王一鳴，陽軍生，羅祿森，林　輝

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450046；

3.中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031)

巖溶隧道襯砌水壓力分布統(tǒng)計分析及模糊評價

王一鳴1,2，陽軍生1，羅祿森3，林輝1

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450046；

3.中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031)

摘要：對國內(nèi)典型巖溶隧道襯砌水壓力實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析襯砌水壓力的影響因素，主要包括：地質(zhì)構(gòu)造、圍巖滲透性、巖溶水補給、巖溶水排泄和巖溶水垂直分帶.基于實測數(shù)據(jù)研究不同防排水方式下襯砌水壓力的分布規(guī)律，全排水設(shè)計時襯砌水壓力很小，全封堵設(shè)計時襯砌水壓力幾乎等于靜水壓力，釋能降壓處理能大幅度降低襯砌水壓力，堵水限排設(shè)計可通過控制排水量以降低襯砌水壓力.在襯砌水壓力實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，建立隧道水壓力模糊綜合評價體系，根據(jù)水壓力模糊評價結(jié)果，對隧道防排水方式的選擇提出建議.

關(guān)鍵詞：襯砌水壓力；統(tǒng)計分析；影響因素；防排水方式；模糊評價

0引言

我國巖溶分布很廣，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的山嶺隧道修建在巖溶區(qū).由于高水壓的作用，保證襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全性是一個難題.隧道由于高水壓引起襯砌結(jié)構(gòu)開裂的病害時有發(fā)生，如三峽翻壩高速季家坡隧道暴雨后，襯砌承受高水壓而開裂[1].因此有必要開展巖溶隧道襯砌水壓力分布特征的研究，分析襯砌水壓力的影響因素.分布規(guī)律，指導隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全.

近年來，對巖溶發(fā)育程度的影響因素進行了較多的研究，而缺乏對襯砌水壓力的影響因素進行深入分析.雖然對典型巖溶隧道的襯砌水壓力進行了一些現(xiàn)場測試，但沒有進行系統(tǒng)的統(tǒng)計分析，也沒有具體指出不同防排水方式下襯砌水壓力的分布特征[2-3].襯砌水壓力影響因素眾多，如何全面考慮這些因素，合理選擇防排水方式，在工程設(shè)計中也沒有統(tǒng)一的標準[4].

筆者對國內(nèi)典型巖溶隧道襯砌水壓力實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析水壓力的影響因素和不同排水方式下襯砌水壓力的分布特征，通過隧道水壓力模糊綜合評價，對隧道防排水方式的選擇提出建議.

1隧道襯砌水壓力的影響因素分析

1.1地質(zhì)構(gòu)造

不同地質(zhì)構(gòu)造帶，地下水富集程度和運動特征不同，水壓力大小也不同.梨樹灣隧道中梁山背斜段水壓力為1.0～1.5 MPa，圓梁山隧道毛壩向斜段水壓力為4.5 MPa[5]，錦屏二級水電站隧洞斷層破碎帶處水壓力為10 MPa[6].斷層帶裂隙率高，有利于巖溶水的流通，巖溶發(fā)育往往強烈，水壓力很高.向斜軸部屬于聚水區(qū)，巖溶水常富集于軸部，水壓力較高.背斜軸部產(chǎn)生張應(yīng)力，張裂隙發(fā)育，水沿著裂隙作垂直運動，然后再向兩翼運動，水壓力較低.

1.2圍巖滲透性

圍巖滲透性對滲流場有較大影響，進而影響襯砌水壓力的大小.圍巖滲透性越弱，水壓力折減系數(shù)越小，外水壓力越小.圍巖滲透性越強，水壓力折減系數(shù)越大，外水壓力越大.廣州抽水蓄能電站壓力隧洞圍巖滲透性從弱變化到強時，水壓力折減系數(shù)從0.038變化到0.9[6].

