示，其中對左右對稱測點的水壓力取平均值。

對圖11分析可知：相較于常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案下各測點處的襯砌水壓折減更為明顯，特別是仰拱拱腰處和仰拱中心處的水壓折減系數(shù)分別增加了1 倍有余和4 倍有余；推薦富水巖溶隧道采用優(yōu)化排水方案。

圖11 12 m 水頭時常規(guī)排水和優(yōu)化排水2 種方案下的襯砌水壓折減系數(shù)變化曲線

綜上，常規(guī)排水方案與不排水方案均會造成仰拱拱腰和仰拱中心處存在較大襯砌水壓力，需要重視；相比常規(guī)排水方案，優(yōu)化排水方案通過改變中心排水溝位置等措施，有效地降低了襯砌特別是仰拱處的水壓力；建議在降雨較為頻繁的區(qū)域采用優(yōu)化排水方案，這樣即使出現(xiàn)短時強降雨天氣，依然能夠有效地減小仰拱處的水壓力，改善襯砌結(jié)構(gòu)受力，避免隧道仰拱因水壓過大而發(fā)生病害，確保運營期間襯砌的安全性和可靠性。

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)排水方案和優(yōu)化排水方案下，富水巖溶隧道設(shè)置了縱向排水措施的測點處襯砌水壓力變化均不明顯；而對于其余測點，越靠近環(huán)向排水管處的襯砌水壓力越小，環(huán)向排水管之間，各測點處的襯砌水壓力呈倒“V”型分布。

（2）相較于不排水方案，富水巖溶隧道在常規(guī)排水方案下各測點處的襯砌水壓力均有不同程度地減小，仰拱中心處水壓折減系數(shù)最小，僅為0.1～0.15，易引發(fā)仰拱處因水壓較大產(chǎn)生的病害；墻腳處水壓折減系數(shù)最大，達0.8～0.9。

（3）采用優(yōu)化排水方案能夠進一步降低富水巖溶隧道各測點處的襯砌水壓力，相較于常規(guī)排水方案從拱頂?shù)竭厜Φ乃畨赫蹨p系數(shù)從0.12 增大到0.25，仰拱中心處的水壓折減系數(shù)均能達到0.9，針對性解決了現(xiàn)有常規(guī)排水方案下仰拱處水壓較大的問題。