■劉曉飛

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，南寧 530001）

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議等國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃的不斷實施，我國高速公路隧道的數(shù)量和里程得以快速增長。 隧道作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，具有投資高、建設(shè)周期長、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險因素多等特點。 各種結(jié)構(gòu)性病害不是孤立存在的， 一種病害的發(fā)生會加劇其他病害的發(fā)展，從而降低隧道結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，影響行車舒適性，威脅行車安全。 在中西部，地形地質(zhì)條件復(fù)雜多變、地下水水力路徑縱橫交錯，尤其是富水條件下水壓導(dǎo)致軟弱地層隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形問題成為了工程建設(shè)中亟待解決的重要難題。 交通行業(yè)人員為預(yù)防地下工程突水災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果，如Liu 等[1]驗證了含水量增加會引起圍巖膨脹軟化， 增加襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻荷載，從而導(dǎo)致襯砌開裂；Gao 等[2]研究了不同埋深下穿越相交斷層的作業(yè)隧道漏水發(fā)生機(jī)理及演化規(guī)律；Zhang 等[3]基于流固耦合效應(yīng)，通過數(shù)值模擬揭示了突泥演化規(guī)律，揭示了開挖擾動和富含泥漿的斷層在地下水中易軟化崩解是突泥的關(guān)鍵觸發(fā)因素；Fan 等[4]通過電阻率、水含量和磁共振探測松弛分布來表征危險物體和內(nèi)部填充材料，實現(xiàn)掌子面前含水狀況的表征和危險體的建模；Xu 等[5]采用雷達(dá)掃描、鉆孔取芯、激光掃描等手段，揭示隧道病害特征及隧道故障原因，提出了針對隧道襯砌開裂、滲水、倒隆起等病害的解決方案；Jiang 等[6]針對富水區(qū)隧道圍巖開挖損傷區(qū)問題，提出一種新的滲流—應(yīng)力—損傷耦合模型；Zhang 等[7-8]通過一系列模型試驗研究了水下隧道襯砌在水壓作用下的承載機(jī)制和隧道襯砌的承載機(jī)制；Fan 等[9]對富水巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓分布規(guī)律，以及巖溶內(nèi)力對富水巖溶隧道襯砌及半包半排水的適用性進(jìn)行了分析；Ding 等[10]為獲得徑向注漿和帷幕注漿的效果及參數(shù)， 分析了不同注漿范圍對隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；Ye等[11]探討了在飽和粉砂層盾構(gòu)中采用土壓平衡法時，開挖面大量涌水對管片襯砌損傷的影響；徐強(qiáng)[12]考慮了不同水頭高度，開展富水巖溶隧道襯砌水壓力分布模型試驗，揭示富水巖溶隧道分別沿縱向和斷面的襯砌水壓力分布特征。

上述學(xué)者針對隧道在富水環(huán)境下的問題開展了大量研究， 為富水隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。目前在水壓狀態(tài)下的隧道工程中，存在2 個關(guān)鍵問題是圍巖的穩(wěn)定性和支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。 在此基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)以往研究[13-17]，采用MIDAS GTS 軟件建立三維數(shù)值模型，模擬隧道前方不同滲水壓力和開挖步數(shù)作用下的襯砌應(yīng)力變化。 研究成果可為富水軟弱地層公路隧道開挖設(shè)計與抗水壓襯砌穩(wěn)定性提供參考，提高富水隧道施工效率。

1 工程概況及涌水計算

1.1 工程概況

觀音山隧道是水口—崇左—愛店公路（崇左至愛店口岸段）重點工程。 觀音山隧道設(shè)計為雙線分離式小凈距隧道，兩線均為單向雙車道，設(shè)計速度100 km/h。 隧道左線起止樁號為ZK29+272～ZK34+062，全長為4790 m，右線起止樁號為YK29+256～YK34+076，全長為4820 m，屬特長隧道。 隧道內(nèi)輪廓采用半徑5.8 m 單心圓曲墻式斷面形式， 建筑限界凈寬10.75 m，凈高5 m。 隧道V 級圍巖區(qū)段開挖采用預(yù)留核心土法及CD 法，IV 級圍巖區(qū)段采用臺階法，III 級圍巖區(qū)段采用全斷面法， 隧道采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)。 隧道橫縱斷面及圍巖分布縱斷面如圖1 所示。