1.3巖溶水補給

巖溶水的補給條件對隧道水壓力也有較大影響.如果深部巖溶水與上部具有較好的水力聯(lián)系，大氣降水滲入地表，會繼續(xù)下滲補給巖溶水，雨水滲入到隧道附近，導致隧道結(jié)構(gòu)承受較大的水壓力.如果巖溶水補給不良，則水壓力較小.

齊岳山隧道水壓力隨降雨量的變化曲線見圖1[7].隧道上方存在暗河，隧道、暗河、地表建立良好的水力聯(lián)系.隧址區(qū)2006年9月8日突降暴雨，雨水滲入到隧道附近，水壓力增大.

1.4巖溶水排泄

巖溶水排泄點或在隧道以上，或在隧道以下，或不存在排泄點.不同排泄情況下隧道水壓力的統(tǒng)計見表1.

當隧道標高以上存在排泄點時，水壓力近似為上排泄點與隧道高程之差，屬于中折減.當隧道標高以下存在排泄點時，水壓力很小，屬于強折減.當隧道標高上、下不存在強排泄點，水壓力近似等于靜水壓力，屬于弱折減.

1.5巖溶水垂直分帶

當隧道穿越巖溶水垂向滲流帶時，涌突水風險較小，水壓力較小.當隧道穿越巖溶水水平徑流帶時，地下水循環(huán)交替程度強，巖溶強烈發(fā)育，涌突水風險較大，水壓力較大.應(yīng)山巖隧道穿越巖溶水平徑流帶，巖溶強烈發(fā)育，水壓力達到2 MPa[3].

2不同防排水方式的襯砌水壓力分布

2.1全排水設(shè)計

隧道采用全排水設(shè)計時，襯砌背后的水完全排出，襯砌水壓力很小，接近于0.襄渝鐵路中梁山隧道采用全排水設(shè)計，襯砌水壓力接近于0[9].

2.2全封堵設(shè)計

武廣高鐵金沙洲隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)，采用全封閉防水設(shè)計，全斷面敷設(shè)防水板.選擇DK2194+752斷面進行襯砌水壓力監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖2.

監(jiān)測結(jié)果表明，仰拱襯砌水壓力最大，拱頂最小.全封堵型防水結(jié)構(gòu)，地下水不能排出，襯砌水壓力幾乎等于靜水壓力.

全封堵設(shè)計，襯砌水壓力很大，運營期襯砌可能開裂.圓梁山隧道2#溶洞段全封堵襯砌，水壓力達到1.923 MPa，運營期發(fā)現(xiàn)水從襯砌接頭縫隙或混凝土襯砌本身滲入隧道內(nèi)[5].

2.3釋能降壓處理

宜萬鐵路巖溶發(fā)育，高壓涌水難控，為減小水壓力，在施工中采用釋能降壓的處理措施.通過爆破打開溶腔，釋放高壓水，削減水壓力.

大支坪隧道“990溶腔”進行釋能降壓處理后，典型斷面從2009年7月1日至12月4日進行水壓力監(jiān)測[10]，襯砌水壓力分布見圖3.

宜萬鐵路另外4條典型巖溶隧道釋能降壓處理后，襯砌水壓力監(jiān)測結(jié)果如下：馬鹿箐隧道為51.2 kPa，云霧山隧道為36.2 kPa，野三關(guān)隧道為6.3 kPa，齊岳山隧道為38.1 kPa.

經(jīng)釋能降壓處理后，襯砌水壓力普遍較小，大多分布在0～40 kPa之間.襯砌水壓力最大值一般位于仰拱.釋能降壓法對降低襯砌水壓力效果明顯.

2.4“注漿+排導”的堵水限排設(shè)計

重慶軌道交通一號線中梁山隧道采用“注漿+排導”的堵水限排設(shè)計，通過注漿控制地下水排放標準為1 m3·(m·d)-1，設(shè)置“兩側(cè)溝+中心溝”的排導系統(tǒng).典型斷面襯砌水壓力測試結(jié)果見圖4[11].

