富水岩溶隧道衬砌结构水压力分布特征模型试验研究

2022-08-01宋玉香樊浩博谭信荣杨海宏

中国铁道科学 2022年4期

徐强，宋玉香，樊浩博,，谭信荣，杨海宏

（1.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

我国岩溶地貌分布广泛。地面水和地下水的溶蚀作用使岩溶发育成类型、形态各异的岩溶地貌，这不仅增加了隧道工程的建设难度，同时也会严重威胁到相关铁路线的运营安全。新中国成立以来，川黔、贵昆、宜万等铁路建设中均存在较多的典型岩溶隧道［1-4］，随着建成通车的岩溶隧道越来越多，我国铁路也积累了越来越多针对岩溶病害的防治经验，但长期岩溶水压作用引起铁路隧道衬砌结构变形、开裂、破损的病害现象仍时有发生［5-9］，并直接影响铁路线路的正常使用和行车安全。

近年来针对岩溶水对隧道的影响开展了大量研究。莫阳春［10］针对岩溶隧道涌水、涌砂和涌泥问题，开展了大型物理模型试验，结合数值模拟对隧道二次衬砌的内力分布特征进行了研究，分析得到水压、溶腔和隧道间距的变化对二次衬砌内力的影响规律。袁慧［11］依托齐岳山隧道，对高水压岩溶隧道衬砌水压力特征进行了研究，确定只有在排水的前提下衬砌水压力才能进行折减，且水压力随着排水量的增加而减小。申志军［12］依托宜万铁路中的典型岩溶隧道，基于衬砌水压的长期监测，结合模型试验和理论分析，对岩溶隧道二次衬砌水压的特征进行了研究，指出隧道内的排水效应对断面水压分布影响明显。周毅等［13-14］依托尚家湾隧道工程，开展了深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺模型试验，揭示了施工扰动下充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。高新强等［15-16］对比分析了不同排水形式下富水山岭隧道的围岩稳定性和结构受力，指出在“以堵为主，限量排放”治水方案下，隧道仰拱处会存在较大的衬砌水压力。

上述学者针对岩溶隧道涌突水问题开展了大量研究，为富水隧道的结构设计奠定了基础。但当前富水岩溶隧道衬砌结构设计尚未考虑短时强降雨等形成的突变水压的影响，这导致现有防排水措施下，隧道衬砌在通车后易出现安全隐患。余洪璋［17］依托织毕铁路元宝山隧道，分析评估了瞬时强降雨条件下岩溶隧道的衬砌结构安全，确定了强降雨产生的高压水是元宝山隧道二衬开裂破坏的主要原因，泄水减压是解决该类衬砌破坏病害的关键。邹育麟等［18］对15座渗漏病害严重的隧道进行统计分析，揭示了隧道渗漏水和岩溶地貌以及季节性降水之间存在的必然联系，并指出处理岩溶地区季节性富水营运隧道渗漏水病害时应以“排为主、堵为辅”。这些研究揭示了季节性强降水与隧道衬砌病害的必然联系，所以泄水减压是关键。

鉴于此，极有必要对现有的岩溶隧道排水方案进行优化，并通过衬砌水压力、水压折减系数等指标定量地证实其优越性。本文以郑万高铁高家坪岩溶隧道为依托，调整隧道中心排水沟位置，对常规岩溶隧道排水方案进行优化；考虑岩溶均质地层条件下不同水头高度的影响，分不排水、常规排水和优化排水3种试验方案，设计并开展关于富水岩溶隧道衬砌结构水压力分布特征的模型试验；分别分析3种方案下，沿隧道纵向和断面的衬砌水压力分布特征，为岩溶隧道的衬砌结构设计以及排水系统优化提供指导。

