巖溶弱發(fā)育地層隧道襯砌水壓規(guī)律及結(jié)構(gòu)安全性研究

朱 君 趙東平 和 琦

(1. 中鐵十一局集團(tuán)有限公司,武漢 430061; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

巖溶是地層中的可溶巖被酸性液體溶蝕后形成的一種特殊地質(zhì)構(gòu)造,在我國四川、重慶、云南、貴州及廣西均有分布。 根據(jù)巖溶形態(tài)、溶洞的連通性及地下水發(fā)育程度,可將巖溶發(fā)育情況定性地分為強(qiáng)烈發(fā)育、中等發(fā)育、弱發(fā)育和微弱發(fā)育4 種類型[1]。 一般情況下,巖溶裂隙越發(fā)育,地表雨水越容易經(jīng)過裂隙通道流向襯砌,短時(shí)間導(dǎo)致內(nèi)襯砌水壓驟增,進(jìn)而引發(fā)襯砌開裂或突涌水等災(zāi)害[2-4]。 在重慶獨(dú)特的隔檔式構(gòu)造條件下,隧道工程施工過程中常常引發(fā)涌突水、地表水體流失、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,大規(guī)模的地下空間工程建設(shè)日益加重地質(zhì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)[5]。 對于巖溶隧道工程而言,地層巖溶發(fā)育程度、隧址區(qū)大氣降雨時(shí)長及隧道的防排水措施都會(huì)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不同程度的影響[6]。

近年來,隨著運(yùn)營巖溶隧道逐漸增多,但目前對巖溶隧道突水災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理還不夠清晰。 陳仲達(dá)為揭示管道型巖溶突水災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理,開展不同溶腔水壓、巖溶管道內(nèi)不同填充介質(zhì)、不同巖溶管道寬度及長度條件下的多場耦合分析[7]。 黃明利針對高壓富水巖溶區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)開展抗水壓能力足尺模型試驗(yàn)研究,驗(yàn)證新圓梁山隧道溶洞段和溶洞過渡段襯砌結(jié)構(gòu)的抗水壓能力滿足要求[8];劉希亮分析了30 個(gè)發(fā)生過突水事故的隧道,發(fā)現(xiàn)突水災(zāi)害主要發(fā)生在深長大跨巖溶隧道中[9]。 部分學(xué)者采用數(shù)值方法對巖溶隧道防排水結(jié)構(gòu)展開分析。 趙東平等采用數(shù)值模擬的方法對襯砌背后的水壓規(guī)律進(jìn)行研究,為富水隧道提出優(yōu)化的防排水結(jié)構(gòu)[10-11]。 在長期的工作條件下,即便是優(yōu)化的防排水結(jié)構(gòu)仍會(huì)引起防排水結(jié)構(gòu)的破壞。 尚海松針對巖溶富水隧道水壓變化引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞問題,采用數(shù)值模擬方法研究 “全封堵”型襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征[12];歷永杰對單層初期支護(hù)和雙層初期支護(hù)方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析,提出適合現(xiàn)場施作的雙層初期支護(hù)抗水壓襯砌方案[13]。

