強降雨對淺埋小凈距隧道穩定性的影響研究

中圖分類號：U457+.5 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.054文章編號：1673-4874（2025）04-0193-04

0 引言

國家公路網發展迅速，截至2022年年底，已建成公路隧道24850處，運營里程共計為 26784km 。由于部分隧道位于富水、巖溶發育等不良地質區域，若隧址遇強降雨，地下水發生滲流并于襯砌背后進行匯聚，襯砌外水壓力顯著升高，導致襯砌開裂滲水、路面鼓出、頂部掉塊，嚴重威脅隧道運營的安全性[1-3]。受強降雨影響，淺埋隧道的地表沉降越發明顯，嚴重時甚至形成裂縫、塌陷，對周邊居民生活環境造成不利影響4。探究強降雨對淺埋運營隧道穩定性的影響，成為公路隧道領域的研究重點。

截至目前，大多數學者就降雨對隧道在施工期間的影響規律進行了分析，少部分研究了降雨對運營隧道的影響。模型試驗方面，李曉剛等[5基于室內隧道模型試驗，分析了強降雨條件下的巖溶區運營公路隧道襯砌受力特性；翁楊等6提出一種新型隧道排水處治方法，并通過室內物理模型試驗，分析出降雨強度是影響隧道排水的重要因素。現場監測方面，馮儉華等以塊石回填土段隧道為分析對象，在降雨過程中對圍巖變形、支護結構進行現場監測試驗，明確地表沉降變化受到了降雨的影響；周定坤8建立隧道滲流模型，就不同排水狀態、降雨強度的襯砌水壓力分布規律進行分析，認為拱頂對降雨因素較為敏感。數值模擬方面，羅瀾浩9利用數值模擬手段，對降雨入滲條件下的超淺埋小凈距隧道的變形特性進行分析，認為降雨入滲是中巖柱穩定性降低的主要因素；李楊等[1基于有限差分內置語言開發出考慮降雨的非飽和滲流模塊，設計包含降雨強度等因素的正交試驗，對溶洞影響下的隧道穩定性進行分析。理論解析方面，張治國等11推導出與降雨強度、歷時相關的表觀黏聚力分段表達式，將表觀黏聚力引入上限定理的虛功率方程，計算得到關于降雨入滲、地下水位的盾構隧道開挖面支護力上限解；王迎超等[12]基于突變理論，構建淺埋隧道塌方尖點突變模型，推導雙層應變軟化介質、單層應變硬化介質、應變軟化介質組合的圍巖失穩判據。

基于既有研究總結發現，關于降雨對運營階段淺埋小凈距隧道穩定性的影響研究較少。鑒于此，本文以某小凈距公路運營隧道的淺埋段為分析背景，借助于有限元軟件MidasGTSNX內置應力-滲流模塊，對不同強降雨工況的地表沉降、圍巖塑性區、二次襯砌力學特性進行分析，總結降雨強度對隧道穩定性的影響規律。

1工程概況

該小凈距運營隧道為雙向四車道，左線長863. 2m 右線長861.7m，屬于中長隧道。開挖輪廓線高度為10.56m，寬度為 12.86m ，淺埋段中巖柱最小寬度為9. 14m 。據地勘資料顯示，淺埋段主要巖土層分布由上至下依次為素填土、粉質黏土、強風化粉質砂巖、中風化粉質砂巖。圖1為隧道淺埋段地質橫斷面圖，表1為巖土物理力學參數表。區域水文資料表明，該隧址多年平均降雨量約為 1750mm ，日最大降雨量約為160mm，雨季為 6～10 月，夏季強降雨頻發，平均地下水位在隧底30m。

該小凈距隧道采用復合型襯砌類型，以0.25m厚C30噴射混凝土、 ?8mm 鋼筋網（間距為 0.2×0.2m） ！?22 mm藥包錨桿（長度為 3.5m ，環 × 縱 =1.2×1.0m） ！I25b型鋼（全環、間距為 0.6m） 組成的初期支護，在初期支護與二次支護之間設置防水層與預留變形量8cm，二次襯砌采用厚度為0.45m的C35鋼筋混凝土。

