土质隧洞长期浸水围岩参数及衬砌受力研究

汪启龙 张卫东 李宁

摘 要：地下水位以下土质隧洞围岩稳定性评价是关系到施工安全的重要问题。对于地下水位以下土质隧洞，一般均采取紧跟掌子面的支护方式，采用洞内抽水及井点降水措施。遇到抽水不当或长期停工时，隧洞完全浸泡，洞周围岩物理力学参数及支护结构内力发生变化。针对此问题，建立数值模型，该文通过隧洞浸水前后监测变形值反演围岩参数，利用岩土工程软件FINAL进行衬砌受力分析。

关键词：土质隧洞 浸泡 数值模型 围岩参数 衬砌内力

中图分类号：TV672.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0032-03

水工隧洞与其它建筑物和构筑物不同，建设要想安全、经济的运行，除了要考虑围岩变形和稳定等一般性问题之外，还要特别考虑水的渗流问题，渗流问题是工程设计、施工及运行管理中的重要问题，所以，重视由渗透引起的隧洞的稳定性及安全问题是十分必要的。在隧洞工程中，围岩的稳定性与隧洞的所处地质环境及隧洞建设，包括开挖方法、支护形式、衬砌结构类型、隧洞位置、施工管理等息息相关[1]。在隧道工程施工过程中所进行的围岩变形监测，可以有效地获得围岩稳定性控制所需的关键性宏观信息[2]。对监测的围岩位移进行科学地预测预报，不仅是隧道工程最大限度地实现安全性和经济性统一的关键，也是进一步对围岩稳定性进行数值计算和反演分析的基础[3]。数值分析方法在岩土工程中的广泛使用，其计算参数的不易确定性、新奥法施工技术的应用及对其量测位移的重视是其产生的三大背景条件[4]。谢兴华等用有限元方法研究了单孔洞隧道周围水头场以及衬砌内排水孔的布置方案对渗流场的影响[5]。

岩土体及支护系统长时间在水的浸泡下一方面使得岩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；另一方面在土体内部形成稳定渗流通道，在围岩内产生了指向洞内的渗透动水压力，因此，隧洞浸泡前后的围岩稳定性评价，特别是浸泡后围岩稳定性更是直接关系着施工的安全顺利进行，对于工程安全有效实施具有重要的意义。

1 工程实例及思路

1.1 工程实例

输水工程位于库尔勒市孔雀河流域境内，通过输水管道和输水隧洞，为市经济技术开发区供水，全长13.7 km。隧洞全长9.221 km（包括10 m的明洞段），其中隧洞土洞段桩号1+130～4+085，纵坡为1/500、断面形式为：马蹄形断面3 m×3 m，岩性为低液限粉（粘）土层及第四系含土碎石、含砾砂层，同时具有较高的地下水位，施工期隧洞成洞条件差。土洞段（桩号1+120 m至4+085 m）共计5个工作断面，进口段（桩号1+130 m），1#竖井（桩号2+220 m）上下游洞段以及2#竖井（桩号3+240 m）上下游洞段。该工程2010年开始施工，2011年9月28日停工，2011年11月15日停止抽水，造成地下水淹没全洞段，2012年3月13日将洞内地下水抽干。

1.2 研究思路

该文根据输水隧洞因停工造成洞体及一次支护完全浸泡前隧洞正常开挖过程中的监测变形数据（包括丢失变形数据），反演洞周土体的物理力学参数；根据浸水后隧洞的变形数据，反演长期饱水条件下土体力学参数；根据隧洞浸水情况将隧洞分为长期浸水段进行数值模拟。考虑长期浸水条件下隧洞由于土体饱和、洞周土体湿化、水化以及渗透动水压力影响下的运行期衬砌的受力状态及安全性态，研究设计厚度衬砌受力；土体长期流变荷载下的不同厚度衬砌结构受力分析。

2 模型及监测数据

2.1 计算模型

分析中将岩土体视为弹塑性介质，采用Mohr-Coulomb屈服准则判断围岩在开挖过中的塑性屈服状态；混凝土喷层、衬砌采用BEAM6曲梁单元模拟，采用弹性本构模型；锚杆采用BOLT杆单元模拟，按弹性考虑；有限单元网格见图1所示。

2.2 监测数据

根据在进口段1+331.0断面、1#井2+144.7断面、2#井3+334.0断面多组数据，对该断面处的土体进行了仿真反演分析。浸水前后变形收敛值见表1所示，变形监测曲线图如图2、图3、图4所示。

3 计算结果

计算结果见表2所示。

4 结论

（1）进口洞段，围岩类别为低液限粉土。累计变形量为3.52 mm，支护结构最大拉应力为0.4 MPa，最大压应力为6.0 MPa；正常饱水状态下，监测断面距掌子面1.5倍洞径时变形趋于稳定。变形和受力分析后，隧洞整体处于稳定状态。

（2）#竖井洞段，围岩类别为粉土质砂。累计变形量为12.47 mm，由于渗水严重，支护结构最大拉应力为0.7 MPa，最大压应力为9.0 MPa；正常饱水状态下，监测断面距掌子面1.2倍洞径时变形趋于稳定；不同埋深不同对粉土质砂洞段变形量影响不明显。变形和受力分析后，隧洞整体处于稳定状态，由于渗水严重，仍对洞周土体的整体稳定性有较大影响，建议做好降排水及二次衬砌支护措施。

（3）#竖井洞段，围岩类别为粉细砂。累计变形量为47.95 mm，由于渗水严重，支护结构最大拉应力为1.1 MPa，最大压应力为11.9 MPa，饱水状态下，监测断面距掌子面2.5倍洞径时拱顶及边墙变形趋于稳定，不同开挖断面拱顶变形变化差异较大，边墙变形稳定相对滞后。变形和受力分析后，该洞段变形不稳定，支护结构受力较大，局部洞段已处于失稳临界状态，须及时采取加强支护及二次衬砌施做等措施以保证工程安全。

参考文献

[1] 关宝树.隧洞工程设计[M].北京：人民交通出版社，2003：8-58.

[2] 刘怀恒，熊顺成.隧洞衬砌变形监控及安全预测[J].岩石力学与工程学报，1992，19（2）：91-99.

[3] 李晓红，王宏图，贾剑青，等.隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别[J].岩土力学，2005（6）：850-854.

[4] 陈方方，李宁，张志强，等.岩土工程反分析方法研究现状与若干问题探讨[J].水利与建筑工程学报，2006（3）：54-58.

[5] 谢兴华，盛金昌，速宝玉，等.隧道外水压力确定的渗流分析方法及排水方案比较[J].岩石力学与工程学报，2002（S2）：2375-2378.