上述既有研究成果在一定程度上促進(jìn)了巖溶隧道的技術(shù)進(jìn)步,但是,既有研究中沒有將巖溶發(fā)育程度與隧道的防排水方案直接聯(lián)系起來,如常規(guī)防排水措施是否能滿足巖溶弱發(fā)育段襯砌安全性的研究,降雨量的增加是否會(huì)造成常規(guī)防排水結(jié)構(gòu)失效等問題尚無明確結(jié)論。 以重慶市某巖溶弱發(fā)育高鐵隧道為工程依托,采用三維數(shù)值模擬方法對弱發(fā)育地層巖溶隧道襯砌水壓規(guī)律、常規(guī)隧道排水措施的適用性及襯砌結(jié)構(gòu)安全性開展研究,相關(guān)研究成果可為弱發(fā)育地層隧道設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某高鐵巖溶隧道位于重慶市九龍坡區(qū)與大渡口區(qū)境內(nèi),隧道全長4 973 m,隧道進(jìn)口里程DK9+129,出口里程DK14+102,隧道最大埋深約234 m。 隧道穿過雷口坡組、嘉陵江組及飛仙關(guān)組灰?guī)r、白云巖、角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r,屬構(gòu)造溶蝕侵蝕低山-丘陵區(qū),受構(gòu)造擠壓,裂隙較發(fā)育,巖溶強(qiáng)烈-中等發(fā)育,多見串珠狀落水洞、溶洞、巖溶漏斗、溶蝕洼地,地表溶蝕現(xiàn)象多垂直發(fā)育,水平方向沿走向連通,最后形成地下暗河,由于距長江較近,一般在長江邊以溶蝕通道(或暗河)排出,長江為侵蝕基準(zhǔn)面。

該隧道為巖溶弱發(fā)育隧道,施工階段隧道掌子面見圖1,僅出現(xiàn)輕微滲水,未揭示溶腔或溶洞等典型巖溶構(gòu)造。

圖1 重慶市某巖溶弱發(fā)育隧道掌子面

考慮該區(qū)段地層巖溶弱發(fā)育,圍巖條件較好且地下水不發(fā)育,為此,有必要研究隧道常規(guī)防排水設(shè)計(jì)方法在弱發(fā)育地層中的適用性。 目前,我國高速鐵路隧道普遍采用通用設(shè)計(jì)參考圖進(jìn)行設(shè)計(jì),一般地段隧道的防排水系統(tǒng)由無紡布、防水板、縱向及環(huán)向排水盲管、橫向排水管、縱向排水側(cè)及中心排水溝等共同組成[14-15]。 上述防排水構(gòu)造設(shè)計(jì)參數(shù)及空間位置關(guān)系見圖2、圖3。

圖2 防排水構(gòu)造設(shè)計(jì)參數(shù)(單位:mm)

圖3 防排水構(gòu)造空間位置關(guān)系(單位:m)

為了分析常規(guī)隧道排水方案在巖溶弱發(fā)育地層中的適用性,需要對隧道排水狀態(tài)下襯砌水壓分布模式開展研究。 以上述隧道工程為依托,采用數(shù)值模擬方法研究不同初始水頭條件下,巖溶弱發(fā)育隧道的襯砌水壓分布規(guī)律,并對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價(jià)。

2 巖溶隧道數(shù)值模型

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS GTS/NX 建立三維高鐵巖溶隧道數(shù)值模型[16],具體尺寸為110 m×10 m×160 m(長×寬×高),數(shù)值模型中,計(jì)算范圍為左右邊界從隧道邊墻向外延伸48 m,底部從隧道仰拱向下延伸48 m,上部取至地表(隧道埋深為100 m),模型縱向取10 m,即按2 個(gè)環(huán)向排水盲管間距長度考慮;根據(jù)隧道防排水設(shè)計(jì)參數(shù),建立隧道防排水精細(xì)化數(shù)值模型。 數(shù)值模型中,隧道防水板、無紡布、排水管及中心排水溝均采用實(shí)體單元[17-18]。 圍巖采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型,襯砌、排水管、防水板及無紡布等均采用彈性本構(gòu)模型,整體模型中單元數(shù)為190 672 個(gè),整體模型及防排水結(jié)構(gòu)局部模型見圖4[19]。

2.2 邊界條件

數(shù)值模型僅考慮考慮自重的荷載,在邊界條件上需要分別設(shè)定位移邊界和滲流邊界,模型位移邊界條件為模型四周及底部施加法向位移約束,模型滲流邊界條件如下。

(1)初始水頭在短時(shí)保持穩(wěn)定,隨著時(shí)間的增加,地下水位隨著隧道排水而降低。

(2)模型左右兩側(cè)及前后邊界為穩(wěn)定邊界,各點(diǎn)水頭為等水頭,H=h。

(3)底面為不透水邊界,法向流速為0。

(4)模型Y=0 m 和Y=10 m 處的中心排水溝截面壓力水頭設(shè)定為0。

2.3 計(jì)算參數(shù)

