富水隧道衬砌结构受力特性与合理参数分析

2022-06-14邓来李化云雷中成曹苏亚

科学技术与工程 2022年14期

邓来，李化云*，雷中成，曹苏亚

(1.西华大学土木建筑与环境学院，成都 610039； 2.中铁隆工程集团有限公司，成都 610041)

近年来，在中国综合交通网络建设高速发展的背景下，中国西南地区交通网络建设也在加速发展。西南地区具有复杂的地形地貌，以及多变的地质条件，在这种环境下修建山岭隧道，富水高水压问题成为一大难题。近些年，中国大力倡导绿色建筑，由于大量排水会影响到地区的水利条件，所以隧道防排水设计理念开始从“以排为主”向“以堵为主”转化[1]。这就向隧道衬砌结构的抗水压能力提出了更高的要求。因此，研究抗水压衬砌结构显得尤为关键。

一些学者针对此问题进行了相关研究，丁燕平等[2]采用荷载结构模型对抗水压衬砌结构进行分析，基于三种隧道衬砌结构的受力特点，设计了高水压下富水隧道的衬砌结构形式；陈耀华[3]根据石板山富水隧道工程，研究了隧道衬砌背后水压力的变化规律，并对原设计的二衬厚度进行了优化；梁巍[4]在同时考虑水压和围压的情况下，使用ANSYS有限元软件分析和计算不同的衬砌结构断面，从而获得更为经济合理的衬砌结构形式；陈五二[5]依据实际工程的衬砌结构参数，采用荷载-结构模型，模拟三种衬砌断面的受力情况，得到了抗水压衬砌结构的内力分布特征，选出了合理的衬砌结构形式，以满足不同的围岩级别要求；丁浩等[6]在龙潭隧道和白云隧道工程的基础上，通过数值仿真，研究了富水公路隧道衬砌结构的改进方案。一些学者采用“限制排放”的隧道防排水设计理念，对富水隧道的开裂机理进行模型试验研究[7-10]，得出了一些更为直观的结论，为相关隧道结构设计提供了依据。

综上所述，针对抗水压隧道衬砌结构开展了诸多研究，也取得了一定的成果。但既有研究大多是采用模型试验和数值模拟的方法确定水荷载，其结果与工程实际有一定出入。相较于模型试验和数值模拟，现场试验具有试验结果更直观，试验数据更准确的特点。基于此，现以峨汉高速豹狸岗隧道工程为依托，在试验断面安装水压监测装置，获得水压力分布规律，为水荷载的确定提供依据。基于现场试验结果，采用ANSYS有限元软件，建立荷载-结构模型，研究不同水压下衬砌结构的受力特性及合理的支护结构参数，为类似隧道的结构设计提供参考。

1 现场监测方案及衬砌水压力确定

1.1 工程概况

豹狸岗隧道进口位于峨眉市金口河区和平乡解放村园木沟左岸中下部，出口位于枕头坝水电站江沟料场尾端的岔河右岸陡坡中下部。隧道全长3 650 m，属于特长高速公路隧道。豹狸岗隧道监测断最大开挖跨度14 m，高度11 m，最大埋深696 m。隧道穿越的地层主要为炭质板岩和砂质板岩，围岩级别为Ⅴ级。岩层及支护结构的主要物理力学指标如表1所示。部分施工段岩体受复杂地质构造影响严重，隧址区域地下水丰富，且常年有稳定的补给水源，因此隧道存在承受高水压的问题。基于以上工程水文地质特点，依据相关规范要求，选择C25喷射砼作为初期支护，厚240 mm，二衬选用C35钢筋混凝土结构，厚400 mm。隧道开挖轮廓如图1所示。

表1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameter

图1 隧道开挖轮廓示意图Fig.1 Schematic diagram of tunnel excavation outline

1.2 断面位置及测点布置

选取隧道左洞ZK73+586、ZK73+486和ZK73+386三个典型断面作为试验断面。由工程地质勘查报告可知，三个试验断面的水头高度依次为29、25、20 m。试验仪器选用振弦式渗压计，将其安装在初期支护与防水板之间，用以测量二衬背后的水压力。为了避免围岩收敛时将渗压计压坏，渗压计埋设时与初期支护间预留一定空隙。测点分别布置于拱顶、拱腰、边墙、墙脚及仰拱，共10个点，具体布置方案如图2所示，现场渗压计的布设如图3所示。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measuring points

图3 现场渗压计布设Fig.3 Layout of site water pressure gauge

1.3 试验断面监测数据分析

本次现场监测共耗时75 d，通过对数据的采集和整理，绘制出水压时程变化曲线如图4所示。在渗压计安装1～20 d，三个断面的仰拱部位水压值变化突出，并在后期不断增长，在50～60 d趋于稳定，其稳定值分别为0.28、0.25、0.20 MPa；二衬结构的水压值均增长缓慢，一般在40～50 d趋于稳定，其水压力均明显小于仰拱部位。可能是二衬背后的排水盲管起到了较好的卸压作用。ZK73+586断面的边墙部位水压值一直在0 MPa上下波动，可能是渗压计已经损坏。综上所述，试验断面渗水明显，衬砌承受较大的水压力。三个试验断面的衬砌水压力呈典型的“灯泡型”分布，其水压力分布特点如图5所示。

