考虑外水压力的山岭深埋隧道变形分析
2011-05-08邓祥辉
邓祥辉
(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710032)
随着西部大开发的不断加快，越来越多的铁路、公路隧道将在西南高山地区修建。这些隧道一般埋置深度较大，穿越富水区，而且水头一般也很高(如两河口交通隧道和锦屏交通隧道)。这些隧道若采用“防排结合，以排为主”的防排水原则，一则不能根治隧道水害，二则导致洞顶地下水位下降，地表水资源枯竭，使本来脆弱的生态环境遭到破坏。采取“以堵为主”则往往会产生高达若干兆帕的水压力，使衬砌难以承受［1-2］。因此，要在不影响生态环境的条件下，安全、可靠地进行隧道施工和运营就必须解决衬砌上外水压力的问题［3-4］。
目前，在隧道衬砌水荷载的计算中，基本上还是参照水工隧洞设计规范和经验。而铁路、公路隧道工程由于防排水系统的设置与水利、水电工程隧道差别较大，仅仅采用折减系数法显然存在很大问题［5］。因此，在折减系数法基础上，按照隧道围岩实际渗流情况来确定衬砌上的外水压力是较为合理的。另外，西南高山区隧道一般埋深较大，而随着隧道埋深的增加，地应力也迅速增大［6-7］。而规范对于Ⅲ～Ⅴ级围岩水平压力的侧向系数通常取值在0.15～0.50的范围，实际工程证明这样的取值范围对这一地区隧道工程明显偏小［8］。因此，根据不同地区隧道工程情况，确定初始地应力侧向压力系数也是非常重要的。
1 外水压力及初始地应力
1.1 外水压力折减公式
对于深埋于含水层的隧道，其经折减后的水压力值往往过大，衬砌难以直接承受，因此在能保持洞顶水资源恢复和水环境平衡的前提下，允许隧道有适当渗漏水以减压，从而减少衬砌和止水工程，应该是经济合理的。分析表明，衬砌渗流一方面造成能量损失，另一方面还减小了水作用于衬砌外表面的面积，衬砌外水压力的降低是这两方面因素叠加的结果［9］。考虑渗流的能量损失和减小作用面积对衬砌外水压力的重叠影响，可以得到允许渗流的隧道衬砌的外水压力预测公式为
式中，P0为经折减后的水压力;β为折减系数法中的折减系数;qs为单位长度未衬砌的毛洞洞壁的自然稳定涌水量(m2/d);q为单位长度衬砌的允许渗流水量(m2/d)。
1.2 初始地应力公式
岩体初始地应力是岩土工程设计与施工所要考虑的重要因素之一，一般来讲，地应力场成因复杂，影响因素众多，确定初始地应力一直是非常困难的问题。根据大量实测及统计分析，并将构造地应力的影响考虑进去，一些学者提出了岩体地应力公式［10］。
Y方向(竖直方向)地应力
X方向(水平方向)地应力
式中，γ为岩体重度(kN/m3);H为埋深(m);μ为泊松比;kt为构造应力系数;k为岩体侧向压力系数。
2 两河口隧道数值计算与分析
2.1 两河口电站1#公路隧道工程概况
雅砻江两河口水电站交通工程1#公路位于四川省甘孜州雅江县境内雅砻江地带，地貌区划属青藏高原东部之川西高原深切割高山区，总体地势呈东西两侧高、中部相对较低态势。1#公路隧道区岩体主要分布为两河口组中段(TIn23)，岩石为深灰至灰黑色砂质碳质板岩夹变质石英砂岩，层面发育，节理较不发育，主要矿物成份为长石、石英。工程区内无大断面通过，断裂构造以构造节理为主，总体构造线为北西—南东向。
雅砻江两河口水电站交通工程1#公路两河口隧道全长5 855 m，穿越呷拉山，隧道桩号K7+480—K13+335。两河口隧道地质构造简单，为单斜构造，岩性为细粒石英砂岩，岩石较坚硬，岩体较破碎，无不良地质和特殊岩层。洞身围岩为两河口组弱风化变细粒石英砂岩，以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主。地下水分为第四系松散堆积层孔隙水压力和基岩裂隙水两类。在隧道掘进至K8+610—K8+680时，遇断层段，水量丰富，地下水位高于隧道洞顶约150 m。
2.2 围岩参数
进入洞身段主要以Ⅳ级围岩为主，Ⅳ级围岩主要参数见表1。本工程施工采用新奥法，隧道开挖采用光面爆破。由于本段为Ⅳ围岩，设计采用单圆心曲墙式衬砌结构，二次衬砌混凝土强度等级为C25，二次衬砌混凝土厚度为40 cm。