隧道內(nèi)輪廓采用時(shí)速350 km 高速鐵路雙線隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓。 初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土,厚12 cm;二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土,厚40 cm。 防水板和無紡布的厚度均為3 mm,排水管直徑為5 cm,中心排水溝尺寸為84.4 cm×60 cm(長×寬)。

本隧道地層巖溶弱發(fā)育,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[20-22]確定數(shù)值模型中圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌及防排水結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù),取值見表1。

表1 數(shù)值模型地層及結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)

3 巖溶隧道襯砌水壓規(guī)律型

依托工程隧道埋深100 m,由于該區(qū)段地層巖溶弱發(fā)育,加之隧道始終處于排水狀態(tài)。 因此,當(dāng)?shù)乇斫涤暄a(bǔ)給大于隧道排水量時(shí),隧道襯砌累積水頭高度小于隧道埋深。 基于上述考慮,在研究隧道排水狀態(tài)下襯砌水壓分布規(guī)律時(shí),設(shè)計(jì)襯砌拱頂水頭高度為10,15,20,30 m,采用數(shù)值模擬方法分析4 種工況下隧道襯砌背后水壓力的分布規(guī)律。

隧道排水狀態(tài)下,2 個(gè)環(huán)向排水盲管之間的截面相比環(huán)向排水管截面水要高,為此,取2 個(gè)環(huán)向排水盲管之間的截面為研究斷面,同時(shí)在隧道襯砌拱頂、拱腰、邊墻、墻腳及仰拱各設(shè)置1 條測線,研究斷面及水壓測線在數(shù)值模型中的位置關(guān)系(見圖5)。

圖5 隧道襯砌縱向、環(huán)向水壓測線設(shè)置

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m 時(shí),隧道襯砌縱向水壓測線監(jiān)測結(jié)果見圖6。

圖6 各水頭作用下隧道襯砌縱向水壓規(guī)律(單位:kPa)

由圖6 可知,在考慮隧道排水情況下,防水板、無紡布是半包結(jié)構(gòu),仰拱底水壓值相對較大,排水管設(shè)置區(qū)域水壓值較小(近乎為0)。 隧道拱頂、邊墻、拱腰、拱腳部位的水壓力沿縱向變化極其明顯,在環(huán)向排水管設(shè)置的斷面(2.5 m 和7.5 m)水壓力趨近于0,而在兩環(huán)排水管中間的位置(5 m)水壓力達(dá)到峰值。

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m 時(shí),隧道襯砌環(huán)向水壓測線監(jiān)測結(jié)果見圖7。

隧道上部鋪設(shè)有防水板和無紡布以及排水管,無紡布具有較強(qiáng)的透水性,在隧道二次襯砌和初期支護(hù)之間形成了一層導(dǎo)水層,隧道襯砌背后的水則可以通過無紡布導(dǎo)入,流向環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管,再從中心排水溝流出,隧道襯砌上的水壓力則隨之降低。 由圖7 可知,當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時(shí),在正常排水條件下,相比不排水狀態(tài),隧道襯砌拱頂?shù)乃畨赫蹨p率分別為100%、99%、97%和93%,隧道襯砌仰拱中心的水壓折減率分別為74%、76%、76%和76%。 當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時(shí),在正常排水狀態(tài)下,隧道仰拱中心的最終水壓分別為57,65,75,105 kPa。

上述計(jì)算結(jié)果表明,對于巖溶弱發(fā)育地層隧道,當(dāng)?shù)乇硭罅垦a(bǔ)給時(shí),采用通用參考圖排水設(shè)計(jì)方案可以及時(shí)排出拱頂、邊墻及拱腳處的水,但隧道襯砌仰拱的水不能及時(shí)排出。

