·岩土工程与地下工程· 两种防排水模式对富水隧道衬砌水压力影响分析 尚明源，张志强，代超龙 （ 南交通大学交通隧道］ 教育邴匝点文验审．ＩＪｑ川成都６１００３１） 【摘要】 文章基于流固耦合理论建立了三维有限元模型，对穿越高地应力软弱围岩大相岭隧道施工 对初 过程进行数值模拟分析，研究初期走护、二；欠衬砌在全排放与全封堵体系下所承受水压力的变化特征期史护与二次衬砌滞后进行了分析，研究施工过程中二次衬砌的施作对初期支护水压力的影响；探明不同防 排水体系下的支护结构断面的关键控制点，并对两种防排水体系进行评价，为富水软岩隧ｉ萱的施工提供指导 意见 【关键词】 富水隧道； 流固耦合： 水压力； 排水体系； 全封堵； 全排放 【中图分类号】 ｌ １４５３ ６ 寓水地 【ｆｌ修建隧道一 砬难点ｌ 隧道施１ 【文献标志码】Ａ 过 一ｌ１．·ｈ‘ ｆ｝１ ｊ 地卜水的埘ｍ 的软化作川ｆ，降低ｒ… 物删力 参数；”· 而隧ｊ盟施ｌ ｒＩＩ．刈… Ｊ、 力场ｆ１Ｉ地 卜水渗流场郝订很人的扰动，ｍ 成力场的改变将 敛… 体 变的发 ，从 ，Ｊｆ世孔隙水』 力的变化，Ｊ主过求孔隙水 ０变化也会导致心』Ｊ场的变化，渗流场 川的 ，Ｊ场 合作 会ＪＪｌ』刷地 变形 谢水地Ｉ ，隧道的施ｌ 罚ｉ运 阶 段均ｒｆｌｉｌｌ￣ｉ众多“涉水”川题． 施ｌ 阶段突水ｆＩ｝ｊ水、运 ．ｆＪ５介段 讨砌渗漏水他蚀 ．址、 ｆ Ｊ＂Ｚｎ效的防排水体系成为Ｉ ｆ＇ｉ 迎 没的 点内存 隧道处叫！地卜水以“防、排、饿、Ｊ：ＩＩ｛， 地制 ｆｌ：，综合治叫 ， 以排乃ｉ－ｉ”’工Ｊ Ｉ』！ｌＪ，Ｈ『】采取排水十 施，将湾人计川 ｆ～的地卜水 恶数排…，从 达劁降低幸、ｆ彻外水Ｊ 减小｛ｌｆ Ｊ’ Ｊ暨、１，竹投 资的¨的 小史以Ｉ７ 川竹雅安ｉｌ 人十ｌＩ岭隧道为背 ，研究个排放 ｊ 图１ 大相岭隧道位置 令封堵Ｉ从ｊ种防排水体条埘｝』Ｊ 护、 次幸、『砌的影响，探【ＩＪ】 小川防排水 系卜ｆ门艾｝ｒｌ２ｔ～沟断『ｆＩｌ的父键控制 ， 刈【从ｊ种 防排水体系进行 价． 谢水软 隧道的施ｒ提供｛｛千导 意 ． １ 隧道施工过程渗流场数值分析 １．１ 工程概况 人卡ｌ｛岭隧道ｆ ｒｌＪｕ ＪＩｌ肯椎 『¨泶 １１１，¨Ｉ【Ｉ『 干ＩＪ汉源 处 ｆｌ０人ｆＩ｛岭Ｉ ｝｝ ＩＩＩｆ ｘ＝， ：线Ｋ ９ ９４６ Ｉ１１，进Ｉ Ｉ『 ｆｌ 约为Ｉ ５２６．５４ 为１ ５４０．４Ｉ Ｉ１１； Ｉ线Ｋ １０ ００７ ｎｌ，进｝Ｉ ｉ 为１ ５４０．２Ｉ Ｉ／１．．隧道翁地段 人 深 ｌｌ ｌ 图２整体模型 Ｉ ５２５．８８ ｎｌ，…【１『 约１ ６６０，１ ， ｒ深圳特Ｋ越岭公路隧道，ｊ 交ｊｉ！ｌ 所爪隧道修迎过 Ｉｌ 体艘件、涌水脱象 ｒ ， 修业过干ｌＩ 一ｆＪｆ『ｆ１』＝＾ 发，『 坍力 ， 川 小处ｊ 滞状念， ｒ 涌水较人 １．２计算模型及参数 隧道Ｉ ｌ 慨７ 『』Ｉ】Ｉ１Ⅱ所述，… 、｛ＪＪｊ ９Ｊ史｛）‘一干｛Ｉ｛Ｊ 删 钟：参 数 ＆ｌ，汁 卡Ｉ！｝ ２所小 ［定稿日期ｊ２０ｌ７一Ｏ９—０７ ［作者简介］尚明源（１９９０～），男，硕士研究生，主要从 事隧道与地下工程方面研究 通过他ｊｌｊ等效 水力 参数将 慨化为 效适线介 质换， 对隧道Ｊ啊 【渗流场进行数ｆＩ．【模拟 汁 模， 选取『从Ｊ 四ＪＩ ｌ建筑第３８卷１期２０１ ８．