測試斷面襯砌水壓力遠小于襯砌水壓力設(shè)計值1 MPa.“注漿+排導”的堵水限排處理有效地降低了襯砌水壓力，仰拱承受較大的水壓力.

“兩側(cè)溝+中心溝”的排水方式在邊墻腳設(shè)排水孔，拱墻襯砌背后的水可通過盲管排出，但仰拱背后積水無法排出，對仰拱結(jié)構(gòu)受力不利.武九線某隧道運營期持續(xù)強降雨后隧道內(nèi)中心排水溝不能排除仰拱下積水，仰拱承受高水壓而開裂[12].

2.5不同防排水方式的襯砌水壓力分布規(guī)律

基于對不同防排水方式襯砌水壓力測試結(jié)果的統(tǒng)計分析，不同防排水方式對襯砌水壓力的影響和襯砌水壓力折減系數(shù)見表2.

3隧道水壓力大小的模糊綜合評價

巖溶隧道水壓力實測數(shù)據(jù)分析表明，隧道水壓力受到多種因素的影響，不同防排水方式的襯砌水壓力分布特征不同.采用模糊綜合評價的方法，綜合考慮各影響因素，對隧道水壓力的大小進行評價，根據(jù)水壓力評價結(jié)果選擇合理的防排水方式.

陸抑非（1908—1997），名翀，初字一飛，江蘇常熟人。早年師從李西山、陳加盦，后游于吳湖帆門下，1937年由吳湖帆改字“抑非”，后以抑非字行。上世紀四五十年代，陸抑非先生在滬上與唐云、江寒汀、張大壯有“江南花卉四才子”的美稱，與陸儼少、陸維釗并稱浙江美術(shù)學院（中國美術(shù)學院前身）“三陸”。陸抑非先生不但是花鳥畫大家，也是一位杰出的藝術(shù)教育家，在國畫教育領(lǐng)域勤勤懇懇耕耘六十余年，桃李滿天下。

3.1隧道水壓力模糊綜合評價體系

3.1.1建立因素集

因素集是隧道水壓力影響因素的一個集合.根據(jù)對巖溶隧道水壓力實測資料的分析，確定水壓力的影響因素，進而建立因素集見圖5[3].

3.1.2建立評價集

根據(jù)前述水壓力實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，將水壓力的評價結(jié)果分為“低”“中”“高”“極高”4個等級[3]，建立評價集如表3所示.

3.1.3建立模糊評價矩陣

首先對因素集U中單因素ui作單因素評判，從因素ui著眼該評判對象對評價集V中評價等級vj的隸屬度為rij，得到因素ui的單因素評價集ri，

ri=(ri1,ri2,…,rim).

(1)

這樣從因素集的每個因素出發(fā)就構(gòu)造出一個總的評價矩陣R.

(2)

隧道水壓力的影響因素不便量化，不便采用相關(guān)隸屬度函數(shù).筆者采用專家調(diào)查法，聘請隧道工程領(lǐng)域相關(guān)專家，對結(jié)果進行統(tǒng)計分析，確定各因素的隸屬度.如果共有n位專家，從因素ui著眼該評判對象被評價為等級vj的共有m位專家，則因素ui在評價等級vj上的頻率分布為m/n，于是該因素的隸屬度 rij=m/n.

3.1.4建立因素權(quán)重集

建立模糊評價矩陣后，尚不足以對事物做出評價.各個因素在評價目標中有不同的地位和作用.為反映各個因素相對于評價目標的重要程度，對各個因素賦予一個權(quán)數(shù)ai，建立因素權(quán)重集A，且滿足∑ai=1.

A={a1,a2,…,an}.

(3)

(4)

式中：cij表示從因素i和因素j相對于評價目標的重要程度，cij采用常用的“1—9標度法”[3]確定.

然后求出矩陣C的最大特征值ymax和其相應(yīng)的特征向量A，即CA=ymaxA；則A的分量即為相應(yīng)n個因素的權(quán)重；判斷矩陣C尚需進行一致性檢驗，使其滿足一致性比率CR<0.1.

