环境敏感区公路隧道抗水压衬砌优化研究

何佳银 张涛 王丽军 陈树汪 王安民 高鹏兴

摘要 环境敏感区隧道常采用“以堵为主，限量排放”的防排水原则，为分析高水头荷载下衬砌结构的受力模式，讨论对衬砌结构的优化及其效果，文章依托某公路隧道，对不同水头荷载下各衬砌方案的受力情况进行计算。结果显示：仰拱为高水头荷载情况下衬砌结构的薄弱环节，通过加厚仰拱衬砌，采用变截面衬砌断面的方案提高了衬砌整体承载能力，优化了受力模式；变截面的优化方案在断面面积增加14.6%的情况下，承载能力得到了130%以上的提高，这种优化方式具有可行性和优越性。

关键词 公路隧道；富水地层；抗水压；衬砌；变截面

中图分类号 U453.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0055-04

0 引言

随着我国公路建设进程的深入，路线受到各种因素的制约，隧道不得不穿越一些环境敏感区域，给工程建设带来很多挑战，地下水的处理便是其中一种。山岭隧道由于埋深大，地下水位高，水压力大，使地下水对隧道安全的威胁加大，对地下水的控制是急需考虑及解决的问题。

在隧道施工建设过程中，大量抽排地下水，势必会引起地下水位下降。特别是岩溶区，深层溶隙水从渗流转为明流加大了深层地下水的排泄量[1]，地下水对植被的生长起着至关重要的作用，无限制地排水将对生态环境系统造成不可逆的后果。

为保证隧道开挖涌渗水后地下水仍处于“地下水生态平衡埋深”[2]，环境敏感区公路隧道的防排水需综合考虑衬砌结构的安全性和对生态环境的影响。目前，面对地下水，隧道工程一般采取的工程措施主要有“堵”“排”两种。随着环境保护意识的不断增强，隧道施工过程中对地下水的处理已经由以前“以排为主”的原则转变为“以堵为主，限量排放”的原则，我国一些隧道也在实际施工过程中践行了“限量排放”的指导方针[3]。

1 工程概况

某高速公路隧道沿线溶岩分布普遍，水文地质条件较为复杂，各种含水层（组）均有分布，地下水类型齐全，赋存裂隙水，局部地段埋藏层间水。地表共分布29个村庄，隧道施工开挖易引起地下水位改变，从而影响地表生态环境及居民正常生产生活用水，可能造成隧道工程区泉水消失或流量减小、地表植被等生态环境被破坏以及对居民生活用水产生影响。

该项目将“以堵为主，限量排放”作为隧道防排水原则。堵水势必会使衬砌结构承担较大的水头荷载，综合考虑隧道结构安全和地表生态两方面，对隧道衬砌结构作了优化，并借助数值软件对优化效果进行验证和量化分析。

2 富水地层隧道衬砌受力模式分析

为探明承受较大水压工况下，隧道衬砌结构的受力模式，对衬砌结构的内力进行分析。

由于隧道初期支护自身不防水，初支及二衬之间铺设防水板，因此考虑二衬承担全部水压力及70%围岩开挖释放荷载。综合考虑隧道周围注浆效果以及围岩的渗透水能力，对隧道衬砌所承受的水压按水头50%进行折减，根据隧道埋深以及围岩自重情况，得到的隧道结构所承受的竖向和水平荷载如图1所示。

该文以隧道二衬为分析对象，采用荷载－结构法，衬砌采用梁单元进行模拟，衬砌设计厚度为0.7 m，纵向宽度取1 m，地层抗力采用仅受压弹簧单元进行等效。建立隧道二衬模型如图2所示。

以水头荷载高度30 m为例，通过计算及分析，优化前隧道二衬结构弯矩如图3所示，安全系数[4]分布情况如图4所示。

分析上述计算结果，二衬中弯矩最大的位置为仰拱中部，安全系数也为仰拱中部最小。究其原因，是仰拱结构相较于上部拱圈更扁平，其抵抗弯矩的能力更弱；且水压力会随着水头的增加而升高，体现在隧道结构上为仰拱所承受的水压力较上部拱圈大，在两种不利因素的共同作用下，仰拱成为富水地层中隧道衬砌的薄弱环节。而上部拱圈中各部位的安全系数均远大于规范规定钢筋混凝土的最小安全系数，在该工况下，上部拱圈的结构设计仍有较大的富余量。