隧道上部鋪設(shè)有防水板和無紡布以及排水管,無紡布具有較強(qiáng)的透水性,在隧道二次襯砌和初期支護(hù)之間形成了一層導(dǎo)水層,隧道襯砌背后的水則可以通過無紡布導(dǎo)入,流向環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管,再從中心排水溝流出,隧道襯砌上的水壓力則隨之降低。 由圖7 可知,當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時(shí),在正常排水條件下,相比不排水狀態(tài),隧道襯砌拱頂?shù)乃畨赫蹨p率分別為100%、99%、97%和93%,隧道襯砌仰拱中心的水壓折減率分別為74%、76%、76%和76%。 當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10,15,20,30 m 時(shí),在正常排水狀態(tài)下,隧道仰拱中心的最終水壓分別為57,65,75,105 kPa。 上述計(jì)算結(jié)果表明,對于巖溶弱發(fā)育地層隧道,當(dāng)?shù)乇硭罅垦a(bǔ)給時(shí),采用通用參考圖排水設(shè)計(jì)方案可以及時(shí)排出拱頂、邊墻及拱腳處的水,但隧道襯砌仰拱的水不能及時(shí)排出。

4 巖溶隧道襯砌安全性分析

第3 節(jié)的分析表明,排水狀態(tài)下,襯砌仰拱仍然存在水壓。 為了進(jìn)一步分析隧道襯砌背后水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響,建立荷載結(jié)構(gòu)模型,將提取出來的水壓力和圍巖荷載作為外荷載施加至隧道襯砌上,對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性展開研究。

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定Ⅳ級圍巖荷載,然后將第3 節(jié)計(jì)算得出來的水壓力和圍巖荷載共同施加至隧道襯砌結(jié)構(gòu)上,以分析襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。 在評價(jià)隧道襯砌的安全性時(shí),安全系數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2[23]。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)____________

隧道拱頂上部總水頭高度為10,15,20,30 m,隧道正常排水的情況下,襯砌環(huán)向監(jiān)測斷面的軸力、彎矩分布見圖8、圖9。 提取環(huán)向監(jiān)測斷面各典型截面的內(nèi)力軸力、彎矩值,按照規(guī)范要求計(jì)算安全系數(shù)繪制安全系數(shù)包絡(luò)圖(見圖10)。

圖8 各水頭作用下襯砌軸力(單位:kN)

圖9 各水頭作用下襯砌彎矩(單位:kN·m)

圖10 各水頭作用下襯砌安全系數(shù)包絡(luò)圖

由圖10 可知,當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為10 m 和15 m 時(shí),隧道拱頂、邊墻、拱腰、拱腳及仰拱的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求;但當(dāng)隧道襯砌拱頂初始水頭分別為20 m 和30 m 時(shí),隧道拱腳、仰拱的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對常規(guī)隧道防排水系統(tǒng)條件下的巖溶隧道襯砌水壓分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究,主要結(jié)論如下。

(1)在正常排水狀態(tài)下,隧道拱頂?shù)乃畨赫蹨p率依次為100%(10 m 水頭)、99%(15 m 水頭)、97%(20 m 水頭)、93%(30 m 水頭);隧道仰拱的水壓折減率依次為74%(10 m 水頭)、76%(15 m 水頭)、76%(20 m 水頭)、76%(30 m 水頭)。 該排水方案對隧道拱頂?shù)乃畨赫蹨p效果十分顯著,但仰拱的水壓折減率不超過80%。

(2)在水壓和圍巖壓力共同作用下,初始水頭高度小于15 m 時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)能夠滿足安全要求;當(dāng)初始水位超過20 m 時(shí),仰拱處水壓較大,襯砌結(jié)構(gòu)不能滿足安全性要求。

(3)當(dāng)傳統(tǒng)隧道防排水方案用于巖溶弱發(fā)育地層隧道時(shí),需要對仰拱的排水方案進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化,并降低襯砌仰拱水壓,以提高隧道襯砌仰拱結(jié)構(gòu)的安全性。