3.1.5進行模糊合成和做出評價

用因素權(quán)重集A對評價矩陣R中不同的行進行綜合，可得到模糊評價結(jié)果集B.筆者采用模糊變換B=A×R，得到模糊評價結(jié)果.B尚需進行歸一化處理得到B′，使其滿足∑bi=1.結(jié)合評價結(jié)果集B′，根據(jù)最大隸屬度原則，即取bi中最大者，確定被評價對象的評價結(jié)果分級.

3.2根據(jù)水壓力大小選擇不同的防排水方式

通過對隧道水壓力的模糊綜合評價，根據(jù)評價結(jié)果，選擇合適的防排水方式：①如果溶洞規(guī)模大，水壓力為“極高、高”級，采用釋能降壓的處理方式；②如果溶洞規(guī)模小，水壓力為“中”級，采用“注漿+排導”的處理方式；③如果水壓力為“低”級，且地表沉降控制嚴格，水資源需嚴格保護，可考慮采用全封堵設(shè)計；④全排方式處理時，襯砌結(jié)構(gòu)承受很小的水壓力，但是水資源損失較多，需慎用.

3.3模糊評價應(yīng)用實例

大支坪隧道DK132+990處發(fā)育大型富水充填型溶腔，位于唐坪向斜構(gòu)造帶，溶腔段為三疊系大冶組灰?guī)r，圍巖滲透性強.“990溶腔”與上部含水裂隙、管道連通，直接接受上部地下水的補給，地下水補給良好.該處地表為水谷壩巖溶槽谷，隧道標高以上發(fā)育強排泄點.該溶腔段位于巖溶水平徑流帶，巖溶強烈發(fā)育.

(1)建立評價集V={低、中、高、極高}.

(2)建立評價矩陣.選取設(shè)計、施工、科研單位相關(guān)技術(shù)人員20名，對該該隧道水壓力的大小進行評價.單因素評價結(jié)果統(tǒng)計見表4.

根據(jù)評價結(jié)果統(tǒng)計，計算出隸屬度，進而確定模糊評價矩陣R，

(5)

(3)建立因素權(quán)重集.①兩兩比較各因素，根據(jù)其相對重要性程度，結(jié)合表4，構(gòu)造判斷矩陣C,

(6)

②計算最大特征值對應(yīng)的特征向量，并經(jīng)一致性檢驗，且滿足一致性比率CR<0.1，如此可求得權(quán)重集A.

A=(0.06,0.14,0.27,0.24,0.29).

(4)模糊綜合評價及防排水方式選擇

進行模糊變換B=A×R，并經(jīng)歸一化處理

B′=(0.082,0.133,0.349,0.436).

根據(jù)最大隸屬度原則，大支坪隧道990溶腔，隧道水壓力評定為極高級.大支坪隧道“990溶腔”段巖溶強烈發(fā)育，采用釋能降壓法進行處理，以保證施工安全.

4結(jié)論

(1)影響隧道水壓力的因素主要包括：地質(zhì)構(gòu)造、圍巖的滲透性、巖溶水的補給、巖溶水的排泄和巖溶水垂直分帶.向斜和斷層區(qū)、圍巖滲透性強、巖溶水補給良好、巖溶水排泄不良和水平巖溶帶等區(qū)域的水壓力較大.

(2)不同防排水方式影響襯砌水壓力的大小.全排水設(shè)計時，襯砌水壓力很?。蝗舛略O(shè)計時，襯砌水壓力幾乎等于靜水壓力；釋能降壓處理能大幅度降低襯砌水壓力；“注漿+排導”的堵水限排設(shè)計也能降低水壓力，但仰拱襯砌水壓力較大，是該排水方式下襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱部位.