０２ ｌ２７ ·岩土工程与地下工程· 表Ｉ 围岩及支护结构力学参数 ７６ 弱 一Ｓ３ 一２９ ｉｏＳ ８ｅｌ ６Ｓ８ 《３４ ２１ ９８《 期支护卜｜———————｝ 渗透系数／（ｍ·（Ｉ ） ５ ６３× ０＿‘’ 厚度／ｅｒａ ２５ Ｅ，ＧＰａ ２９ ８ 泊松比 ０．２０ 最度／（ｋＮ·ｎｌ ） ２５００ 二次衬砌 、 一ｊ｛嘴 渗透系数／（ｍ·ｄ ） ２．６１×ｌ０一 厚度／ｏｎｉ ５０ ＾Ｎ 侧边界至隧道中心线距离为５０ ｉｎ，底部边 至隧道距离约为 ３０ Ｉｌｌ，上部取离拱顶６０ ｎ ，纵向１２０ ｎ／仞支、加 罔ｆ¨阳崧 紧密接触，联合作ｊ｝Ｊ 有限兀分析汁箅模 行１ ８５８个４ 节点四边彤单元，共仃节点数ｌ ９５６个 １．３模拟工况 由＿丁：季 性降雨和山体内部水系分 的影响，小艾圾大 相岭隧道的最高水位６０ Ｉｌｌ，匝点分析 定的水位、 同排 放方式对初期支护、二次衬砌背后水简载的作刖形式和大 小、具体数值模拟一ｌ 况为伞封堵和全排两种排放方Ｊ弋 陔隧道’采 ｆｊ 台阶外挖１＿ 法， 阶长度３ Ｉｌｌ，高度约２ ｎｌ，仞期支护滞后掌予而３ Ｉｌ１．二次衬砌滞 初期支护ｌ５．０ Ｉｌｌ （ ３） （ｂ）仝排放 图４施工完成后初期支护外水压力 边界相应的最大值为２２．７９ ｎｌ水 ，并且芰护控制关键点 （墙脚）水位大幅度降低，结构的安全性提高很多 初期支护水压力沿纵向分布曲线中的横坐标为初期支 一．嘲圆圈豳口口团一 护到最前端的距离，拱顶孑Ｌ隙水 力沿隧道纵向变化附Ｉ线如 图５～罔７所示。 图３开挖步骤示意 １．４渗流力学计算结果分析 孺哭ｉ ／ｍ １．４．１ 初瑚之护背后水压力分布规律 图５初期支护拱顶水压力沿纵向分布曲线 为了研究支移 ＇４Ｌ隙水』 力分布情况，捉墩 期支护背后 孔隙水 力云 （ ４） 无论何种排水边界以及目标点位置为衬砌背后的何处， 衬砌背后日标点的了Ｌ隙水压力均存其所在断而被歼挖后 从 ４ ｒ Ｊ 以看ｆ１｛：施Ｉ 期川 离掌子 越近，｝、ｆ砌背后 孑Ｌ隙水 力越小，越远则卡Ｈ反，且距离掌子面较远处，衬砌结 迅速降低，并且后续丹挖步的进行会使其孔隙水 力逐渐ｌ【１１ 构背后水 力云 等值线接近水平，近似收敛。不同排水边 升，直至收敛。 界时，衬砌背后的水 力值有所不同，如在全封堵排水边界 两种排水方式对初期支护（未施加二幸寸）段背后水 时，衬砌结构背 最大孑Ｌ隙水 力为２４．９９ Ｉｌｌ水头；伞排水 有所影响，但是差别不大，全封堵时存０～２９ ｋＰａ之间，全排 １２８ 四』Ｉ ｌ建筑第３８卷１期２０１８．０２ ·岩土工程与地下工程· 放时在０—２７ ｋＰａ之间。目标点水压曲线在沿纵向１５ ｍ（二 － －—· ’’’ ’’ Ｒ 厂 衬最前端）开始突然增大，主要原因是二次衬砌起到“堵水” 作用，“阻止”水自由流出，从而增大了初支外水压力。 ｄ，Ｒ出＊末晷霉蛞¨ ３ ２ ２ １ ｌ ２ 善 量 躁 尽 Ｉ－－－ ７｜ 一一 ｄ， ２ ＊末器轻 川 ｌ ｊ 结合图５～图７和表２，可以看出：不同排水边界的条件 Ｉ＿二＿吝 ｌ 下，衬砌背后目标点孑Ｌ隙水压力均有明显差别（８．７１％～ ５３．７０％），其中降低幅度最大的位置为墙脚和仰拱位置。 面结构的关键控制点，此处水压降低５３．７Ｏ％，可见排水方 案可以大幅度提高整个结构的安全性。 １．４．