暴雨情況下巖溶隧道排水方案優化分析

馮 威 艾小文 楊 建 李 凱 周浩文

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

巖溶地質在我國西南地區極為常見，在地表水和地下水的共同溶蝕作用下，地下巖體被長時間溶蝕，形成溝壑發達的巖溶地質，給交通基礎設施建設和運營帶來了極大的挑戰。巖溶地質及巖溶水易導致隧道襯砌結構開裂和變形。如2015年7月滬昆線小高山隧道由于突降暴雨，地下水位短時間迅速上升，導致隧道仰拱承壓破壞。株六鐵路線大竹林隧道，因突降暴雨導致隧道邊墻開裂。由此可見，降雨因素導致水壓力突變是造成巖溶隧道破壞的主要因素之一[1]，因此分析動水壓作用下巖溶隧道襯砌的受力規律對揭示隧道破壞機理和優化排水設計方案十分重要。

目前，針對地下水量較小的山嶺隧道，通常采取不排水或半排水方案即可滿足需求。在含水量豐富的隧道中，半排水或常規排水方案也可基本滿足隧道排水需求。但當巖溶隧道疊加極端暴雨天氣狀況，常規排水方案將難以滿足防排水需求[2]，因此優化改進隧道防排水方案顯得非常必要。本文以天峨至巴馬高速公路段典型巖溶隧道作為工程背景，利用Midas GTS有限元軟件模擬不同排水方案，分析在突遇暴雨情況下二次襯砌的水壓力分布狀況，并重點就設計優化的排水方案進行相關受力分析。

1 項目概況

天峨至巴馬高速公路位于廣西境內，屬亞熱帶季風氣候，全年氣候溫暖雨水豐沛，常發生暴雨洪澇、熱帶氣旋等災害，經統計多年降雨量范圍723.9～2983.8mm，平均年降雨量1647.7mm，屬多雨水地區。

隧道項目位于鳳山縣內，該地區地質狀況復雜，地層起伏多變且溶洞發達地下水貫通，隧道經過區域圍巖破碎程度不同，為研究最不利狀況，特選擇隧道區域內V級圍巖作為研究對象。考慮項目所在地歷史極端暴雨天氣狀況，模擬不同排水方案下巖溶隧道的承壓分布規律及薄弱點，驗證優化后的排水方案可行性，以提高巖溶隧道應對突發暴雨狀況的能力。

（1）常規排水方案設計將隧道周邊圍巖內的地下水通過襯砌背后的環、縱向排水管匯入中心排水溝內，并最終由中心排水溝集中排出隧道，如圖1所示。

圖1 常規排水方案

（2）優化排水方案是在常規防排水方案的基礎上，將隧道中心排水溝移動至仰拱底部，同時延長環向排水盲管至中心水溝，增大其排水能力，如圖2所示。

圖2 優化排水方案

2 隧道滲流模型

2.1 模型的建立

根據地質結構及隧道設計方案，利用實體單元構建Midas GTS三維滲流模型（見圖3所示），滲流模型長和高為35m、寬15m、隧道埋深5m。利用Mohr-Coulomb模型作為材料彈塑性本構分別建立不排水、常規排水和優化排水隧道模型，隧道模型中包括圍巖、二次襯砌、防水板、橫縱向排水盲管及中心排水溝等。

圖3 三維滲流整體模型圖

2.2 模型參數確定

通過設計文件及實地勘察結果，確定構建模型所需幾何參數及物理力學特性，隧道圍巖等級為V級，粘聚力c取值為0.15MPa，內摩擦角φ的取值范圍為25°。采用C35混凝土澆筑二次襯砌，中心排水溝直徑為50cm，橫縱向排水盲管直徑均為10cm。材料物理力學特性見表1所示。

表1 材料物理力學特性

2.3 荷載及邊界

為更好地研究三維隧道滲流情況，實現暴雨情況下對巖溶隧道排水方案優化的目的，獲得暴雨情況下隧道襯砌受水壓力分布狀況，需將滲流邊界設置如下：

（1）假設自由地下水面位于圍巖頂面，且存在充足的降雨補給，地下水位不會因隧道內盲管及中心溝排水而降低[3]。

（2）設定隧道底面為不透水邊界，令其法向流速及流量皆為零。

（3）考慮正常排水環境下，縱向盲管設定為一端無壓力水頭，另一端不排水。

結合隧道工程狀況，隧道埋深較深且上方沒有堆載施工，巖溶發育地下水位與降雨補給地表緊密相連，軟件模擬時僅考慮巖層自重荷載及水壓力荷載，其他荷載忽略。荷載加載模型見圖4。

圖4 荷載加載模型圖

3 模擬結果分析

3.1 整體分布

利用Midas GTS運算三種不同狀況下的隧道滲流模型，二次襯砌周圍的水壓力分布云圖如圖5～圖7所示。

圖5 不排水襯砌水壓分布云圖

圖6 常規排水襯砌水壓分布云圖

圖7 優化排水襯砌水壓分布云圖

不排水方案下二次襯砌最大水壓力分布于整個仰拱，其最大值為8.19kPa。常規排水方案下最大水壓力集中于仰拱中部，其最大值為5.19kPa。優化排水方案后最大水壓力轉移至拱腰和拱頂位置，其最大值為2.5kPa。

3.2 細部分布

為更好地分析二次襯砌受水壓力情況，選擇第1道與第2道縱向盲管中間部位作為典型截面，并選定分布于拱頂、拱腰、邊墻和仰拱的10個特征點作為分析對象，提取各特征點水壓數據，如圖8、表2所示。

表2 不同排水方案下各測點水壓力值

圖8 典型截面及特征點選取示意圖

不排水方案下模擬預測水壓力值與試驗所得孔隙水壓力數據大體一致，水壓力值隨隧道埋深不斷增大，仰拱位置埋深最大，其水壓力最大符合工程經驗。常規排水方案下，邊墻角的水壓力雖顯著降低，但仍未改變隧道襯砌整體受力分布情況。經優化排水方案后隧道襯砌整體受力大幅降低，且改變了仰拱受壓最大的狀況，使得隧道的安全性獲得極大提升。

4 結束語

利用Midas GTS有限元分析軟件結合實際隧道工程，分析在暴雨情況下采用不同排水方案的巖溶隧道二次襯砌受壓情況，模擬結果表明不排水及常規排水方案下巖溶隧道將承受較大的壓力，且基本集中于仰拱部位，導致隧道承壓破壞。而優化后的排水方案可以從根本上改變仰拱最大承壓狀況，并且實現巖溶隧道整體降壓，提升其在暴雨工況下的抗壓能力，對提高巖溶隧道施工及安全運營有較大現實意義。