暴雨情况下岩溶隧道排水方案优化分析

冯 威 艾小文 杨 建 李 凯 周浩文

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

岩溶地质在我国西南地区极为常见，在地表水和地下水的共同溶蚀作用下，地下岩体被长时间溶蚀，形成沟壑发达的岩溶地质，给交通基础设施建设和运营带来了极大的挑战。岩溶地质及岩溶水易导致隧道衬砌结构开裂和变形。如2015年7月沪昆线小高山隧道由于突降暴雨，地下水位短时间迅速上升，导致隧道仰拱承压破坏。株六铁路线大竹林隧道，因突降暴雨导致隧道边墙开裂。由此可见，降雨因素导致水压力突变是造成岩溶隧道破坏的主要因素之一[1]，因此分析动水压作用下岩溶隧道衬砌的受力规律对揭示隧道破坏机理和优化排水设计方案十分重要。

目前，针对地下水量较小的山岭隧道，通常采取不排水或半排水方案即可满足需求。在含水量丰富的隧道中，半排水或常规排水方案也可基本满足隧道排水需求。但当岩溶隧道叠加极端暴雨天气状况，常规排水方案将难以满足防排水需求[2]，因此优化改进隧道防排水方案显得非常必要。本文以天峨至巴马高速公路段典型岩溶隧道作为工程背景，利用Midas GTS有限元软件模拟不同排水方案，分析在突遇暴雨情况下二次衬砌的水压力分布状况，并重点就设计优化的排水方案进行相关受力分析。

1 项目概况

天峨至巴马高速公路位于广西境内，属亚热带季风气候，全年气候温暖雨水丰沛，常发生暴雨洪涝、热带气旋等灾害，经统计多年降雨量范围723.9～2983.8mm，平均年降雨量1647.7mm，属多雨水地区。

隧道项目位于凤山县内，该地区地质状况复杂，地层起伏多变且溶洞发达地下水贯通，隧道经过区域围岩破碎程度不同，为研究最不利状况，特选择隧道区域内V级围岩作为研究对象。考虑项目所在地历史极端暴雨天气状况，模拟不同排水方案下岩溶隧道的承压分布规律及薄弱点，验证优化后的排水方案可行性，以提高岩溶隧道应对突发暴雨状况的能力。

（1）常规排水方案设计将隧道周边围岩内的地下水通过衬砌背后的环、纵向排水管汇入中心排水沟内，并最终由中心排水沟集中排出隧道，如图1所示。

图1 常规排水方案

（2）优化排水方案是在常规防排水方案的基础上，将隧道中心排水沟移动至仰拱底部，同时延长环向排水盲管至中心水沟，增大其排水能力，如图2所示。

图2 优化排水方案

2 隧道渗流模型

2.1 模型的建立

根据地质结构及隧道设计方案，利用实体单元构建Midas GTS三维渗流模型（见图3所示），渗流模型长和高为35m、宽15m、隧道埋深5m。利用Mohr-Coulomb模型作为材料弹塑性本构分别建立不排水、常规排水和优化排水隧道模型，隧道模型中包括围岩、二次衬砌、防水板、横纵向排水盲管及中心排水沟等。

图3 三维渗流整体模型图

2.2 模型参数确定

通过设计文件及实地勘察结果，确定构建模型所需几何参数及物理力学特性，隧道围岩等级为V级，粘聚力c取值为0.15MPa，内摩擦角φ的取值范围为25°。采用C35混凝土浇筑二次衬砌，中心排水沟直径为50cm，横纵向排水盲管直径均为10cm。材料物理力学特性见表1所示。

表1 材料物理力学特性

2.3 荷载及边界

为更好地研究三维隧道渗流情况，实现暴雨情况下对岩溶隧道排水方案优化的目的，获得暴雨情况下隧道衬砌受水压力分布状况，需将渗流边界设置如下：

（1）假设自由地下水面位于围岩顶面，且存在充足的降雨补给，地下水位不会因隧道内盲管及中心沟排水而降低[3]。

（2）设定隧道底面为不透水边界，令其法向流速及流量皆为零。

（3）考虑正常排水环境下，纵向盲管设定为一端无压力水头，另一端不排水。

结合隧道工程状况，隧道埋深较深且上方没有堆载施工，岩溶发育地下水位与降雨补给地表紧密相连，软件模拟时仅考虑岩层自重荷载及水压力荷载，其他荷载忽略。荷载加载模型见图4。

图4 荷载加载模型图

3 模拟结果分析

3.1 整体分布

利用Midas GTS运算三种不同状况下的隧道渗流模型，二次衬砌周围的水压力分布云图如图5～图7所示。

图5 不排水衬砌水压分布云图

图6 常规排水衬砌水压分布云图

图7 优化排水衬砌水压分布云图

不排水方案下二次衬砌最大水压力分布于整个仰拱，其最大值为8.19kPa。常规排水方案下最大水压力集中于仰拱中部，其最大值为5.19kPa。优化排水方案后最大水压力转移至拱腰和拱顶位置，其最大值为2.5kPa。

3.2 细部分布

为更好地分析二次衬砌受水压力情况，选择第1道与第2道纵向盲管中间部位作为典型截面，并选定分布于拱顶、拱腰、边墙和仰拱的10个特征点作为分析对象，提取各特征点水压数据，如图8、表2所示。

表2 不同排水方案下各测点水压力值

图8 典型截面及特征点选取示意图

不排水方案下模拟预测水压力值与试验所得孔隙水压力数据大体一致，水压力值随隧道埋深不断增大，仰拱位置埋深最大，其水压力最大符合工程经验。常规排水方案下，边墙角的水压力虽显著降低，但仍未改变隧道衬砌整体受力分布情况。经优化排水方案后隧道衬砌整体受力大幅降低，且改变了仰拱受压最大的状况，使得隧道的安全性获得极大提升。

4 结束语

利用Midas GTS有限元分析软件结合实际隧道工程，分析在暴雨情况下采用不同排水方案的岩溶隧道二次衬砌受压情况，模拟结果表明不排水及常规排水方案下岩溶隧道将承受较大的压力，且基本集中于仰拱部位，导致隧道承压破坏。而优化后的排水方案可以从根本上改变仰拱最大承压状况，并且实现岩溶隧道整体降压，提升其在暴雨工况下的抗压能力，对提高岩溶隧道施工及安全运营有较大现实意义。