環境敏感區公路隧道抗水壓襯砌優化研究

何佳銀 張濤 王麗軍 陳樹汪 王安民 高鵬興

摘要 環境敏感區隧道常采用“以堵為主，限量排放”的防排水原則，為分析高水頭荷載下襯砌結構的受力模式，討論對襯砌結構的優化及其效果，文章依托某公路隧道，對不同水頭荷載下各襯砌方案的受力情況進行計算。結果顯示：仰拱為高水頭荷載情況下襯砌結構的薄弱環節，通過加厚仰拱襯砌，采用變截面襯砌斷面的方案提高了襯砌整體承載能力，優化了受力模式；變截面的優化方案在斷面面積增加14.6%的情況下，承載能力得到了130%以上的提高，這種優化方式具有可行性和優越性。

關鍵詞 公路隧道；富水地層；抗水壓；襯砌；變截面

中圖分類號 U453.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0055-04

0 引言

隨著我國公路建設進程的深入，路線受到各種因素的制約，隧道不得不穿越一些環境敏感區域，給工程建設帶來很多挑戰，地下水的處理便是其中一種。山嶺隧道由于埋深大，地下水位高，水壓力大，使地下水對隧道安全的威脅加大，對地下水的控制是急需考慮及解決的問題。

在隧道施工建設過程中，大量抽排地下水，勢必會引起地下水位下降。特別是巖溶區，深層溶隙水從滲流轉為明流加大了深層地下水的排泄量[1]，地下水對植被的生長起著至關重要的作用，無限制地排水將對生態環境系統造成不可逆的后果。

為保證隧道開挖涌滲水后地下水仍處于“地下水生態平衡埋深”[2]，環境敏感區公路隧道的防排水需綜合考慮襯砌結構的安全性和對生態環境的影響。目前，面對地下水，隧道工程一般采取的工程措施主要有“堵”“排”兩種。隨著環境保護意識的不斷增強，隧道施工過程中對地下水的處理已經由以前“以排為主”的原則轉變為“以堵為主，限量排放”的原則，我國一些隧道也在實際施工過程中踐行了“限量排放”的指導方針[3]。

1 工程概況

某高速公路隧道沿線溶巖分布普遍，水文地質條件較為復雜，各種含水層（組）均有分布，地下水類型齊全，賦存裂隙水，局部地段埋藏層間水。地表共分布29個村莊，隧道施工開挖易引起地下水位改變，從而影響地表生態環境及居民正常生產生活用水，可能造成隧道工程區泉水消失或流量減小、地表植被等生態環境被破壞以及對居民生活用水產生影響。

該項目將“以堵為主，限量排放”作為隧道防排水原則。堵水勢必會使襯砌結構承擔較大的水頭荷載，綜合考慮隧道結構安全和地表生態兩方面，對隧道襯砌結構作了優化，并借助數值軟件對優化效果進行驗證和量化分析。

2 富水地層隧道襯砌受力模式分析

為探明承受較大水壓工況下，隧道襯砌結構的受力模式，對襯砌結構的內力進行分析。

由于隧道初期支護自身不防水，初支及二襯之間鋪設防水板，因此考慮二襯承擔全部水壓力及70%圍巖開挖釋放荷載。綜合考慮隧道周圍注漿效果以及圍巖的滲透水能力，對隧道襯砌所承受的水壓按水頭50%進行折減，根據隧道埋深以及圍巖自重情況，得到的隧道結構所承受的豎向和水平荷載如圖1所示。

該文以隧道二襯為分析對象，采用荷載－結構法，襯砌采用梁單元進行模擬，襯砌設計厚度為0.7 m，縱向寬度取1 m，地層抗力采用僅受壓彈簧單元進行等效。建立隧道二襯模型如圖2所示。

以水頭荷載高度30 m為例，通過計算及分析，優化前隧道二襯結構彎矩如圖3所示，安全系數[4]分布情況如圖4所示。

分析上述計算結果，二襯中彎矩最大的位置為仰拱中部，安全系數也為仰拱中部最小。究其原因，是仰拱結構相較于上部拱圈更扁平，其抵抗彎矩的能力更弱；且水壓力會隨著水頭的增加而升高，體現在隧道結構上為仰拱所承受的水壓力較上部拱圈大，在兩種不利因素的共同作用下，仰拱成為富水地層中隧道襯砌的薄弱環節。而上部拱圈中各部位的安全系數均遠大于規范規定鋼筋混凝土的最小安全系數，在該工況下，上部拱圈的結構設計仍有較大的富余量。