1 工程概况及排水方案优化

依托工程为郑万高铁高家坪岩溶隧道，位于湖北省南漳县李庙境内，全长5 538 m，最大埋深约320 m。围岩以灰岩、页岩夹砂岩为主，隧址区内溶沟、溶槽、岩溶洼地等岩溶形态发育，为典型的富水岩溶隧道。岩溶水主要接受大气降水补给及邻近含水岩组的侧向径流补给。隧道洞身段主要位于季节交替带内，受季节降雨影响明显，施工时在雨季发生突水、突泥的风险较大，运营时衬砌经受岩溶水压病害的风险较高。鉴于该隧道典型的岩溶发育形态及充沛的降雨补给，对其开展富水岩溶隧道衬砌水压力分布特征及排水系统优化研究尤为重要。

对此类对于环境保护没有特殊要求的山岭隧道而言，隧道防排水常规方案在设计时一般参考铁路工程建设通用参考图中的隧道衬砌断面图。常规排水方案采用半包半排防排水形式，防排水系统由防水板、无纺布、环向排水管、纵向排水管、横向连接水管及中心排水沟组成，如图1所示。图中：红箭头表示排水管中的排水方向。

图1 隧道防排水常规方案

普通山岭隧道地下水量有限，且非岩溶地区的隧道围岩渗透系数较小，地表降水对隧道影响较小，因此常规排水方案完全能够满足隧道排水的要求。但对于高家坪岩溶隧道此类富水岩溶隧道而言，围岩渗透系数较大，地表降水对隧道周围的围岩裂隙水补给明显，有必要对隧道排水方案进行优化。为便于隧道的设计和施工，尽量避免大幅改变现有防排水方案带来的额外工程量，在常规防排水方案的基础上，将隧道中心排水沟由仰拱内移动至仰拱底部，同时延长环向排水管至中心水沟，更利于隧道岩溶水的排出。形成的隧道防排水优化方案如图2所示。

图2 隧道防排水优化方案

2 岩溶隧道模型试验设计

2.1 模型试验系统设计

为展开相关研究，研制专用的岩溶均质地层岩溶隧道模型试验系统，如图3所示。模型箱体长×宽×高为2.25 m×1.00 m×2.25 m，主要由钢板、槽钢和工字钢焊接加工而成；箱盖和箱体之间用高强螺栓进行连接。在密闭的箱体内设置隧道衬砌结构和围岩，并通过向模型箱体内注水的形式模拟地表水补给。

图3 岩溶隧道模型试验系统

2.2 试验材料相似比设计及配置

综合考虑试验周期及可行性，结合依托工程相关参数，参考相关模型试验成果［19-21］，确定模型试验中原型与模型的几何相似比Cl为20，容重相似比Cγ为2。以相似理论的3 个基本定理为依据，推导确定其他物理力学参数的相似比∶应力相似比Cσ和弹性模量相似比CE均为4；泊松比相似比Cμ和应变相似比Cε均为1。

模型试验中，采用一定配比的细砂与石英砂来模拟隧道围岩，考虑围岩渗透系数为2×10-4m·s-1，通过大量渗透试验确定石英砂∶细砂为1∶3，其中石英砂300目，细砂70目左右；根据几何相似和强度相似，采用25 cm 厚的石膏来模拟二次衬砌，通过试验确定石膏∶水为1.4∶1。围岩与二次衬砌具体模型试验参数分别见表1和表2。

表1 围岩原型和模型材料物理力学参数

表2 二次衬砌原型和模型物理力学参数

2.3 模型制作

衬砌模板采用定制的钢板拼接而成，浇灌拆模后进行养护。衬砌模具和拆模后的衬砌模型如图4所示。

图4 隧道衬砌模型

2.4 试验测点布置及试验方案

模型试验过程中，布置水压力计测点共10 个，分别在监测断面的拱顶、拱腰、边墙、墙脚（有纵向排水盲管的位置）、仰拱拱腰和仰拱中心处。监测断面布置在3根环向排水管之间。以优化排水方案为例，水压力测点及监测断面布置如图5所示。

