高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究

姚俊峰,杨其新,蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究

姚俊峰,杨其新,蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

以某富水区山岭隧道为工程背景,通过建立有限元地层结构模型,对隧道结构在高水压力作用下的力学行为进行模拟分析,得出排水率对衬砌外侧水压力分布规律以及衬砌结构受力情况变化规律的影响。研究结果表明:通过改变排水率可以有效降低衬砌外侧水压力,但过低的降低排水率,衬砌外侧水压力降低效果不明显。

山岭隧道;排水率;水压力;衬砌受力

1 概述

长期以来,隧道水荷载计算及地下水治理是隧道工程界的一大难题,也是地下工程亟需解决的问题。关于水荷载发表了不少相关文献:宋超业等在海底隧道衬砌水荷载计算中分析了水荷载作用机理[1];汪磊等在海底隧道预注浆加固效果与评价中,分别用公式法、数值模拟及实验方法对注浆效果进行研究[2];王建秀等在深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论中,对渗流场和外水压力作用系数进行了研究[3];何明磊等结合解析解与数值解分析研究了衬砌厚度、注浆圈渗透系数与注浆圈厚度等因素对隧道衬砌水压力荷载及内力的影响[4];郭瑞、周晓军基于Flac3D流固耦合机理研究了注浆圈渗透系数、注浆圈厚度、衬砌渗透系数及控制排水对衬砌水荷载的影响并与轴对称解析解对比分析[5]等。

随着隧道的设计标准不断提高,隧道防排水设计应进一步加强其系统性,排水与防水应紧密结合,尤其应注重隧道排水系统对防水的基础性作用[6]。

在以往富水区隧道的建设过程中,为有效降低衬砌承担的水压力,一般采用“以排为主,堵排结合”的方法。但隧道排水会对周围生态造成破坏。特别是随着我国可持续发展战略的推进,讲究工程与周围环境和谐相处,富水区隧道必须采取“以堵为主,堵排结合”的方针。如此一来,势必造成隧道衬砌的外水压力增加。因此,研究分析衬砌外侧水压力的分配规律,制定合理的堵排方案,将直接影响到隧道的安全性与经济性。以某隧道为例,通过数值分析以及和模型试验数据进行对比的方法,对不同方案下衬砌外侧水压力分布以及衬砌结构受力进行分析研究。

2 数值模拟

以某富水深埋山岭隧道为工程背景,该隧道埋深800 m;由于该隧道穿越区地质构造强烈,部分区段围岩破碎,属Ⅳ～V级围岩;同时构造区内溶洞较多,含水量丰富,最大水头约为450 m。隧道断面为圆形,毛洞外径为12.0 m,相应力学参数[7]见表1、表2。

表1 围岩力学参数

表2 衬砌及注浆圈参数

采用FLAC-3D软件对隧道结构进行建模,网格模型如图1所示,模型尺寸为100 m×2.0 m×100 m,而上部围岩垂直压力采用施加面力荷载的方式实现,侧边施加水平向面力边界条件,底部采用固定边界[8]。由于围岩渗透系数较小,隧道开挖对周围围岩水压的影响区域有限,假定模型周围边界的水压值保持不变,即为常水头边界。衬砌、围岩、注浆圈均采用8节点四面体单元模拟,采用摩尔-库仑理想弹塑性本构模型。

图1 水压力分布计算模型

为了研究限量排水方案下隧道衬砌外侧水压力以及衬砌的受力特征,定义排水率为实际排水量与排水能力之比,设置以下几种工况[9]:(1)全封闭不排水; (2)排水率20%;(3)排水率40%;(4)排水率60%; (5)排水率80%;(6)全排水不封闭。

3 衬砌外侧水压力分析

不同排水率工况下衬砌外侧各监测点的水压力折减系数如表3所示,相应的水压力折减系数变化曲线如图2所示。可以看出,在排水率一定的情况下,衬砌外侧水压力大体呈现出拱顶处水压力最大,排水管处水压力最小。这主要是水力梯度不同导致的,拱顶处水力梯度最大,排水管处水力梯度最小。随着排水率的增加,衬砌外侧水压力折减系数不断减小,且大体呈线性关系。

表3 各工况下监测点水压力折减系数

图2 不同工况下衬砌外水压力折减系数变化曲线

4 衬砌结构安全性分析

衬砌结构的安全度通过《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)[10]中的破损阶段法来判断。

对混凝土矩形截面构件,当偏心距e0＜0.2h时,即抗压强度控制承载力

式中 Ra——混凝土的抗压极限强度;

Nj——混凝土轴向承载力;

b——截面的宽度;

h——截面的厚度;

φ——构件的纵向弯曲系数,对于贴壁式隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙,可取φ=1.0;

α——轴向力的偏心影响系数,其计算公式为

当偏心距e0大于0.2h时,即抗拉强度控制承载力时

式中 Rl——混凝土的抗拉极限强度;

e0——截面偏心距。

安全系数

式中 N——截面轴向力。

规范中规定了混凝土结构的安全系数的最小值:抗压强度控制截面承载力时,安全系数取2.4;抗拉强度控制截面承载力时,安全系数取3.6。

在不同排水率工况下,衬砌结构各监测点在不同工况下的弯矩、轴力计算值如表4所示。可以看出,排水率一定时,衬砌各监测点的轴力值基本相同,随着排水率的增加,衬砌外侧水压力的不断减小,衬砌各监测点轴力值也在逐渐变小。

