富水區(qū)隧道防排水體系數(shù)值模擬分析

陳昕 張志強(qiáng)

【摘要】山嶺隧道往往會(huì)遇到富水?dāng)鄬悠扑閹?。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，保持生態(tài)平衡己成為在富水?dāng)鄬訁^(qū)隧道修建的目標(biāo)。為了為類似施工提供一定的類比和參考，文章以浦梅鐵路牛峒山隧道為依托，采用Flac3D有限差分模擬軟件，對(duì)不同環(huán)狀排水盲管間距下隧道的二次襯砌應(yīng)力、內(nèi)力以及安全性進(jìn)行了分析。研究表明：對(duì)于富水區(qū)隧道而言，環(huán)狀盲管的不同布置方式主要影響二次襯砌的應(yīng)力大小，而對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、安全性影響不大。

【關(guān)鍵詞】富水區(qū); 隧道防排水; 環(huán)向盲管; 襯砌內(nèi)力; 安全性

【中國(guó)分類號(hào)】U453.6【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

巖土工程與地下工程

我國(guó)西部和南部有較大面積處于熱帶季風(fēng)或亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量豐沛、地下水系發(fā)達(dá)。因此在這個(gè)地區(qū)，修建深埋長(zhǎng)大山嶺隧道不可避免地會(huì)穿越高壓富水地區(qū)，而現(xiàn)今對(duì)水環(huán)境生態(tài)平衡要求較高，地下水問(wèn)題尤其高壓富水問(wèn)題是建設(shè)過(guò)程中必然要面對(duì)的問(wèn)題[1-2]。

本文以位于浦梅鐵路牛峒山隧道為研究對(duì)象，對(duì)不同環(huán)向盲管間距下隧道的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力、內(nèi)力等進(jìn)行分析，研究高地下水位情況下防排水系統(tǒng)的布置對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，以為類似隧道建設(shè)提供一定的理論支持和技術(shù)保障。

1 工程概況

牛峒山隧道位于浦梅鐵路楊源站至連城站區(qū)間內(nèi)，隧址附近的主要水源為一條中型河流，平水期日流量81 200 m3，洞身分布有三個(gè)水庫(kù)，水質(zhì)具酸性侵蝕。隧道界限寬度7.95 m，隧道進(jìn)口、出口洞口段圍巖極破碎，遇水易軟化，圍巖級(jí)別V級(jí)，隧道在斷層破碎帶及軟弱破碎圍巖段落，易發(fā)生涌水、坍塌、圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)牛峒山隧道施工圖的實(shí)際地形圖，在綜合分析隧道和地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，選取最不利工況建立數(shù)值分析模型。隧址區(qū)域附近，主要為Ⅴ級(jí)圍巖，擬采用彈塑性材料模擬，本構(gòu)準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，不考慮初期支護(hù)和二次襯砌的塑性，采用彈性材料模擬，其中二次襯砌視為不透水材料。建立數(shù)值模型如圖1所示，水頭位于隧道拱頂上方60 m處，除上邊界外，其余各邊界均施加靜力場(chǎng)法相約束和滲流場(chǎng)自由約束。

借鑒過(guò)往研究經(jīng)驗(yàn)中關(guān)于襯砌外排水系統(tǒng)中環(huán)向盲管的設(shè)置[3]，并結(jié)合牛峒山隧道工程實(shí)際，決定將環(huán)向盲管間距設(shè)置為：5 m，7 m，9 m，12 m和15 m，以研究盲管間距對(duì)襯砌水壓力的影響。模擬排水的方式，一方面是采取將排水管區(qū)域置空的方式移除單元以模擬排水管的空洞，另一方面則是將排水管表面的靜水壓力固定為零，使得地下水可以源源不斷地滲出[4]。

3 結(jié)果分析

3.1 豎向應(yīng)力

如圖2所示，豎向應(yīng)力方面，二次襯砌均承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力主要集中在拱頂附近，仰拱處次之，最大分別達(dá)到了4.63 MPa和4.06 MPa。而拱腰處最小，幾組工況應(yīng)力值在0.2 MPa附近，二者大小相差約20倍。仰拱和拱頂處應(yīng)力隨環(huán)向排水盲管間距的擴(kuò)大而減小，并在間距達(dá)到9 m之后趨于穩(wěn)定。拱腳處的豎向應(yīng)力則呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)，最小出現(xiàn)在環(huán)向盲管間距9 m時(shí)，大小僅0.58 MPa，而拱腰處的豎向應(yīng)力則基本不發(fā)生變化，說(shuō)明環(huán)向盲管的布置間距對(duì)該處豎向應(yīng)力影響不大。