(3)建立了隧道水壓力的模糊綜合評價體系，根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析建立因素集和評價集，水壓力評價結(jié)果分為“極高”“高”“中”“低”四級，據(jù)水壓力模糊評價結(jié)果分級，合理選擇不同的防排水設(shè)計方式.并以宜萬鐵路大支坪隧道為例驗證了該模糊綜合評價模型.

參考文獻：

[1]許振浩，李術(shù)才，李利平，等. 一種典型的巖溶隧道襯砌壓裂突水災(zāi)害成因與防治[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30(7)：1396-1404.

[2]何明磊，胡磊，孟祥磊. 隧道襯砌水壓力荷載及內(nèi)力研究[J]. 鐵道標準設(shè)計，2014，58(2)：79-83.

[3]王一鳴. 高水壓巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征和防排水設(shè)計研究[D]. 長沙：中南大學土木工程學院，2014：29-41.

[4]王建宇. 隧道工程高水頭地下水的處治[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50(1)：46-52.

[5]張宇，萬曉燕，陳禮偉. 圓梁山隧道溶洞地段抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)試驗分析[J]. 中國鐵道科學，2006，27(4)：62-67.

[6]宋岳，賈國臣，滕杰. 隧洞外水壓力折減系數(shù)工程地質(zhì)研究[J]. 水利水電工程設(shè)計，2007，26(3)：38-40.

[7]袁慧. 高水壓巖溶隧道襯砌水壓力特征研究[D]. 北京：北京交通大學土木建筑工程學院，2009：43-45.

[8]張民慶，黃鴻健，苗德海，等. 巖溶隧道水壓力的研究與確定[J]. 鐵道工程學報，2008(5)：53-58.

[9]梅志榮，張軍偉，李傳富. 鐵路長大隧道建設(shè)中地下水防治有關(guān)問題研究進展[J]. 鐵道工程學報，2009，132(9)：78-82.

[10]張梅. 巖溶隧道高壓富水充填溶腔釋能降壓新技術(shù)[M]. 北京：科學出版社，2010：105-169.

[11]遲永利. 中梁山隧道穿越富水巖溶區(qū)施工技術(shù)研究[D]. 北京：北京交通大學土木建筑工程學院，2011：58-61.

[12]李國英. 巖溶地區(qū)隧道仰拱開裂的整治[J]. 鐵道標準設(shè)計，2007(1)：68-71.

Statistical Analysis and Fuzzy Synthetic Evaluation of Water Pressure Load on Lining of Karst Tunnel

WANG Yi-ming1,2， YANG Jun-sheng1， LUO Lu-sen3，LIN Hui1

(1.College of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China; 2.Zhengzhou City Municipal Engineering Design & Research Institute,Zhengzhou 450046,China; 3.China Railway Er’yuan Engineering Group Limited Company,Chengdu 610031,China)

Abstract:Based on the statistical analysis of water pressure load on tunnel lining, the main influencing factors of water pressure are analyzed. The main control ingredients are geological structure, rock permeability,the supply and drainage of Karst water,vertical zonation of Karst water. The population distribution characteristics of water pressure on liner are also studied with different drainaged designs. A large number of drainage leads to a small water pressure on lining. When full-sealing water proofing lining is employed, the water pressure on lining is equal to hydrostatic pressure. When Karst water is released, the water pressure can be reduced sharply. The water pressure on lining can be weakened by controlled drainage design. Based on the statistics of data measured in field, a fuzzy synthetic evaluation system of water pressure is established. According to the evaluation results of water pressure, reasonable choice of different drainage patterns can be acquired.

Key words:water pressure load on lining; statistical analysis; influencing factor; design of drainage; fuzzy synthetic evaluation

中圖分類號：451

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.009

文章編號:1671-6833(2015)02-0038-05

作者簡介:王一鳴(1988-)，男，河南鄭州人，碩士，主要從事地下工程方面的設(shè)計與科研工作，E-mail：success0728@126.com.

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK24B02)；中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃重點項目(39-2010)

收稿日期:2014-10-30；

修訂日期：2014-12-29