２二次衬砌背后水压力分布规律 ∞一 ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 ０ 。 ∞一 ∞ ～ ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 ０ 。 而对于ｉ车道大断面高速公路隧道而言，墙脚往往是整个断 。 ＿．◆ 为了便于分析不同排水设施对衬砌背后不同位置孑Ｌ隙水 荽 ’ 压力分布规律的影响，在衬砌结构背后设置孑Ｌ隙水压力目标 罨 墨 ｌ ■●●●＿一 ｌ： ｆ 点，各目标点沿纵向衬砌外水压力曲线如图８～图ｌ０所示。 二次衬砌目标点水压力沿纵向分布曲线分布规律与初 期支护类似。随着距离衬砌最前端距离的增大，水压越高； 影响范围大约为２０ ｍ左右，即２０ ｎｌ时水头分布极不稳定。 但是，两种排水方式对二次衬砌背后水压力非常明显， 结合二次衬砌目标点水压力沿纵向分布曲线 与表可以看 表２初期支护目标面不同位置外水压力 目标点 全封堵／ｋＰａ 全排放／ｋＰａ 降低幅度／％ 拱顶 ２４９．１２ ２２７．４２ ８．７ｌ 拱肩 ２４６．７８ ２２３．２ ９．５６ 拱腰 ２４Ｏ．５５ ２ｌ０．６３ ｌ２．４４ 拱脚 ２３ Ｊ．９ ｌ８３．６９ ２０．７９ 边墙 ２２８．Ｏ１ １６０．２８ ２９．７Ｏ ２ 墙脚 ２２４．６１ 、 ２ ｌ 仰拱左侧 ２０２．４９ １４８．５ｌ 仰拱中部 ２０２．３７ １５Ｏ．９２ ２５．４２ ＊彘器＃妊¨ １ ｌＯ３．９９ ５３．７０ ２６．６６ 一∞ ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 ∞ 一 Ｏ 。 ．▲．ｊ●●◆●● 二二二二二二二二二二二二二 ●●●一’ ；！ 圈 兰 －｜●●●－一一 Ｉ◆拿 Ｉ 距二衬晟前端位置，ｍ 距二纣最前端位置， 图８二次衬砌拱顶水压力沿纵向分布曲线 图１０二次衬砌仰拱水压力沿纵向分布曲线 水量，降低支护外水压力效果明显。结合隧道运营使用方便 ！ ：：：ｊ广 ：： …… ｌ Ｉ Ｉ 要求，两侧墙脚设置排水孔易于与隧道底部排水沟衔接，是 相对最好的衬砌排水位置。综上所述，当排水系统完全堵死 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ …Ｉ ．ｌ … Ｉ …Ｉ 一一ｒ…ｌ … 时，衬砌为完全透水，在墙脚处设置排水孑Ｌ方案是比较合理 的。因为对于水压隧道，失稳破坏的关键部位在墙脚处，此 处设排水孑Ｌ可以有效地降低墙脚处的水荷载具有重要的 意义。 ●－ｒ＿一一Ｔ一 ； ｉ ｉ Ｉ ；ｉ ｆ Ｌ ．．ｌ０ ２０ ３０ 固…一｝…… ｉ４０ ； ５０ ６０ ０ 距二村最前端位置／ｍ ２结论 （１）针对抗水压衬砌，通过水压力对结构影响的敏感性 分析可知：考虑全水头时，结构受力最大部位在仰拱和边墙 图９二次衬砌边墙水压力沿纵向分布曲线 出：不同排水边界的条件下，衬砌背后目标点孔隙水压力均 有明显差别，其中降低幅度最大的位置为拱腰、墙脚和仰拱 位置，而对于三车道大断面高速公路隧道而言，这些关键部 位往往是整个断面结构的关键控制点，可见排水方案可以大 幅度提高整个结构的安全性（图ｌ１、图ｌ２、表３）。 衬砌两侧墙脚处设置排水路径时，以增加相对较小的排 脚处；不考虑水压力时弯矩较大部位在结构拱部，结构设计 时应取不利工况的最大值作为配筋依据。