3 抗水壓型襯砌優化及效果分析

綜合考慮襯砌結構受力的整體性，充分利用上部拱圈二襯的安全系數富余量，從加強“木桶原理”中“短板”的角度出發，對富水地層中襯砌結構的薄弱環節進行優化，即加厚仰拱二襯厚度至1 m，采用不等厚襯砌斷面，上部拱圈和仰拱之間采用漸變過渡的小圓弧連接。

為分析抗水壓型襯砌整體受力狀態，了解結構所處安全狀態，探討相較于原設計的優化效果，基于上述工程，對優化前、后的隧道結構全面進行受力對比分析。

3.1 模型的建立

結合優化后的隧道斷面型式，建立隧道抗水壓襯砌數值計算模型如圖5所示，計算中采用變截面梁單元模擬襯砌結構不等厚襯砌之間的漸變過渡[5]。

3.2 計算工況

分別對不同荷載條件下優化前后的二襯結構各部位安全系數進行分析，以期掌握隧道二襯結構優化效果及確定其所能承受的水頭壓力。計算工況如表1所示。

3.3 計算結果分析

借助有限元計算軟件分析隧道襯砌結構受力，計算不同工況下的二襯安全系數，結果如圖6、圖7所示

從以上計算結果可以看出，襯砌截面優化后，隧道上拱圈與仰拱安全系數之間的差距縮小，在不同水頭高度下均表現出結構各部位承載能力利用率相近，說明結構受力模式相對等截面襯砌更為合理。統計不同水頭荷載情況下隧道結構的最小安全系數隨水頭高度的變化情況，如圖8所示。

襯砌的最小安全系數呈現出隨著水頭高度的增加而逐漸減小的變化趨勢。以該項目為例，按規范給定的最小安全系數控制，優化后（變截面）相較于優化前（等截面），襯砌結構所能承受的水頭荷載高度約由30 m提升至60 m，承載能力提升約1倍。

取同一水頭高度下，不同襯砌結構工況下的截面安全系數，分析優化截面形狀后對襯砌承受水頭性能的變化情況（以30 m水頭為例，其他水頭荷載下規律一致），結果如圖9所示。圖9 30 m水頭下不同截面型式隧道安全系數對比圖

由圖9可知，在同一水頭高度下，變截面襯砌相對等截面襯砌各部位的安全系數均占優，說明襯砌截面在優化后，整體受力模式更加合理。

分析變截面相對等截面結構在同一水頭高度下最小安全系數提高比例，結果如表2所示。

從表2可以看出，結構承受的水頭荷載越大，變截面的承載能力提升越大，即結構的優化效果越明顯。采用變截面后，截面面積較等截面增加約14.6%，而隧道襯砌結構抗水壓性能則顯著提升，達到130%以上。

4 結語

為了避免對生態環境造成不可逆的傷害，隧道常采用“以堵為主，限量排放”的防排水方案，這造成襯砌結構面臨著較大的水頭荷載。通過對高水頭下隧道結構的受力模式分析，確定襯砌結構的薄弱環節。通過對工程措施進行優化，并對優化結果進行定量分析，得到以下的結論：

（1）在高水頭荷載下，仰拱為襯砌結構受力的薄弱部位，因此隧道結構的優化可以從加強仰拱出發。該文討論了增加仰拱厚度，從而提高襯砌整體承載能力的可能性，該措施切實可行。

（2）通過優化斷面，不同的水頭荷載下，襯砌結構各部位相互配合承載更加協調；上部拱圈厚度不變的情況下，優化仰拱厚度，上部拱圈的安全系數也同樣得到了提高，說明優化后改善了襯砌的整體受力，受力模式更加合理。

（3）分析不同水頭荷載下，優化后相較于優化前襯砌結構承載能力變化情況：荷載越大，優化效果越明顯。綜合考慮優化的投入，斷面面積增加14.6%，得到了承載能力提高130%以上，說明該優化具有顯著的優越性。

參考文獻

[1]程盼. 基于生態平衡的隧道地下水滲控方法及限排水標準研究[D]. 長沙：中南大學， 2014.

[2]羅鑒銀， 傅瓦利. 巖溶地區開鑿隧道對地下水循環系統的破壞——以重慶市中梁山為例[J]. 西南農業大學學報（自然科學版）， 2005（4）： 432-435.

[3]張惠昌. 干旱區地下水生態平衡埋深[J]. 勘察科學技術， 1992（6）： 9-13.

[4]公路隧道設計規范 第一冊 土建工程： JTG 3370. 1—2018

[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[5]王海濤. MIDAS/GTS巖土工程數值分析與設計[M]. 大連：大連理工大學出版社， 2013.