圖1隧道地質橫斷面示意圖

第一作者簡介：王有泉（1988一），講師、工程師，研究方向：建筑安全、化工安全、安全生產與管理等。

表1巖土物理力學參數表

2計算模型及參數

2.1有關假設與工況設置

本文主要研究強降雨對淺埋小凈距隧道穩定性的影響，模擬工況的隧道間距為實際最小間距9. 14m ；視為二維平面應變問題進行求解，假設各巖層為各向同性、均質材料；以24h內的降雨量作為衡量標準，區域強降雨分為大雨、暴雨、大暴雨，降雨歷時24h保持不變，建立不同降雨強度工況（見表2）。

表2降雨強度工況表 單位：mm·d-1

2.2數值模擬的建立

利用有限元軟件GTSNX建立不同降雨強度的數值模型，所建二維模型尺寸為120m（長） ×84 m（寬），見圖2。巖土層均為實體單元（M-C），二次襯砌為實體單元（彈性本構），圍巖與二襯之間析取單元作為初期支護（彈性），利用一維桁架單元進行模擬錨桿（彈性），簡化襯砌結構物理力學參數，將初期支護、二次襯砌所涉及鋼筋、鋼筋網等強度折算至噴射混凝土中。襯砌結構物理力學參數取值見表3。地表根據不同降雨強度建立曲面流量邊界，其余邊界為固定約束。在運營隧道的模擬中應將施工階段的位移等清零，再進行完全應力一滲流耦合模擬。

表3襯砌結構物理力學參數表

圖2二維數值模型圖

單位：m

3數值計算結果分析

3.1地表沉降分析

持續強降雨會使地表產生沉降，加之下方淺埋隧道的影響，沉降將加劇。在降雨后對隧道淺埋段地表沉降進行動態監測，可有利于控制隧道穩定性。提取不同降雨強度工況的地表沉降數據，并繪制沉降曲線，見圖3。

圖3不同降雨強度工況下地表沉降值曲線圖

由圖3可知：不同強降雨工況的地表沉降均呈兩側向左、右洞中線逐漸增大的趨勢，而左、右洞中線過渡至中軸線區域的地表沉降有所減小，整體以中軸線兩側呈對稱分布；隨著降雨強度增大，地表沉降也隨之增大，工況三至工況六的地表沉降峰值分別為工況二的133. 8% 、 170.6% 、208. 8% 、219. 1% ，地表沉降速率表現為先增大、后減小的變化規律，說明降雨強度超越一定值后，對地表沉降的影響減小；降雨后應立即進行地表沉降監測，以沉降突變可有效判斷隧道運營穩定性。

3.2隧道圍巖塑性區分析

數值分析中常利用塑性區對隧道中巖柱穩定性開展研究。若中巖柱塑性區發生貫通，小凈距隧道受降雨或地下水影響，可能發生襯砌開裂、滲水等病害，嚴重時發生掉塊、塌方等災害，因此對不同降雨強度工況的淺埋小凈距隧道中圍巖塑性區分布規律進行研究是非常有必要的。不同降雨強度工況的隧道圍巖塑性區分布見圖 4。

圖4不同降雨強度的圍巖塑性區分布示意圖

由圖4可知：隧道原有塑性區于施工階段已經產生，未降雨前中巖柱塑性區已貫通，說明左、右雙洞周邊圍巖發生了較大塑性變形，可能對襯砌形成較大擠壓應力，甚至產生裂縫，為降雨地下水滲流提供了通道；隨著降雨強度逐漸增大，中巖柱對應拱肩、拱腳處圍巖塑性區具有一定發展趨勢，而隧道表層素填土塑性區發展迅速，說明強降雨首先對地表土體造成巨大影響，效應由上至下逐漸衰弱；不同降雨強度工況的中巖柱均發生塑性區貫通，為防止降雨入滲造成隧道失穩，應對左洞（右拱肩、右拱腳）、右洞（左拱肩、左拱腳）進行防水加固設計，確保中巖柱的穩定性。

