安平隧道衬砌水压力分析*

2020-02-07肖文贵傅鹤林

公路与汽运 2020年1期

肖文贵，傅鹤林

(1.龙琅高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000；2.中南大学，湖南长沙 410075)

影响隧道衬砌水压力的因素主要有外部因素和内部因素两类，外部因素有大气降雨、周边复杂水系环境和水流通道等，内部因素主要有地下水来源、围岩的渗透系数、衬砌外加固圈和衬砌的渗透系数、地下水头大小等。湖南龙琅(涟源市龙塘镇—新化县琅塘镇)高速公路安平隧道地质构造复杂，施工中屡次出现岩溶突水。该文以该隧道为例，研究隧道衬砌水压力的分布。

1 隧道岩溶突水情况

1.1 工程地质

安平隧道起讫里程为K13+198—K16+750，全长3 552 m，最大埋深342.69 m。进口右洞掌子面开挖至K13+803.5，无地下水，该处埋深305 m。原设计地质情况：微风化灰岩，偶夹泥质灰岩，层间具错动和轻微溶蚀现象；发育有溶蚀裂隙或溶洞，地下水分布不均，基本较贫乏，但可能分布竖直型岩溶裂隙，地表连接岩溶洼地、漏斗等，为Ⅲ级围岩(见图1)。

图1 安平隧道剖面图(单位：m)

1.2 水文地质

隧道区地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水，地下水补给主要来源于大气降水、沿南北向断层和岩溶带的纵向远距离补给。

设计阶段的地质调查和钻孔水位测量结果表明，洞内地下水位从进口往出口持续降低，出口段已低于隧道标高。进口段地下水基本从月光岩的溶蚀管道流出，水量约2 000 t/d，暴雨季节约2万t/d，出水高程475.90 m。钻孔钻探结果显示：洞身ZK13-3(K13+838)钻孔水位离孔口79.50～81.20 m，水位高程684.95～686.65 m；CZK13-1(K14+440)钻孔水位离孔口71.20 m，水位高程679.10 m；ZK15-3(K15+648)钻孔水位离孔口80.00 m，水位高程525.00 m；CZK15-2(K16+731)钻孔水位离孔口39.50 m，水位高程489.80 m。

1.3 岩溶发育情况

隧址区的灰岩地层岩溶较发育，分布于岩层上部，其次为沿地层倾向较发育，下部白云质灰岩及泥质灰岩地层岩溶发育一般或不甚发育，以裂隙为主。区内地层分布较复杂，岩性差异较大，地质构造复杂，断裂发育。但由于线路展布方向与地层走向、断裂延伸方向大角度相交或近于直交，构造对隧道的影响有限，区域地质较稳定。

K13+600—K14+800段洞身段多分布竖直型岩溶裂隙，深度较大，地表连接岩溶洼地、漏斗等，地下发育深度几十米至几百米不等，向下延伸至洞室，部分溶蚀裂隙影响到隧道区甚至以下，贯通的岩溶裂隙对隧道影响较大。根据ZK13-3、CZK13-1钻孔钻探结果，岩溶主要发育于地表以下50.0 m范围，下部岩溶发育一般或不甚发育。

K13+750—K14+000段岩溶在地表表现为岩溶漏斗、落水洞等，根据ZK13-3钻孔钻探结果，上部50 m范围内岩溶发育，局部岩溶裂隙向下延伸至洞室，贯通的溶蚀裂隙对隧道影响大。该段施工会有突水可能。

K14+000—800段岩溶地表为溶沟溶槽，根据CZK13-1钻孔钻探结果，该段岩溶总体发育一般，局部岩溶较发育，受构造挤压影响，岩体较破碎，构造裂隙与岩溶裂隙相连并向下延伸至洞室，会对隧道造成较大影响。该段施工会有淋雨现象，局部会有突水可能。

