长期浸水对未完工隧洞围岩及衬砌结构的影响

冉建西

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000)

文章编号：1006—2610(2015)04—0046—03

长期浸水对未完工隧洞围岩及衬砌结构的影响

冉建西

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000)

新疆某无压输水隧洞饱和水土体洞段在未完工的情况下被水长时间浸泡，造成围岩二次加速变形，通过浸水前后收敛变形数据反演土体物理力学参数，并对隧洞衬砌结构内力及配筋结果进行对比验算。

长期浸水;无压输水隧洞;饱和水土体;围岩变形;反演计算;衬砌内力。

1 某隧洞浸水情况概述

隧洞停工期间没能抽水，造成全洞淹没8个月。当时，竖井水深23 m，主洞埋深92 m左右，开挖进尺136 m，围岩类别主要为低液限粉土，局部含夹砂砾薄层，隧洞仅完成一次喷锚支护。恢复施工后，为减小地下水位突然下降对洞周围岩的破坏，历时25 d缓慢抽干隧洞，发现桩号3+345 m掌子面塌方。

一次支护：钢拱架喷锚支护，C20喷射混凝土厚15 cm，挂网钢筋为Φ6.5@120×120 mm；锚杆为击入式锚杆，锚杆直径20 mm，L=1.5 m，梅花形布置，环向间距0.8 m；洞壁安装I14工字钢拱架，间距0.5 m。二次衬砌：C25钢筋混凝土，底拱厚50 cm，侧、顶拱厚40 cm。

2 浸水前后隧洞围岩变形和土体力学参数对比

本工程为软土隧洞，在未完成衬砌浇筑的情况下长期被淹没于地下水中，洞周土体在饱和水的渗泡和渗透破坏的共同作用下变形加大、变形速度加快。在此整理较为典型的3+334 m断面浸水前后收敛累计位移值-时间曲线、速率-时间曲线[1]，如图1所示。

图1 3+334 m断面收敛变形位移、速率-时间曲线图

桩号3+334 m断面共计监测344 d，其中第17～258天为隧洞浸水期。图1中可以看出，浸水期内隧洞变形速率较小，隧洞排干后原本已趋于稳定围岩又突然加速变形，变形速度加快1.5～4倍，收敛变形量出现峰值，顶拱测得的最大累计变形值为29 mm，边墙最大累计变形值为62 mm，两者相差2.1倍，边墙变形受浸水影响较大。经观察，一次支护喷射混凝土拱顶及拱间位置出现纵向裂缝。

土体及支护系统长时间在水的浸泡下，一方面使得土体及支护系统强度进一步恶化，同时，降低了土体颗粒间的摩擦系数和粘聚力，约束条件下降。另一方面排水时土体内部形成渗流通道，在围岩内产生了指向洞内的渗透动水压力。因此，通过现有监测断面得到的隧洞浸水前后的变形数据反演，3+334 m断面洞周土体物理力学参数设计值、反演值对比[2]见表1。

表1 3+334 m断面低液限粉土物理力学参数

通过反演分析，桩号3+334 m断面受水浸泡后土体发生软化，泊松比较原设计增加16%，当泊松比由小变大时，侧压力系数[μ/(1-μ)]也随之变大。围岩强度参数中变形模量较原设计降幅40%，粘聚力下降46.7%，内摩擦角减少8.8%，说明低液限粉土受饱和水浸泡后，对粘聚力和变形模量力学性能影响较为明显。

3 浸水前后衬砌结构内力比较与配筋的变化

本工程为无压隧洞，外荷载起主导作用，衬砌结构分别采用结构力学方法、有限元法计算。结构力学法利用普氏塌落拱理论计算山岩压力，理正隧洞结构设计软件计算衬砌设计内力值。有限元法利用岩土工程数值仿真分析软件FINAL复核计算，采用Mohr-Coulomb屈服准则判断围岩在开挖过中的塑性屈服状态，衬砌采用BEAM6曲梁单元模拟。3+334 m断面隧洞浸水前后衬砌弯矩和轴力值汇总及比值分别见表2、3。

表2 3+334 m断面隧洞浸水前后衬砌弯矩和轴力值汇总表

表3 3+334 m断面隧洞浸水前后衬砌弯矩和轴力的比值表

通过对表2、3分析，顶拱浸水前后内力比值在2倍左右，而侧、底拱浸水前后内力比值在3倍左右，侧、底拱内力值受浸水影响较大，这与隧洞收敛变形监测结果规律一致。衬砌计算配筋由原Φ18@200 mm增加至Φ22@200 mm，混凝土含钢量由89.29 kg/m3增加至119.33 kg/m3，钢筋用量增加33.6%，需要对隧洞衬砌结构重新配筋。

4 结 语

本工程输水隧洞同时具有软岩、渗水量大的特点，由于停工期排水不到位，造成洞周土体浸泡软化，降低了围岩物理力学参数，致使衬砌配筋增大。我们应吸取教训，在饱和水土体隧洞未完成衬砌时，切不可停止洞内排水工作，避免高水位浸泡隧洞，造成不必要的经济损失。另外，未衬砌隧洞长期浸水造成土体软化，岩石力学参数性能降低的机理还不够清晰，有待进一步剖析和研究。

[1] 郑甲佳,赵可.围岩浸水对黄土地铁隧道稳定性影响分析[J].铁道学报,2011,(02)：91-95.

[2] 江波.布伦口-公格尔水电站导流洞塌方处理及探讨[J].广西水利水电,2010,(01)：47-48.

[3] 李冠楠.复杂地质条件下小断面排水隧洞塌方处理及预防措施[J].西北水电,2014,(01)：41-46.

Impacts on Surrounding Rock and Lining of Uncompleted Tunnel Immersed in a Long Term

RAN Jian-xi

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000, China)

The uncompleted and saturated section of one pressure-free water transmission tunnel in Xinjiang is immersed in a long term. This causes a secondary expediting deformation of the surrounding rock. Through the data of convergence and deformation of the surrounding rock before and after being immersed, the physical-mechanics parameters of the soil mass are derived in inversion. Meanwhile, the internal forces and reinforcement arrangement of the tunnel lining are compared and verified. Key words:long-term immersion; pressure-free water transmission tunnel; deformation of surrounding rock; inversion calculation; internal force of lining

2014-11-10

冉建西(1982- )，男，新疆和静县人，工程师，主要从事新疆水利水电工程设计工作.

TV672.1

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.012