公路隧道巖溶管道水處治技術研究

基金項目：廣西重點研發計劃“高風險巖溶隧道地下水環境影響評價及安全處治關鍵技術研究”（編號：桂科AB22035010）

作者簡介：宋 偉（1992—），工程師，主要從事交通隧道勘察設計工作。

摘要：文章以某高速公路隧道巖溶管道水處治為背景，采用數值計算分析并提出處治方案，結果表明：突發的巖溶管道水壓會對隧道圍巖造成擾動，引起隧道襯砌結構發生位移以及應力變化，對隧道襯砌結構產生不利的影響；隨著巖溶管道處水頭高度增大，巖溶管道水壓引起隧道襯砌位移逐漸增大，巖溶管道處襯砌位移增幅最大；隧道巖溶管道水可采用“排水+加固”處治方案。

關鍵詞：巖溶管道；公路隧道；排水；加固

中圖分類號：U457⁺.5

0 引言

隨著交通強國的穩步推進，在新時代生態保護理念背景下，我國公路建設逐漸往山區延伸，常以隧道的形式穿越山區。廣西壯族自治區處于我國華南地區，雨水較充沛，地下水系發育，在隧道建設過程中難以避免要進行巖溶管道水的處治。盡管目前國內外學者對巖溶隧道的研究已取得了大量的成果，但關于隧道巖溶管道水的研究較少。隧道建成后，巖溶水極易通過巖溶管道進入隧道，使隧道成為巖溶水排泄的主要通道，而巖溶水具有集中、快速、流量大、落差大等特點，若巖溶水消能、排泄不及時，易在隧道周圍形成高水壓，引起結構破損、開裂和局部坍塌等，影響隧道運營安全。本文以某高速公路隧道巖溶管道水處治為背景，利用Midas GTS NX軟件進行數值計算分析，提出處治方案，以期為類似隧道巖溶管道水處治提供參考。

1 工程概況

研究對象為某項目分離式高速公路隧道，隧道主要穿越灰巖區。隧址區地處北回歸線貫穿地帶，降雨主要集中在4～8月，占全年的70%左右。隧址區的地下水主要為巖溶水，水量豐富，地下水總體水流方向以西向東。巖溶主要表現為溶蝕裂隙、管道等形態。

受夏季強降雨影響，施工期間多處隧道出現巖溶管道出水現象，且有一定的壓力，經排查地表、鉆孔以及地質掃描，發現隧道周邊巖溶發育，存在多處消水巖溶管道。部分隧道附近地表存在天然洼地，根據現場情況判斷，在開挖隧道后，水基本往隧道方向排泄。

2 管道水影響分析

2.1 管道水排泄不暢擴散水壓的影響

2.1.1 模型的建立

選用Midas GTS NX軟件進行數值模擬仿真計算，簡化了部分影響較小的因素。以隧道所處實際條件建立數值計算模型，管道水排泄不暢擴散水壓時巖溶管道處水頭高度取50 m，按照壓力的方式加載在模型上。模型長100 m，高100 m，模型左右設置水平約束，底部設置豎向約束，頂部不設置約束。計算模型如圖1所示。

灰巖采用摩爾-庫侖本構模型，初期支護、二次襯砌采用彈性模型，圍巖和襯砌結構材料物理力學參數見表1。

2.1.2 圍巖位移分析

水壓力加載后，隧道圍巖位移云圖如圖2所示。由圖2可知，巖溶管道水壓會對隧道圍巖造成擾動，導致圍巖應力重分布，進而發生位移，圍巖位移主要集中在巖溶管道兩側，最大值為1.46 mm。由于隧道結構的阻擋作用，水壓力往巖溶管道兩側擴散，在巖溶管道上側的圍巖位移大于下側。距離巖溶管道越近，圍巖位移越大，圍巖受巖溶管道水影響越大。

2.1.3 襯砌位移分析

水壓力加載后，隧道襯砌的位移云圖如圖3所示。由圖3可知，巖溶管道水壓會引起隧道襯砌發生位移，襯砌位移主要集中在巖溶管道附近。最大襯砌位移為1.09 mm。襯砌位移在巖溶管道兩側呈現出基本對稱的分布規律，距離巖溶管道越近，襯砌位移越大，襯砌受巖溶管道水影響越大。襯砌拱頂位移大于拱底位移，拱底位移很小，受巖溶管道水影響小。

2.1.4 襯砌應力變化分析

襯砌應力變化能直觀反映巖溶管道水壓對隧道襯砌工作性能的影響情況，圖4、圖5分別為水壓力加載后隧道襯砌最大主應力變化云圖、襯砌最小主應力變化云圖。由圖4可知，巖溶管道水壓會造成隧道局部偏壓，引起隧道襯砌應力變化。襯砌最大主應力變化在巖溶管道兩側呈現基本對稱分布規律，拱頂側增幅大于邊墻側增幅，最大主應力最大增幅為1 322 kPa。距離巖溶管道越近，襯砌最大主應力增幅越大。襯砌最大主應力在巖溶管道邊緣和襯砌交界處表現出最大主應力驟減，最大減幅為1 609 kPa。