图5 隧道衬砌水压力测点及监测断面布置

研究岩溶均质地层中不同方案对衬砌背后水压力分布特征的影响时，在不排水和常规排水方案基础上增设优化排水方案，如图6所示。图6（a）中，设置在仰拱底部的中心排水沟可以充分优化仰拱处的水压力。图6（b）中，通过控制阀门1#，2#和3#，可以模拟得到不同方案下的隧道排水情况：关闭所有阀门为不排水方案；打开阀门1#和2#为常规排水方案；打开阀门1#，2#和3#为优化排水方案。

图6 模型试验排水系统

模型试验拱顶水头高度设置30，40，50 和60 cm 共4 种，分别对应于实际工程中隧道拱顶水头高度为6，8，10 和12 m 时的情况。为便于理解，后续分析时将所有试验数据（包括试验时施加的初始水头高度）均按相似关系换算为实际工程中对应的高度，不再赘述。

3 不同方案的水压力分布特征对比

模型试验的防排水系统考虑了纵向和环向排水管，因此分沿隧道纵向和断面2 个方向，对比分析不同方案下隧道衬砌不同部位的水压力分布特征。

3.1 纵向衬砌水压力分布特征

3.1.1 不排水和常规排水方案对比

不排水和常规排水方案下，提取拱顶水头高度分别为6，8，10 和12 m 时隧道各监测断面上所有测点的衬砌水压力值，并对左右对称测点的水压力取平均值。沿隧道纵向，绘制各监测断面衬砌不同部位的水压力分布如图7所示。需要指出的是，6 m水头且不排水时，纵向上衬砌各测点处的水压力大小近似等于静水压力，如图7（a）所示，因此其余水头高度时的不排水方案试验结果不再赘述。

图7 不排水和常规排水2 种方案下的纵向衬砌水压力分布

对图7分析可知：水头高度越高，则常规排水方案下各测点处的衬砌水压力越大；水头高度相同时，相比不排水方案，常规排水方案下各测点处的衬砌水压力均有不同程度地降低，增设排水管后降压效果明显；常规排水方案下，墙脚处存在纵向排水管但仰拱拱腰和仰拱中心处无纵向排水措施，所以水头高度不同时这3处测点的衬砌水压力均无明显变化，仅仰拱处仍存在较大的衬砌水压力（与不排水方案的情况一样），需要重视；常规排水方案下，拱顶、拱腰和边墙3处测点的衬砌水压在环向排水管之间整体呈倒“V”型分布，这是因为纵向到隧道左边界距离为4，10 和16 m 处设有环向排水管的缘故，所以对应测点处的衬砌水压力急剧减小。

3.1.2 常规排水与优化排水方案对比

对于优化排水方案，提取4 种拱顶水头高度时隧道各监测断面上所有测点的衬砌水压力值，并沿隧道纵向绘制各监测断面衬砌不同部位的水压力分布如图8所示。

对图8分析可知：优化排水方案下，各测点处的衬砌水压力同样随着水头增大而增大，环向排水管作用明显；由于仰拱中心处和墙脚处均有纵向的排水措施，这2 处测点的纵向衬砌水压力变化并不明显，而其余测点在环向排水管间的衬砌水压力则呈“倒V”型分布；相较于常规排水方案，优化排水方案下不仅各测点处的衬砌水压力整体更小，而且其排水措施（在仰拱底部设置中心排水沟、将环向排水管延长至仰拱底部与中心排水沟相连）对仰拱中心和仰拱拱腰处的衬砌水压力优化效果更明显，大大降低了可能因高水压而产生衬砌病害的概率。

图8 优化排水方案下的纵向衬砌水压力分布

综上进一步分析可知：不管是常规排水方案还是优化排水方案，衬砌水压力大小与水头高度呈正相关变化，水头高度越大，则衬砌水压力越大；对于设置了纵向排水措施的各处测点，衬砌水压力变化均不明显，而对于其余测点，位置越靠近环向排水管时的衬砌水压力越小，2 根环向排水管间的纵向衬砌水压力整体呈倒“V”型分布；纵向上，优化排水方案较常规排水方案对衬砌水压力的优化效果更好，尤其是隧道仰拱处衬砌水压的降低最为明显。