圖1 隧道圍巖破碎段地質(zhì)橫縱斷面

富水地層是一種分布廣泛、厚實的不利地質(zhì)構(gòu)造，地層均勻性差，結(jié)構(gòu)疏松，滲透性強(qiáng)。 軟弱地層隧道襯砌受水壓致災(zāi)原因主要為軟弱圍巖破碎，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，同時地下水會沿著裂隙向掌子面外流動，形成涌水，可溶性礦物流失，軟化作用明顯。隧道區(qū)域夏季降雨豐富，多年平均降雨量為1340～1500 mm，最大一日降水強(qiáng)度達(dá)283.2 mm，大范圍的降雨入滲增加了隧道地下水位和孔隙水壓，在靜、動水壓力作用下削弱了圍巖抗剪強(qiáng)度，增加了初期支護(hù)荷載壓力，致襯砌開裂，同時可能存在支護(hù)設(shè)計考慮不足等問題。

1.2 涌水計算

觀音山隧道圍巖裂隙發(fā)育， 且在隧道開挖后，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖部分的隧道施工段有地下水沿裂隙滲出；隧道施工過程中極有可能導(dǎo)致地下水與開挖面貫通，發(fā)生突水突泥災(zāi)害。 隧道圍巖地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中裂隙水。 兩者主要由大氣降水補(bǔ)給，因此采用大氣降水入滲估算法對隧道洞室進(jìn)行涌水量計算。

（1）大氣降水入滲法

地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水，其補(bǔ)給量的多少受降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時間、地形及地表節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度影響。 當(dāng)?shù)啬昃涤炅繛?500 mm，入滲系數(shù)取0.30，采用降水入滲法初步估算隧道的涌水量如下：

式（1）中：Qs為隧道通過含水山體地段的正常涌水量（m3/d）；α 為降雨入滲參數(shù)，取0.3；W 為年均降水，W=1500 mm；A 為隧道集水面積，A=2.34 km2。

根據(jù)上述公式，計算正常涌水量為Qs=2885.2 m3/d，最大涌水量取正常涌水量的1.5 倍計算，為4327.8 m3/d。

2 數(shù)值模型

2.1 圍巖荷載

根據(jù)現(xiàn)場勘察報告，V 級圍巖區(qū)段的隧道埋深分布在10～250 m 范圍內(nèi)，IV 級圍巖區(qū)段隧道埋深分布10～350 m 范圍內(nèi)，在構(gòu)建數(shù)值計算模型時，選取最不利荷載情況，其中數(shù)值計算模型中圍巖荷載按照J(rèn)TG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定進(jìn)行計算，計算公式為：

式（2）、（3）中：q 為垂直均布壓力（kN/m2）；γ 為圍巖重度（kN/m3）；h 為圍巖壓力計算高度（m）；S 為圍巖級別；w 為寬度影響系數(shù)，w=1+i （B-5），i 為圍巖壓力增減率；B 為隧道寬度（m），取開挖尺寸凈寬為13.6 m。

根據(jù)上述公式，計算得到IV、V 級圍巖區(qū)段作用在模型上方的均布荷載大小值分別為304560 Pa/m2、162000 Pa/m2。

2.2 模型建立

根據(jù)觀音山隧道設(shè)計情況， 通過Midas GTS NX有限元軟件建立富水地層隧道模型，旨在揭示不同富水工況下襯砌受力情況，僅考慮自重條件下隧道開挖對邊坡的影響，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。 模型左右兩側(cè)長度設(shè)定為隧道直徑的5 倍，兩隧道間的凈距按照最不利的情況，取為17 m。計算模型橫向長度為110 m，高度為60 m，沿隧道掘進(jìn)方向為60 m。開挖模型斷面寬度約為13.6 m，高度約為11 m，襯砌厚度設(shè)為30 cm。 采用全斷面開挖，如圖2 所示。