表1 Ⅳ级围岩主要参数
2.3 外水压力及初始地应力计算
经实测，得到该段隧道封堵前后单位长度的涌水量分别是:封堵前渗水量qs为0.009 7 m3/s;封堵后的渗水量q为0.001 68 m3/s;折减系数 β为0.6。地下水高度约为150 m，根据式(1)可计算得到外水压力P为0.85 MPa。
本工程地处青藏高原边缘，由于地壳运动的关系，导致初始地应力高。根据工程经验类比和分析试算，侧向压力系数k取0.9。因此，根据式(2)和式(3)，可以得到Y方向和X方向的地应力。
2.4 计算模型及分析
选取K8+660剖面为典型计算剖面，计算区域为69.6 m×58.8 m。隧道原点为O点，隧道外轮廓半径为5.8 m，二次衬砌混凝土厚度为0.4 m，如图1所示。整个计算区域划分为6 158个三角形单元，其中围岩剖分为5 920个单元，二次衬砌剖分为238个单元，共3 223个节点。采用笔者自编程序2D-Tunnel进行有限元分析。
图1 有限元计算
图2 不考虑外水压力的X方向位移(单位:m)
图3 考虑外水压力的X方向位移(单位:m)
图4 不考虑外水压力的Y方向位移(单位:m)
图5 考虑外水压力的Y方向位移(单位:m)
经过计算，分别得到不考虑外水压力和考虑外水压力的X方向和Y方向等值线图，详见图2～图5，图中位移单位均为m。从图中可以看出，考虑外水压力时，计算的X方向、Y方向的值明显偏大。从计算结果来看，考虑外水压力时，Y方向最大变形发生在拱顶A点的正上方，变形值为-4.63 cm，而不考虑外水压力的最大变形值为-3.70 cm;考虑外水压力时，X方向最大变形点位于隧道右侧拱角附近，最大值为1.39 mm，而不考虑外水压力时，最大变形点位于隧道左侧拱角附近，最大值为1.14 mm。比较 X、Y向变形的等值线图可知，Y向变形远远大于X向变形。由此可知，承受外水压力的隧道衬砌破坏形式以受压破坏为主。
为了更清楚地了解考虑外水压力与不考虑外水压力变形值与实测值之间的关系，对该断面进行了实际变形量测。如图1所示，断面测点共设3点，分别是拱顶的A点，洞周的 B、C点，3个实测点位置坐标见表2。本工程对断面位移测量采用SL-2型位移收敛仪，其测量精度为0.01 mm。同时对拱顶A点的下沉位移测量采用高精度 Leica全站仪 TPS800型号。拱顶 A的绝对下沉值以及 A、B、C三点相对收敛位移 UA-B，UA-C和UB-C值详见表3。表3对3个测点两种工况计算值与实测收敛值进行了比较，从表3可见，虽然考虑外水压力和不考虑外水压力两种情况得到的位移值都比实测值小，但考虑外水压力计算得到的位移值与实测值更为接近。这样的情况主要是本工程水压力较大，因此，考虑水压力情况下计算得到的位移收敛值就会更接近实际。
表2 实测点坐标
表3 测点实测值与计算值比较 mm
3 结论
本文对位于青藏高原的两河口隧道进行了实际变形测量，并在考虑外水压力和不考虑外水压力的情况下进行了隧道变形的数值模拟。从计算的过程和结果看，主要有以下几方面的体会和建议:
1)考虑外水压力计算得到的 X、Y方向的位移值均明显大于不考虑外水压力时两个方向的位移值，而且考虑外水压力得到的位移值与实测值更为接近。
2)本工程外水压力折减系数β取0.6是根据工程类比确定的，从计算结果来看，比较符合实际，但建议在富水地区应进行实测外水压力。
3)由于本工程地处青藏高原边缘，初始地应力较高，地应力侧向系数的取值比较重要，取值是不能仅仅根据设计规范来确定。本次计算经试算，取值为0.9，计算结果接近实际，说明结果较合理。
4)对于外水压力较高的隧道工程，施工中可考虑实施既能保障注浆堵水质量，又能提高加固围岩耐久性的注浆措施，这样既能发挥围岩的承载性能，又能有效确保外水压力下衬砌的安全。
5)本文对衬砌、围岩的变形模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等参数未进行敏感度分析，有待进一步讨论。
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