由圖5可知，襯砌最小主應力變化在巖溶管道兩側呈現出基本對稱分布規律，邊墻側增幅大于拱頂側增幅，最小主應力最大增幅為1 546 kPa。距離巖溶管道越近，襯砌最小主應力增幅越大。在巖溶管道范圍，襯砌最小主應力表現出驟減，最大減幅為2 736 kPa。

2.2 管道局部水錘效應對隧道結構的影響

由于巖溶水具有集中、快速、流量大、落差大等特點。在巖溶水消能和排泄不及時，會出現局部水錘效應，使隧道結構承受局部高水壓。管道水錘效應受巖溶發育形態、地表水補給、地下水排泄路徑等自然因素以及人工措施因素影響，表現出不同大小的巖溶水壓作用于隧道結構。因此，本節研究巖溶管道局部水錘效應對隧道結構的影響，保持其他條件一致，分別采用巖溶管道處水頭高度為10 m、30 m、50 m、70 m、90 m、110 m的工況進行數值計算。

選取隧道斷面拱頂、拱底、巖溶管道處位移進行分析，巖溶管道處不同水頭高度下隧道結構位移對比如圖6所示。由圖6可知，隧道結構位移在不同水頭高度下變化規律基本一致，在水頭高度從10 m變化至110 m的過程中，巖溶管道水壓引起隧道結構位移逐漸增大，拱頂、拱底、巖溶管道處位移由0.09 mm、0.02 mm、0.21 mm變化到1.07 mm、0.18 mm、2.63 mm。隧道結構在巖溶管道處位移增幅最大，拱頂位移增幅大于拱底，隧道結構在巖溶管道處受巖溶管道水錘效應影響最大。

3 處治方案

處治隧道巖溶管道水的核心是巖溶水，對巖溶水的處治原則通常是以“排”為主，截、堵、排、防相結合。對于巖溶水消能、排泄不及時，隧道結構承受局部高水壓時，為保證隧道結構安全及長期耐久性，應適當采用加固措施。

3.1 排水方案

（1）中心水溝接通巖溶管道。在巖溶管道處設置3根以上?300 mm引水鋼管，采用無紡布包裹，并通過在初期支護背后設置導水槽，拱腳設置匯水槽，橫向設置?300 mm導水鋼管，將水引入中心水溝，如圖7所示。

（2）隧道兩側邊墻縱向設置2根?200 mm導通硬質透水管，采用無紡布包裹。

（3）在巖溶管道段及巖溶管道前后10 m地段，隧道拱腰和拱腳分別設置?100 mm深層泄水孔，內插硬質透水管，包裹無紡布，泄水孔長度≥6 m，縱向間距5 m設置。

（4）在二次襯砌背后鋪設?50 mm環向單壁打孔波紋管，環向管間距5 m設置。

（5）隧道底部設置?100 mm橫向雙壁打孔波紋管聯通中央水溝和襯砌背后導水系統，橫向管間距5 m設置。

3.2 加固方案

（1）在巖溶管道處，初期支護背后回填C20混凝土形成保護殼，擴散管道水沖擊帶來的不利作用，厚度≥2 m，回填混凝土內鋪設直徑為22 mm的HRB400鋼筋網，鋼筋網間距20 cm。

（2）加強隧道二次襯砌。隧道底部設置仰拱，拱圈及仰拱采用C40防水鋼筋混凝土提升二次襯砌結構的延性，保障隧道結構安全及長期耐久性。

4 結語

本文以某高速公路隧道巖溶管道水處治為背景，采用數值計算分析巖溶管道水影響，并提出處治方案，結論如下：

（1）突發的巖溶管道水壓會對隧道圍巖造成擾動，引起隧道襯砌結構發生位移以及應力變化，對隧道襯砌結構產生不利的影響。隧道襯砌位移主要集中在巖溶管道附近，襯砌位移以及應力變化在巖溶管道兩側呈現出基本對稱分布規律，距離巖溶管道越近，襯砌結構受巖溶管道水影響越大。

（2）在巖溶管道處水頭高度從10 m變化至110 m的過程中，巖溶管道水壓引起隧道襯砌位移逐漸增大，巖溶管道處襯砌位移增幅最大，在巖溶水發育的地段，運營期間應注意在巖溶管道處的襯砌狀態。

（3）針對隧道巖溶管道水的處治提出“排水+加固”方案，在隧道建設過程中取得了較好的應用效果，可為類似隧道巖溶管道水處治提供參考。

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