3.2 水平應(yīng)力

五種工況下水平方向應(yīng)力值云圖和不同位置變化趨勢(shì)如圖3所示。總體而言，二次襯砌的水平應(yīng)力受環(huán)向排水盲管間距變化較小，仰拱和拱腳處的最大值、最小值之差不超過(guò)20 %，并且絕對(duì)值很小，其中仰拱處受拉。拱肩和拱腳處的水平應(yīng)力值變化趨勢(shì)相仿，最大值都在3.2 MPa左右、最小值都在2.5 MPa左右。與豎向應(yīng)力分布恰好相反，拱腰處的水平應(yīng)力在所有位置中最大，約為4.6～5.5 MPa，且隨環(huán)向盲管間距的增大逐漸降低。

3.3 二次襯砌內(nèi)力分析

地下水荷載對(duì)于富水地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，是必須要重點(diǎn)考慮的荷載，其嚴(yán)重影響襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征[5]。襯砌的承載能力直接關(guān)系到運(yùn)營(yíng)期間的襯砌安全性。選取模型內(nèi)部位置作為參考點(diǎn)，得到隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表2和表3所示。

分析圖4可知，隧道不同位置的內(nèi)力值相差較大。彎矩方面，二次襯砌整體并未出現(xiàn)負(fù)彎矩，最大彎矩值出現(xiàn)在仰拱處，達(dá)到了160 kN·m左右，拱腳處次之，也達(dá)到了120 kN·m，其余位置分別達(dá)到40～80 kN·m左右。整個(gè)二次襯砌均受壓，拱腳處的軸向內(nèi)力大小為2 600～2 800 kN，較之拱頂、仰拱、拱腰、拱肩處較大，約為它們的3～18倍。綜合圖5來(lái)看，這是由于拱腳處屬于環(huán)、縱排水盲管的交匯區(qū)域，地下水壓力相對(duì)較小，導(dǎo)致該處承受的有效應(yīng)力增大所致。

由圖4可知，總體而言，內(nèi)力大小隨環(huán)向盲管的間距的增加而降低，拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和仰拱各自的彎矩大小隨盲管間距的增大，其縮小幅度約為14.6 %、11.8 %、4.8 %、3.6 %、6.0 %，軸力大小縮減幅度約為6.0 %、5.1 %、4.2 %、7.7 %、12.5 %。因此，基本可以判斷環(huán)向盲管間距對(duì)二次襯砌內(nèi)力影響較小，可視作影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和判斷結(jié)構(gòu)安全性的較為次要的因素。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)富水地區(qū)隧道在不同排水管布置情況下，襯砌的力學(xué)行為進(jìn)行研究，通過(guò)分析不同環(huán)向盲管間距下隧道的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力、內(nèi)力的變化或分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）不論環(huán)向盲管如何布置，襯砌結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下始終處于受壓狀態(tài)。二次襯砌的豎向應(yīng)力隨環(huán)狀盲管間距的擴(kuò)大而減小，最大的降幅達(dá)到了52 %，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，大小約4.4 MPa。水平應(yīng)力也隨間距擴(kuò)大而減小，但其受間距的影響不如豎向應(yīng)力。

（2）二次襯砌內(nèi)力方面，仰拱處的彎矩值最大，拱肩處最小，二者差距約為3～4倍。軸力值僅有拱腳處最大，其余部位均比較小，原因是因?yàn)楣澳_處為排水盲管密集處，水壓力較低，造成襯砌承受的有限壓力變大。

（3）總體而言，環(huán)向排水盲管間距對(duì)二次襯砌的內(nèi)力值影響較小，各個(gè)間距間彎矩、軸力值差距不超過(guò)15 %，因此可以判斷各工況下安全系數(shù)相差不大，即安全性和環(huán)向排水盲管間距基本無(wú)關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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