抵抗水压力，仰拱 的结构厚度比结构拱部的厚度大，且仰拱的配筋增加较多。 （２）隧道的开挖引起洞周孑Ｌ隙水压力急剧降低，从而造 成洞周附近渗流场发生了改变，洞周流体有向洞内流动的趋 四川建筑第３８卷１期２０１８．０２ ｌ２９ ·岩土工程与地下工程· 表３二次衬砌目标面不同位置外水压力 目标点 全封堵／ｋＰａ 全排放／ｋＰａ 拱顶 ２４２．５６ ２２１．３４ 拱肩 ２４１．８９ ２２０．２２ 拱腰 ２０７．１１ ｌ４４．４４ 拱脚 ２２６．１ｌ １７９．１７ 边墙 ２２２．Ｏ６ １５６．４５ 墙脚 ２１９．６４ ｌ２４．６８ 仰拱左侧 ２Ｏ１ ２４ １４４．４４ 仰拱中部 １９６．９０ ｌ４６．７２ 降低幅度／％ ８．７５ ８．９６ ３０．２６ ２０．７６ ２９．５５ ４３．２３ ２８．２３ ２５．４９ Ｉ；４ Ｉ圆豳四Ｉ：。：；； ：。： ｊ ：； ： 。‘； ；：。～ｚ，４ ； ？ 圆。‘；：； 固一目 ２ ４：≮—６２９ 一一－豳 圜圈口圈一 曷一 童一 图１１ 施工完成后二次衬砌外水压力 ２ ３ ４ ５－一嬲 Ｌ～ 麟 口 囝 ［＝＝］ ［二ｊ 口 —● 蔓 一（ａ）无水压衬砌弯矩 图１２ 施工完成后二次衬砌弯矩 铸。随着支护和开挖的继续向前进行，之前衬砌背后孔隙水 』Ｋ力会『｛｛于支护的施设而逐渐恢复。掌子面前后范同内，渗 流场变化明 ，前方影响距离大约５０ ｎ ，衬砌段大约３０ Ｉｌｌ鹾 小稳定 参考文献 张志强，师晓权，何川．基于流同耦合的水底隧道仰拱受力分 析与优化ｆ Ｊ］．铁道学报，２０１１，３３（１）：１０８一Ｉ Ｉ ３． 郭磊，傅鹤林，欧阳刚杰，等．考虑流同耦合效应的水Ｆ隧道岸 坡深摹坑开挖数值模拟［Ｊ］．现代隧道技术．２Ｏｌ（） ４７（４）：１２ —（３）全封堵和全排方式隧道 周围渗流场分布规律有所 差别，拿封堵时隧道周边围 渗流场降低相对较小。主要水 头差｝ｌ１隧道支护结构来承担，因此不利于施工和运营安全。 １９ 而全排方式下最大周边渗流场梯度降低较多，水头差主要由 闱岩柬承担，支护结构相对安全 ，二衬滞后掌子面１２ ｍ，已 衬砌 段只有前８ｍ左右水 有一定变化，衬砌段８ ｍ范嗣 后水 稳定。 （４）封堵方式和全排方式卜，衬砌背后目标点孔隙水 张志强，张常委，何川．水底隧道衬砌背后水简载作用形式及 大小研究［Ｊ］．现代隧道技术，２ｏｏ８，４５（ｓ１）：１３９一ｌ４３． 周乐凡．考虑外水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计‘研究 ［Ｄ］铁道部科学研究院，２０Ｈ０３． 张嵩．寓水区城市道路隧道防排水体系设汁 ｊ施１ ¨Ｊ １城市 道桥与防洪．２０１６（１２）：９７—９９． 力均有明显差别（８．７１％～５３．７０％），其中降低幅度最大的 位嚣为墙脚和仰拱位置。而对于 ｉ车道大断面高速公路隧 道而 ，墙脚往往是整个断面结构的关键控制点，此处水 降低５３，７０％，可见排水方案可以大幅度提高整个结构的安 令性． 张志强，张常委，何川．水底隧道衬砌背后水简载作用形式及 大小研究［Ｊ］．现代隧道技术，２ｏｏ８．４５（ＳＩ）：Ｉ３９—１４３． 刘丹．杨立中，于苏俊．华蓥山隧道排水的 态环境问题及效 应［Ｊ］．西南交通大学学报，２０ｏｌ（３）：３０８—３１３． ｌ ３（） 四川建筑第３８卷１期２０１８ ０２