3.2 断面衬砌水压力分布特征

环向排水管对衬砌水压力有明显的优化效果，所以避开环向排水管，仅取2 根环向排水管中间的监测断面（距隧道左边界13 m 处），对比分析隧道断面的衬砌水压力分布特征。

3.2.1 不排水与常规排水方案对比

不排水和常规排水方案下，提取4 种拱顶水头高度时隧道各监测断面上所有测点的衬砌水压力值，绘制隧道衬砌断面水压力包络图如图9所示。

图9 不排水和常规排水2种方案下的衬砌断面水压力包络图（单位：kPa）

对图9分析可知：水头高度不同时，2 种方案下的衬砌水压力的分布形式相似，不排水方案下，从拱顶到仰拱的衬砌水压力逐渐增大，初始水头高度不同时各测点处水压力均近似等于静水压力，此时衬砌水压力不能进行折减；相对于不排水方案，常规排水方案下各测点处的水压力均有不同程度地减小，其中仰拱中心处的水压折减系数最小，约0.10～0.15，拱顶处次之，约0.15～0.19，墙脚处最大，达0.80～0.90，这主要由于墙脚测点处存在纵向排水管，极大地优化了衬砌背后的水压力；虽然现有常规排水方案对衬砌水压力有一定的折减效果，但在仰拱处仍会产生较大的水压力，实际工程中仰拱底部一般无排水措施，一旦发生短时强降雨，衬砌仰拱处无法及时排水，必然会增加仰拱处的水压力，这也能够说明试验方案设置与实际情况较为符合。

3.2.2 常规排水与优化排水方案对比

常规排水和优化排水方案下，提取4 种拱顶水头高度时隧道监测断面各测点处的水压力值，并绘制成隧道衬砌断面水压力包络如图10所示。

图10 常规排水和优化排水2种方案下的衬砌断面水压力包络图（单位：kPa）

对图10分析可知：相对于常规排水方案，优化排水方案下4种初始水头高度的衬砌水压分布形式近似，绝大多数测点处的水压力均有不同程度地减小，尤其是仰拱处水压折减明显；优化排水方案下，从拱顶到边墙处的水压力折减系数有所增大，其中拱顶处的水压力折减系数约0.12～0.16，边墙处均在0.25以上，仰拱拱腰处达0.3，仰拱底部处达0.9 左右；优化排水方案的排水效果优于常规排水方案，在仰拱底部设置中心排水沟底部的排水措施针对性地解决了后者仰拱处水压较大的问题。

为更直观地对比分析不同方案下衬砌水压的折减系数，绘制常规排水和优化排水2 种方案相对于不排水方案的衬砌水压折减系数变化曲线。通过上述分析可知水头高度不同时各排水方案的衬砌水压折减系数相差不大，因此仅以12 m 水头时的情况为例进行分析。绘制不同测点处的衬砌水压折减系数变化曲线如图11所示，其中对左右对称测点的水压力取平均值。

对图11分析可知：相较于常规排水方案，优化排水方案下各测点处的衬砌水压折减更为明显，特别是仰拱拱腰处和仰拱中心处的水压折减系数分别增加了1 倍有余和4 倍有余；推荐富水岩溶隧道采用优化排水方案。

图11 12 m 水头时常规排水和优化排水2 种方案下的衬砌水压折减系数变化曲线

综上，常规排水方案与不排水方案均会造成仰拱拱腰和仰拱中心处存在较大衬砌水压力，需要重视；相比常规排水方案，优化排水方案通过改变中心排水沟位置等措施，有效地降低了衬砌特别是仰拱处的水压力；建议在降雨较为频繁的区域采用优化排水方案，这样即使出现短时强降雨天气，依然能够有效地减小仰拱处的水压力，改善衬砌结构受力，避免隧道仰拱因水压过大而发生病害，确保运营期间衬砌的安全性和可靠性。