从2018年12月下雪以来，一直持续阴雨天气，其中2月有22天降雨。掌子面出水后，掌子面上方地表虽未见外露的水塘、水库、集水坑等，但有大面积汇水区(见图2)。

图2 地表汇水情况

1.4 岩溶突水情况

右洞进洞之后，已施工的605 m中，前400 m(K13+640以前)主要为钙质页岩或夹灰岩，微风化为主，局部节理发育。K13+640以后，逐渐由钙质页岩变为微风化灰岩和岩溶化灰岩，围岩完整性较好，多为中～厚层状，岩质较硬，岩体完整性较好，局部裂隙稍发育，围岩稳定性较好。施工中，地下水贫乏，仅局部(K13+793左侧边墙、K13+780拱顶、K13+730左侧拱腰等)有滴水现象。

洞身K13+680—760段发育一道F5-1断层带，与路线约呈80°相交，走向北东，倾向北西，倾角约65°，岩层挤压带和破碎带宽约80 m，是一条高压富水带。为地表水转入地下水的入口地带，地下水丰富，活动强烈，形成规模不等的溶蚀裂隙、溶洞甚至地下暗河，且为南北方向地下水的通道。但实际施工中发现该段围岩完整性较好，未见地下水，按三级施工。

截至2019年3月9日，K13+803.5掌子面共施工出水孔和超前探孔16个(见图3)。3月2日，掌子面右侧拱腰附近在施作加深炮眼时出现地下水。最开始为清水，3月3日下午开始变为浑浊水。该阶段隧道水流量为130 m3/h，总出水量为130 m3/h×8.5 h=1 105 m3，累计出水1 555 m3。

图3 掌子面钻孔布置

3月3日21：30，1#～5#孔内水量减少，但仍为浑浊泥浆水，其中5#孔内水流水平喷射距离为4 m。这种涌水情况一直持续至4日2：30第二批超前钻孔施工完毕。该阶段水流量为90 m3/h，总出水量为90 m3/h×5 h=450 m3，累计出水2 005 m3。

3月4日2：30，在5#孔四周施工6#～9#孔径600 mm的钻孔。其中：6#、8#孔深4.5 m，有水淌出；7#、9#孔深4.5 m，均未见水。1#孔内冒水量剧烈增加，孔高4 m，水平喷射距离8 m。5#孔内水流水平喷射距离为2 m。2#、3#、4#孔内仍持续向外流淌少量浑浊水。该冒水情况一直持续至3月4日16：10仍未变化。洞内掌子面后方地面有泥质沉淀物堆积，厚度3～7 cm。该阶段水流量为140 m3/h，总出水量为140 m3/h×14 h=1 960 m3，累计出水3 965 m3。

3月4日16：10，在8#孔左侧40 cm位置施工10#超前钻孔，孔径800 mm。10#孔钻至9 m深时开始冒水，孔高4 m，水平喷射因台车影响无法确定，为浑浊水。该阶段水流量为140 m3/h，总出水量为160 m3/h×5 h=800 m3，累计出水4 765 m3。

3月4日21：30，在掌子面中间距地面4 m高的位置施工11#超前钻孔，孔径800 mm。11#孔钻至10 m深时开始冒水，水平喷射距离因台车影响无法确定，为浑浊水。1#、5#、10#孔内水量减少，水平喷射距离因台车影响无法确定。该阶段水流量为140 m3/h，总出水量为150 m3/h×48 h=7 200 m3，累计出水11 965 m3。

3月6日21：30，在11#孔左侧距地面4 m高的位置施工12#超前钻孔，孔径800 mm。12#孔钻至9.5 m深时开始出水，为浑浊水，继续钻进3.5～4 m后遇到岩石。1#、5#、10#、11#孔内水量减少，总出水量变化不大，水平喷射距离因台车影响无法确定。该阶段水流量为140 m3/h，总出水量为150 m3/h×5 h=750 m3，累计出水12 715 m3。