图4 监测断面水压时程曲线Fig.4 Time history curve of water pressure monitoring section

图5 监测断面水压力分布Fig.5 Water pressure distribution of monitoring section

1.4 外水压力计算方法的确定

衬砌水压力的确定是一个复杂的问题，目前工程界对水压的具体计算方法还没有定论，大多是以既有工程经验为依据对抗水压衬砌结构进行设计，其设计结果普遍偏于保守。过于保守的二次衬砌厚度虽然有利于提高二衬刚度，但会造成材料的浪费。因此，采用合适的外水压计算方法对于抗水压衬砌结构的设计具有重要意义。

由于围岩裂隙对地下水渗透过程的消散作用，以及排水系统的卸压作用[11]，导致衬砌背后的水压力并不完全等于静水压力，在设计过程中应对其进行折减[12]。对三个试验断面的现场实测数据进行线性拟合，得出了二次衬砌结构及仰拱的水压折减系数，拟合结果如图6所示。

图6 线性拟合曲线Fig.6 Linear fitting curve

基于拟合结果，得出水压力计算公式为：ps=ρghα；其中：ps为衬砌水压力；ρ为水密度；h为水头高度；g为重力加速度；α为水压折减系数，二衬结构取0.31，仰拱取0.86。此结论可为豹狸岗隧道二次衬砌结构的设计提供参考。

2 模型的建立及计算工况设置

采用全断面承受外水压设计形式，利用ANSYS有限元软件分别对水头高度为10、20、30、40、50 m时的5种工况进行计算。

利用ANSYS软件建立荷载-结构二维模型的基本过程为：首先选取模型轮廓线，再对轮廓线进行网格划分，随后引入边界条件对模型的变形及位移进行约束，最后对模型施加荷载进行计算。本次建模选取水压监测断面的衬砌中线断面为隧道轮廓线；根据计算精度要求，将衬砌模型划分为72段，利用Beam3单元进行模拟；由于围岩对衬砌的变形具有约束作用，因此引入边界条件——地层弹簧对模型的变形进行约束。根据规范要求及现场围岩情况，取弹簧的弹性系数为150 MPa/m，此过程采用Link10单元进行模拟；最后将围岩压力和水压力以等效节点荷载的形式施加在衬砌模型上。计算采用弹性本构模型，假定衬砌为各向同性且只承受压力。根据《公路隧道设计规范》[13]中的相关公式计算围岩荷载；基于衬砌水压力分布特点，将水荷载等效为梯形荷载，并对其进行折减。基于数值计算结果，确定出不同水头高度作用下结构的安全系数，并以此判断衬砌结构设计参数的合理性。对应的工况及相关计算参数如表2所示。

表2 工况及计算参数Table 2 Working conditions and calculation parameters

3 计算结果及分析

利用ANSYS有限元软件对二衬结构进行数值模拟，同时考虑围岩荷载和水荷载，获得不同工况下衬砌结构的内力分布特征。

3.1 轴力分析

由于在各种工况下，衬砌结构的内力分布特征相似，因此以工况三(水头高度为30 m)为例，对结构受力特征进行分析。当水头高度为30 m时，数值计算得到的二衬轴力分布特点如图7所示。分析图7可知，在结构全断面承压的情况下，隧道衬砌结构的轴力呈对称分布，这与丁燕平等[14]的研究结论相一致。云图显示，衬砌结构在水压作用下表现为全断面受压。这一状态有利于混凝土结构受力。

图7 水头高度30 m时的轴力云图Fig.7 Axial force nephogram at water head height of 30 m

图8 结构各部位轴力变化曲线Fig.8 Change curve of axial force at each part of the structure

结构各部位轴力绝对值与水头关系曲线如图8所示。在各种工况下，墙脚所承受的轴力最大；且随着水头高度的增加，墙脚，仰拱和边墙的轴力增长最多，增长率分别为76%、75%和75%；拱腰的轴力增加最少，增长率为64%；当水头高度在30 m以下时，随着水头高度的增加，结构各部位轴力增长缓慢。当水头高度超过30 m时，结构各部位轴力增长速度明显加快，其中墙脚和仰拱的轴力增加最快。因此在结构设计时，应注意墙脚和仰拱的承载能力。

3.2 弯矩分析

弯矩分析同样以工况三为例，二次衬砌结构的弯矩图如图9所示。衬砌结构的弯矩同样呈对称分布，拱腰和墙脚部位靠近围岩一侧承受拉应力。拱顶、拱腰和仰拱部位靠近隧道净空一侧受拉。在不同工况下，墙脚部位靠近围岩一侧的拉应力最大，这一受力状态有利于发挥出围岩的紧箍效应。边墙的弯矩最小，在同一工况下，仅为墙脚的1/4。

图9 水头高度30 m时的弯矩云图Fig.9 Bending moment nephogram when the head height is 30 m

结构各部位弯矩绝对值与水头关系曲线如图10所示。各部位弯矩值的变化趋势与轴力变化趋势类似：当水头高度小于30 m时，各部位弯矩值增长缓慢；当水头高度超过30 m时，弯矩值的增长速度加快。其中拱顶和墙脚的弯矩增长速度最快。

3.3 安全系数分析

在结构设计过程中，安全系数是判断结构设计可靠度的一个重要参数，《公路隧道设计规范》规定，当荷载组合为永久荷载+基本可变荷载时，钢筋混凝土结构的安全系数不应小于2.0[13]。

本设计结构的安全系数云图如图11所示。在全截面承受水压的情况下，结构安全系数呈对称分布，且在不同工况下，最小值均位于墙脚处。安全系数变化曲线如图12所示。当水压增大时，结构各部位安全系数均出现明显下降；当水头高度超过50 m时，墙脚部位的安全系数已不符合相关要求，可能会出现开裂现象[15]，此时应该增加二衬厚度或提高二衬配筋率。