根据破损阶段法计算出的各监测点在不同工况下的安全系数如表5所示。可以看出,6种工况下各监测点位置的偏心距均很小,小于0.2h,所以均为混凝土的抗压强度控制截面承载力。随着排水率的增加,衬砌截面的安全系数不断增大。且当排水率小于60%时,安全系数小于2.4,不满足规范要求。当排水率大于60%时,安全系数大于2.4,满足规范要求。因此,在实际工程中,应综合分析衬砌结构厚度、混凝土强度等级、衬砌外侧水压力大小以及不同防排水模式的适用性和经济性等因素综合确定排水系统的排水率。

表4 不同排水率工况下衬砌各监测点内力

表5 不同排水率工况下衬砌各监测点安全系数

5 数值解与模型试验对比分析

为了验证数值法计算得出的富水区山岭隧道渗流场分布规律的正确性与实用性,将数值法计算得出的渗流场分布规律与模型试验得出的渗流场分布规律进行对比分析,互相验证,从而为实际工程中通过调节排水率来控制衬砌外侧水压力的方法提供依据与保证。本节引用北京交通大学杜朝伟、张鹏[11-12]等人所做的模型试验数据,分析试验结果,总结渗流场分布规律。由于在用数值方法进行渗流场分析时所考虑的因素与该模型试验所考虑的因素不同,导致衬砌外侧水压力也不相同,所以本节旨在研究渗流场分布规律的对比。

根据试验方案,分别考虑了排水量为0、6.85、15.26、27.03、37.89、43.28 mL/s和55.83 mL/s 7种工况下的衬砌外侧水压力测试,分别对应的排水率为0%、12.27%、27.33%、48.41%、67.87%、77.52%和100%。

不同工况下衬砌外侧水压力折减系数见表6,相应的衬砌外侧水压力折减系数变化曲线如图3所示。对比图2和图3可知,水压力折减系数随着隧道排水率的变化趋势基本一致,均呈现出随着隧道排水率的不断增大,隧道衬砌外侧水压力折减系数不断变小,且近似呈线性变化趋势。

表6 各工况下监测点水压力折减系数

6 结论

通过对不同排水率的各种工况进行数值模拟分析并与模型试验结果进行对比,可以得出如下结论。

(1)在排水率一定的情况下,衬砌外侧水压力大体呈现出拱顶处水压力最大,排水管处水压力最小。这主要是水力梯度不同导致的,拱顶处水力梯度最大,排水管处水力梯度最小。随着排水率的增加,衬砌外侧水压力值不断减小,且大体呈线性关系。

(2)根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)的破损阶段法来计算衬砌结构的安全系数,可知随着排水率的增加,衬砌结构的安全系数不断增大。且对于本次的数值模拟情况,当排水率小于60%时,衬砌结构的安全性不满足规范要求,当排水率大于60%时满足规范要求。

(3)通过对比模型试验结果和数值模拟计算结果,可以看出随着排水率的增加,两者的水压力分布规律基本一致,相互验证。从而可以为实际工程中,通过数值方法计算衬砌外侧水压力随着排水率的变化规律提供一定程度上的依据和保证。

图3 不同工况下衬砌外侧水压力折减系数变化曲线

[1] 宋超业,周书明,谭志文.海底隧道衬砌水荷载计算[J].现代隧道技术,2008(S):134-138.

[2] 汪磊,李涛,王全胜.海底隧道预注浆加固效果与评价[J].铁道标准设计,2010(12):83-88.

[3] 王建秀,杨立中,何静.深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1339-1343.

[4] 何明磊,胡磊,孟祥磊.隧道衬砌水压力荷载及内力研究[J].铁道标准设计,2014,58(2):79-83.

[5] 郭瑞,周晓军.水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析[J].铁道标准设计,2014,58(4):78-82.

[6] 马志富.铁路隧道防排水设计探讨[J].铁道标准设计,2011(5): 76-78.

[7] 高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[8] 潘建明.高水压山岭隧道衬砌水压力有限元分析方法[J].长沙铁道学院学报,2006,7(3):210-213.

[9] 张铎,张莹.地下水不同控制排放方案对隧道结构与环境的影响分析[J].铁道标准设计,2012(2):95-98

[10]中华人民共和国交通部.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社.2004.

[11]杜朝伟.海底隧道衬砌水压力及结构受力特性究[D].北京:北京交通大学,2011.

[12]张鹏.海底隧道衬砌水压力分布规律和结构受力特征模型试验研究[D].北京:北京交通大学,2008.

Study on the Different Rates of Drainage of Mountain Tunnels in High Water Pressure and Water-enriched Region

YAO Jun-feng,YANG Qi-xin,JIANG Ya-jun
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

This paper,based on the engineering practices of mountain tunnels in high water pressure and water-enriched region,simulates and analyzes the mechanical behavior of the tunnel structure in high water pressure and water-enriched region by establishing a finite structural model with soil layers.The effects of the rate of drainage on the external water pressure on lining and on the stress of lining structure are identified.The study results show that adjusting the rate of the drainage can effectively reduce the external water pressure on lining,but the rate of the drainage too low reduces the external water pressure on lining less obviously.

Mountain tunnel;Rate of drainage;Water pressure;Stress of lining

U451

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.027

1004-2954(2014)12-0113-03

2014-03-05;

2014-04-18

姚俊峰(1987—),男,硕士研究生,E-mail:398184707@ qq.com。