3月9日，在13#和14#孔之间、12#孔下方分别施工15#、16#超前钻孔，孔径80 mm。15#孔钻进5 m后卡钻，孔内有浑浊水流出。16#孔共钻进13 m，在11 m处有浑浊水流出，有2 m空腔，且在推进钻杆过程中，11#和12#孔内有喷水现象。到3月9日23：00，出水量约为70 m3/h×48 h=3 360 m3，累计出水17 755 m3。水流情况见图4。

图4 隧道突水情况

K13+793左侧边墙有一爆破遗留孔，3月1日有轻微淌水。3月3日13：30，2#超前探孔施工完毕后，该孔的水流开始增大；17：30超前地质预报TSP完成，掌子面水变浑浊，该孔内水也变浑浊。3月4日凌晨，5#孔施工完毕且开始涌水后，该孔内水仍为浑浊水，但水量开始减少。

1.5 超前地质预报情况

2018年12月2日进行长度为125 m的TSP探测，该段内围岩为微～弱风化灰岩夹硅质岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体较破碎，节理裂隙较发育，局部有地下水发育。

2019年1月20日，在YK13+753处进行超前地质钻探，探明YK13+753—833段为微风化灰岩夹硅质岩，未发现前方有泥质、地下水、空腔体等异常情况。

2月28日，在YK13+790—820段进行地质雷达扫描探测，该段围岩主要为微～弱风化隐晶质灰岩夹硅质岩，多呈中～厚层状，岩体大部较完整，局部破碎，节理裂隙发育一般，岩质较硬，局部围岩间有硅质和角砾胶结，围岩稳定性较好。

3月3日9：00，对右洞掌子面进行地质雷达扫描，水平方向沿拱顶、拱腰、拱底布置3条测线，并在1#孔左侧沿竖直方向布置1条测线，对掌子面前方情况进行探测。下午在掌子面进行TSP探测。综合这两次探测结果，结合现场实际情况和钻孔情况，得出：1) YK13+803—840段面向掌子面左侧和中部区域的围岩为微～弱风化灰岩夹硅质岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体大部较完整，局部较破碎，节理裂隙稍发育，岩质较硬。YK13+806—809段右侧区域有强裂隙水发育，YK13+810—818段右侧及右侧轮廓线外有溶蚀沟槽或溶洞发育，溶蚀沟槽或溶洞中有大量承压水和泥质充填，YK13+810—818段可能发生突泥突水。2) YK13+840—880段围岩为微～弱风化灰岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体破碎～较破碎，裂隙或溶蚀裂隙较发育。该段可能会断续出现溶蚀沟槽或溶洞，溶蚀沟槽或溶洞中有水和泥质物充填。3) YK13+880—900段围岩为微～弱风化灰岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体大部较完整，局部较破碎，节理裂隙稍发育，岩质较硬，地下水较发育。4) YK13+900—920段围岩为微～弱风化灰岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体较破碎，局部裂隙或溶蚀裂隙较发育，岩质较硬。

3月7—8日，对隧道洞顶地表进行地质调查，在掌子面中部偏左补充进行地质雷达扫描。结合前期地质雷达扫描结果和超前探孔结果，得出：YK13+803—825段围岩为微～弱风化灰岩夹硅质岩，多呈中～厚层状，局部薄层状，岩体大部完整，局部较破碎，节理裂隙较发育，岩质硬；YK13+806—809段有溶蚀裂隙和溶蚀沟槽发育，溶蚀裂隙和沟槽中含水；YK13+810—818段隧道中线往左2 m至右侧有溶蚀沟槽和溶洞发育，推测该溶洞向隧道右侧轮廓线外发育，溶蚀沟槽和溶洞中有水和少量泥质充填。

2 隧道衬砌水压力

2.1 突水处理方案

(1) 根据地层揭露情况，施工风险基本可控，可进行短进尺、弱爆破开挖施工，但应制订突水涌泥安全预警方案。

(2) 加强超前超长钻孔探测，查明岩溶发育特征，根据岩溶形态采取合适的处治措施。若揭露岩溶为管道流，隧道施工后应恢复原有管道的连通，维持原有水系；如揭露岩溶为裂隙流，则采取以堵为主、限量排放的措施，并采用抗水压衬砌结构。