3.3二次襯砌力學特性分析

由于二維模型關于中軸線對稱，運營隧道不考慮施工階段影響，左、右兩邊結構的模擬數據相差較小，因此本小節取左半部分進行分析，監測點為拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底。提取不同降雨強度工況的二次襯砌豎向位移、水平位移數據見表4，其中“ + ”\"-”分別表示與假設正方向相反。

單位：mm

表4不同降雨強度的左洞二襯位移表

問題，根據第四強度理論，提取Mises等效應力進行分析。不同降雨強度工況的二襯Mises應力分布規律見圖 6

分析不同降雨強度工況的二襯Mises等效應力分布規律，可得出：針對平面應變問題，隨著降雨強度持續增大，二襯各部位的Mises等效應力不斷增大，接近于線性變化；右拱腰處等效應力處于高點，預測若降雨強度繼續增大，拱腰處等效應力也隨之增大，直至破壞為止；基于第四強度理論進行判斷，強降雨條件下二襯拱腰處最易發生材料強度破壞，若該地區多降雨且降雨量較大，淺埋小凈距隧道應提高拱腰處材料的強度與剛度，防止材料受壓破壞。

圖5不同降雨強度的二襯變形規律曲線圖

圖6不同降雨強度的二襯Mises應力曲線圖

由表4的數據整理得到圖5，由圖5可知：各監測點二襯豎向位移均表現為沉降，且隨降雨強度增大而呈近似線性增大，拱頂沉降尤其顯著；二襯水平位移除右拱腰外，均向隧道內部進行收斂，并隨降雨強度增大而緩慢增大，變化并不明顯；相較于水平位移，二襯豎向位移受降雨影響較為明顯，主要變形以豎向沉降為主。二襯作為彈性結構，不允許有較大變形，而降雨強度增大導致二襯豎向沉降非常顯著，當變形超過限制值后，二襯將會開裂，降雨入滲效應與裂縫發展將快速裂化二襯，必須采取及時加固措施防止二襯開裂。

4結語

本文以某實際小凈距隧道淺埋段為依托背景，構建不同降雨強度的運營隧道仿真模型，通過對不降雨強度工況的隧道地表沉降、圍巖塑性區、二次襯砌變形及等效應力進行分析，評價隧道穩定性，并提出相應調整措施，得出下列結論：

（1）地表沉降關于中軸線對稱分布，從兩側向中軸線呈先快速增加、后緩慢減小的趨勢，兩個轉折點分別為隧道中線、中軸線，沉降峰值位于左、右洞中線處；隨著降雨強度持續提高，地表沉降也隨之增大，沉降變化速率為先增大后減小的趨勢；通過分析地表沉降變化規律，可動態評估隧道穩定性，便于及時采取措施進行干預，避免隧道失穩。

（2）強降雨加劇中巖柱塑性區發展，圍巖產生較大塑性變形將擠壓襯砌，進而使二次襯砌開裂；淺埋地表土層受強降雨影響，塑性區加速形成，若隧道塑性區與地表塑性區發生貫通，將為降雨入滲提供渠道，嚴重威脅運營隧道安全性；右拱肩、右拱腳、左拱肩、左拱腳應采取防水加固，確保中巖柱穩定性。

（3）二次襯砌變形主要以豎向沉降為主，隨降雨強度增大呈近似線性增大，拱頂沉降明顯；二襯變形受降雨影響較為明顯，預測當降雨強度達一定數值后，二襯將產生開裂現象，降雨入滲與裂縫相互作用，將加劇隧道破壞，因此，應提前采取干預措施。

（4）隨著降雨強度持續提高，二次襯砌Mises等效應力接近于線性增大趨勢，根據第四強度理論，可判斷拱腰處二襯材料易受壓破壞，淺埋偏壓隧道應進行動態監測，及時采取措施提高二襯薄弱部位的強度以及剛度。

參考文獻

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