3 抗水压型衬砌优化及效果分析

综合考虑衬砌结构受力的整体性，充分利用上部拱圈二衬的安全系数富余量，从加强“木桶原理”中“短板”的角度出发，对富水地层中衬砌结构的薄弱环节进行优化，即加厚仰拱二衬厚度至1 m，采用不等厚衬砌断面，上部拱圈和仰拱之间采用渐变过渡的小圆弧连接。

为分析抗水压型衬砌整体受力状态，了解结构所处安全状态，探讨相较于原设计的优化效果，基于上述工程，对优化前、后的隧道结构全面进行受力对比分析。

3.1 模型的建立

结合优化后的隧道断面型式，建立隧道抗水压衬砌数值计算模型如图5所示，计算中采用变截面梁单元模拟衬砌结构不等厚衬砌之间的渐变过渡[5]。

3.2 计算工况

分别对不同荷载条件下优化前后的二衬结构各部位安全系数进行分析，以期掌握隧道二衬结构优化效果及确定其所能承受的水头压力。计算工况如表1所示。

3.3 计算结果分析

借助有限元计算软件分析隧道衬砌结构受力，计算不同工况下的二衬安全系数，结果如图6、图7所示

从以上计算结果可以看出，衬砌截面优化后，隧道上拱圈与仰拱安全系数之间的差距缩小，在不同水头高度下均表现出结构各部位承载能力利用率相近，说明结构受力模式相对等截面衬砌更为合理。统计不同水头荷载情况下隧道结构的最小安全系数随水头高度的变化情况，如图8所示。

衬砌的最小安全系数呈现出随着水头高度的增加而逐渐减小的变化趋势。以该项目为例，按规范给定的最小安全系数控制，优化后（变截面）相较于优化前（等截面），衬砌结构所能承受的水头荷载高度约由30 m提升至60 m，承载能力提升约1倍。

取同一水头高度下，不同衬砌结构工况下的截面安全系数，分析优化截面形状后对衬砌承受水头性能的变化情况（以30 m水头为例，其他水头荷载下规律一致），结果如图9所示。图9 30 m水头下不同截面型式隧道安全系数对比图

由图9可知，在同一水头高度下，变截面衬砌相对等截面衬砌各部位的安全系数均占优，说明衬砌截面在优化后，整体受力模式更加合理。

分析变截面相对等截面结构在同一水头高度下最小安全系数提高比例，结果如表2所示。

从表2可以看出，结构承受的水头荷载越大，变截面的承载能力提升越大，即结构的优化效果越明显。采用变截面后，截面面积较等截面增加约14.6%，而隧道衬砌结构抗水压性能则显著提升，达到130%以上。

4 结语

为了避免对生态环境造成不可逆的伤害，隧道常采用“以堵为主，限量排放”的防排水方案，这造成衬砌结构面临着较大的水头荷载。通过对高水头下隧道结构的受力模式分析，确定衬砌结构的薄弱环节。通过对工程措施进行优化，并对优化结果进行定量分析，得到以下的结论：

（1）在高水头荷载下，仰拱为衬砌结构受力的薄弱部位，因此隧道结构的优化可以从加强仰拱出发。该文讨论了增加仰拱厚度，从而提高衬砌整体承载能力的可能性，该措施切实可行。

（2）通过优化断面，不同的水头荷载下，衬砌结构各部位相互配合承载更加协调；上部拱圈厚度不变的情况下，优化仰拱厚度，上部拱圈的安全系数也同样得到了提高，说明优化后改善了衬砌的整体受力，受力模式更加合理。

（3）分析不同水头荷载下，优化后相较于优化前衬砌结构承载能力变化情况：荷载越大，优化效果越明显。综合考虑优化的投入，断面面积增加14.6%，得到了承载能力提高130%以上，说明该优化具有显著的优越性。

参考文献

[1]程盼. 基于生态平衡的隧道地下水渗控方法及限排水标准研究[D]. 长沙：中南大学， 2014.

[2]罗鉴银， 傅瓦利. 岩溶地区开凿隧道对地下水循环系统的破坏——以重庆市中梁山为例[J]. 西南农业大学学报（自然科学版）， 2005（4）： 432-435.

[3]张惠昌. 干旱区地下水生态平衡埋深[J]. 勘察科学技术， 1992（6）： 9-13.

[4]公路隧道设计规范 第一册 土建工程： JTG 3370. 1—2018

[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[5]王海涛. MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计[M]. 大连：大连理工大学出版社， 2013.