富水区隧道防排水体系数值模拟分析

陈昕 张志强

【摘要】山岭隧道往往会遇到富水断层破碎带。随着环保意识的增强，保持生态平衡己成为在富水断层区隧道修建的目标。为了为类似施工提供一定的类比和参考，文章以浦梅铁路牛峒山隧道为依托，采用Flac3D有限差分模拟软件，对不同环状排水盲管间距下隧道的二次衬砌应力、内力以及安全性进行了分析。研究表明：对于富水区隧道而言，环状盲管的不同布置方式主要影响二次衬砌的应力大小，而对结构的内力、安全性影响不大。

【關键词】富水区; 隧道防排水; 环向盲管; 衬砌内力; 安全性

【中国分类号】U453.6【文献标志码】A

岩土工程与地下工程

我国西部和南部有较大面积处于热带季风或亚热带季风气候，雨量丰沛、地下水系发达。因此在这个地区，修建深埋长大山岭隧道不可避免地会穿越高压富水地区，而现今对水环境生态平衡要求较高，地下水问题尤其高压富水问题是建设过程中必然要面对的问题[1-2]。

本文以位于浦梅铁路牛峒山隧道为研究对象，对不同环向盲管间距下隧道的衬砌结构应力、内力等进行分析，研究高地下水位情况下防排水系统的布置对围岩和支护结构的影响，以为类似隧道建设提供一定的理论支持和技术保障。

1 工程概况

牛峒山隧道位于浦梅铁路杨源站至连城站区间内，隧址附近的主要水源为一条中型河流，平水期日流量81 200 m3，洞身分布有三个水库，水质具酸性侵蚀。隧道界限宽度7.95 m，隧道进口、出口洞口段围岩极破碎，遇水易软化，围岩级别V级，隧道在断层破碎带及软弱破碎围岩段落，易发生涌水、坍塌、围岩大变形等地质灾害。

2 数值计算模型及参数

根据牛峒山隧道施工图的实际地形图，在综合分析隧道和地质资料基础上，选取最不利工况建立数值分析模型。隧址区域附近，主要为Ⅴ级围岩，拟采用弹塑性材料模拟，本构准则选取Mohr-Coulomb准则，不考虑初期支护和二次衬砌的塑性，采用弹性材料模拟，其中二次衬砌视为不透水材料。建立数值模型如图1所示，水头位于隧道拱顶上方60 m处，除上边界外，其余各边界均施加静力场法相约束和渗流场自由约束。

借鉴过往研究经验中关于衬砌外排水系统中环向盲管的设置[3]，并结合牛峒山隧道工程实际，决定将环向盲管间距设置为：5 m，7 m，9 m，12 m和15 m，以研究盲管间距对衬砌水压力的影响。模拟排水的方式，一方面是采取将排水管区域置空的方式移除单元以模拟排水管的空洞，另一方面则是将排水管表面的静水压力固定为零，使得地下水可以源源不断地渗出[4]。

3 结果分析

3.1 竖向应力

如图2所示，竖向应力方面，二次衬砌均承受压应力，压应力主要集中在拱顶附近，仰拱处次之，最大分别达到了4.63 MPa和4.06 MPa。而拱腰处最小，几组工况应力值在0.2 MPa附近，二者大小相差约20倍。仰拱和拱顶处应力随环向排水盲管间距的扩大而减小，并在间距达到9 m之后趋于稳定。拱脚处的竖向应力则呈现出先增大后减小的特点，最小出现在环向盲管间距9 m时，大小仅0.58 MPa，而拱腰处的竖向应力则基本不发生变化，说明环向盲管的布置间距对该处竖向应力影响不大。

3.2 水平应力

五种工况下水平方向应力值云图和不同位置变化趋势如图3所示。总体而言，二次衬砌的水平应力受环向排水盲管间距变化较小，仰拱和拱脚处的最大值、最小值之差不超过20 %，并且绝对值很小，其中仰拱处受拉。拱肩和拱脚处的水平应力值变化趋势相仿，最大值都在3.2 MPa左右、最小值都在2.5 MPa左右。与竖向应力分布恰好相反，拱腰处的水平应力在所有位置中最大，约为4.6～5.5 MPa，且随环向盲管间距的增大逐渐降低。

3.3 二次衬砌内力分析

地下水荷载对于富水地区隧道衬砌结构来说，是必须要重点考虑的荷载，其严重影响衬砌结构的受力特征[5]。衬砌的承载能力直接关系到运营期间的衬砌安全性。选取模型内部位置作为参考点，得到隧道各监测点内力计算结果如表2和表3所示。

分析图4可知，隧道不同位置的内力值相差较大。弯矩方面，二次衬砌整体并未出现负弯矩，最大弯矩值出现在仰拱处，达到了160 kN·m左右，拱脚处次之，也达到了120 kN·m，其余位置分别达到40～80 kN·m左右。整个二次衬砌均受压，拱脚处的轴向内力大小为2 600～2 800 kN，较之拱顶、仰拱、拱腰、拱肩处较大，约为它们的3～18倍。综合图5来看，这是由于拱脚处属于环、纵排水盲管的交汇区域，地下水压力相对较小，导致该处承受的有效应力增大所致。

由图4可知，总体而言，内力大小随环向盲管的间距的增加而降低，拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和仰拱各自的弯矩大小随盲管间距的增大，其缩小幅度约为14.6 %、11.8 %、4.8 %、3.6 %、6.0 %，轴力大小缩减幅度约为6.0 %、5.1 %、4.2 %、7.7 %、12.5 %。因此，基本可以判断环向盲管间距对二次衬砌内力影响较小，可视作影响结构内力和判断结构安全性的较为次要的因素。

4 结论

本文主要对富水地区隧道在不同排水管布置情况下，衬砌的力学行为进行研究，通过分析不同环向盲管间距下隧道的衬砌结构应力、内力的变化或分布规律，得出如下结论：

（1）不论环向盲管如何布置，衬砌结构多数情况下始终处于受压状态。二次衬砌的竖向应力随环状盲管间距的扩大而减小，最大的降幅达到了52 %，最大应力出现在拱顶处，大小约4.4 MPa。水平应力也随间距扩大而减小，但其受间距的影响不如竖向应力。

（2）二次衬砌内力方面，仰拱处的弯矩值最大，拱肩处最小，二者差距约为3～4倍。轴力值仅有拱脚处最大，其余部位均比较小，原因是因为拱脚处为排水盲管密集处，水压力较低，造成衬砌承受的有限压力变大。

（3）总体而言，环向排水盲管间距对二次衬砌的内力值影响较小，各个间距间弯矩、轴力值差距不超过15 %，因此可以判断各工况下安全系数相差不大，即安全性和环向排水盲管间距基本无关。

参考文献

[1] 蓝蕾蕾.隧道富水区防排水处理及断层破碎带开挖方法[D].成都：西南交通大学，2012.

[2] 赵启超. 高压富水区大断面公路隧道衬砌结构受力特征及防排水技术研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3] 王秀英，谭忠盛，王梦恕，等.厦门海底隧道结构防排水原则研究[J].岩石力学与工程学报，2007（S2）：3810-3815.

[4] 陶伟明.“以堵为主，限量排放”隧道防排水原则的理论基础及其工程实践[J].铁道标准设计，2006（9）：78-82.

[5] 谭忠盛，曾超，李健，等.海底隧道支护结构受力特征的模型试验研究[J].土木工程学报，2011，44（11）：99-105.

[6] DING Hao; JIANG Shuping; LI Yong.Study on waterproof and drainage techniques of tunnels based on controlling drainage[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007（9）：1398-1403.