(3) 加强隧道内监控量测及超前地质预报、地表水和地下水环境监测与调查。

2.2 衬砌水压力计算

加固圈的渗透系数k1=3.51×10-6cm/s，衬砌的渗透系数kc=1.23×10-7cm/s，围岩平均渗透系数k2=4.12×10-4cm/s。半径R=32 m以外，原始渗流场水压力与地下水水压力相等，即Pi=50 kPa，相当于5 m高的水柱头。基于流固耦合计算，得到围岩、衬砌和加固圈中地下水渗透压力分布(见图5～7)。

图5 围岩中渗透水压力分布

图6 衬砌中渗透水压力分布

图7 加固圈中渗透水压力分布

2.3 基于周边位移计算作用在衬砌上的压力

根据设计，隧道按照Ⅳ级加强围岩支护，设有仰拱结构。因此，隧道拱脚约束为铰接，假设隧道拱脚处位移忽略不计。隧道上半断面内轮廓见图8。通过监控量测，得到隧道拱顶竖向位移，根据竖向位移求出作用在隧道衬砌上的压力，并将计算出的压力简化为径向均布荷载(荷载沿隧道洞周范围均匀分布)。如果考虑渗透水压力，则该力为水压力和围岩压力的总和；如果不考虑渗透水压力，则该力为围岩压力。

R为拱圈半径；δh为拱项累积下沉量；ψA为拱脚处切线的转角(以逆时针为正)；VA、VB、HA、HB为拱脚支承反力；θ(0≤θ≤π)为拱跨结构对应的圆心角的一半；实线部分为变形前的轮廓，虚线部分为变形后的轮廓。

图8 隧道断面总体示意图

图9 隧道断面受力示意图

通过分析，得ψA与δh的关系近似为：

(1)

假定在2φ(0<φ<θ)范围内两侧对称分布径向压力w(隧道断面受力见图9)，则竖直方向的分力(分布荷载的合力在水平方向的分力为零)为：

(2)

分布荷载对A点的力矩为：

MAw=2R2wsinφsinθ

(3)

由结构力平衡及对A点的力矩平衡，有：

HB+HA=0

(4)

VA+VB-Vw=0

(5)

MAw-2RVBsinθ=0

(6)

A点的水平位移和转角在隧道结构在荷载w作用下的关系为：

(7)

式中：EI为衬砌结构抗弯刚度；AHH=2θc2+k1(θ-sc)-2k2sc；c=cosθ；k1=1-α-β；α=I/(AR2)；β=FEI/(GAR2);F为形状系数，取1.21；G为衬砌结构剪切弹性模型；A为衬砌断面面积；s=sinθ；k2=1-α；AMH=AHM=k2s-θc；LPH=wRc[θ(1-cm+sn)+k1/(2c)(scm+c2n-θm-φm)+k2(sm+cn-θ-φ)]；m=cosφ；n=sinφ；AMM=1/(4s2)[2θs2+k1(θ+sc)-2k2sc]；LPM=wR/2[θ(1-cm+sn)+k1/(2s2)(θ-θcm-φsn+sc-sm)+k2(θ+φ-sm-cn)]。

将δHA=0、MA=0代入式(7)，得：

(8)

HA=L1N1

(9)

将式(8)、式(9)代入式(2)～(6)，得：

HB=-HA，VB=Rwsinφ，VA=Rwsinφ

该隧道θ=90°，二次衬砌结构为45 cmC25砼，初期支护为C20喷射砼、I20工字钢(见图10)，工字钢间距d=50 cm。沿隧道纵向取0.5 m长支护结构为研究对象，衬砌拱顶累计沉降μh=0.018 m。工字钢弹性模型Es=212 GPa，泊松比μs=0.3。砼的泊松比μs=0.2，C20和C25砼的弹性模量分别为Ec1=27.8 GPa、Ec2=30.2 GPa。

按面积加权平均得出衬砌结构的弹性模量为：