圖2 隧道三維模型圖

位移邊界條件用于約束模型周圍的水平位移和模型底部的固定位移，荷載按照計算得到的均布荷載施加在上表面。 圍巖本構(gòu)模型遵循Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，并結(jié)合JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》和室內(nèi)巖土試驗成果，確定主要圍巖物理力學(xué)參數(shù)。 初期支護(hù)采用錨桿+噴射混凝土支護(hù)，噴射混凝土厚度為30 cm，錨桿采用4.0 m 長的中空錨桿， 布置范圍為拱頂120°范圍，縱向間距1 m，環(huán)間距0.6 m，一環(huán)共26根，隧道采用單層φ42 mm×4 mm 的超前小導(dǎo)管，L=4.5 m，環(huán)向間距0.4 m，外插角5°～15°，隧道采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，縱向間距4 m，一環(huán)總計46 根。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性單元模擬，具體的計算參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 工況設(shè)置

隧道模型圍巖?、跫墖鷰r段，模擬隧道全斷面開挖過程中，通過改變隧道前方圍巖不同滲水壓力來模擬隧道圍巖的富水情況，研究富水條件對軟弱地層小凈距隧道施工的影響。 模擬5 種不同水壓工況，可分為：（1） 無水壓、（2）4 MPa、（3）6 MPa、（4）8 MPa、（5）10 MPa。 隧道施工過程模擬：隧道沿著z 軸進(jìn)行開挖，每次開挖進(jìn)尺3 m，開挖后立刻進(jìn)行支護(hù)，不考慮襯砌施作的時間效應(yīng)。

4 結(jié)果分析

分別提取掌子面前方不同水壓工況作用下隧道x 軸和z 軸方向應(yīng)力云圖， 分析2 個方向主要受力部位和應(yīng)力變化情況，如圖3～6 所示；同時獲取隧道襯砌最大受力點數(shù)據(jù)， 觀察最大應(yīng)力變化趨勢，如圖7 所示。

圖3 隧道前方水壓4 MPa 襯砌受力

圖4 隧道前方水壓6 MPa 襯砌受力

圖5 隧道前方水壓8 MPa 襯砌受力

圖6 隧道前方水壓10 MPa 襯砌受力

圖7 隧道襯砌最大受力曲線

對比分析不同工況下隧道襯砌受力情況，由圖3～6 可知，隧道襯砌受到最大的壓力位于拱腳處，且最大壓力隨著隧道前方水頭壓力的增加而增加。對比x 軸方向和z 軸方向的最大應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌在z 軸方向上受到的壓力更大，同時，最大壓力隨著開挖的進(jìn)行不斷增大，直至開挖結(jié)束后襯砌受到的應(yīng)力達(dá)到最大值，且襯砌拱頂和拱底承受了一定的拉力。 從圖7 可以看出，隧道襯砌最大受力在隧道開挖前5 部分時緩慢增加， 當(dāng)隧道開挖后5部分時，隧道襯砌受力急劇增大，且z 方向最大應(yīng)力增加更明顯。 隧道前方水壓為4 MPa 時，隧道襯砌z 方向最大應(yīng)力增加幅度大于其他值。 當(dāng)襯砌承受較大的應(yīng)力時，會出現(xiàn)開裂、滲水、倒隆等一系列問題，因此，隨著隧道開挖進(jìn)行，隧道的安全防護(hù)等級應(yīng)隨之提高，施工人員需不斷地對掌子面前方進(jìn)行探測，以識別前方危險體內(nèi)圍巖和填充材料的含水條件和涌入危險類型，保證施工安全。

對比有無水壓情況下隧道襯砌受到的最大應(yīng)力，結(jié)果如表2 所示。 相比于無水壓情況下，隧道掌子面前方有水壓會使隧道襯砌受力增加。 當(dāng)隧道掌子面前方存在水壓4 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應(yīng)力增加了約12%；當(dāng)隧道掌子面前方存在水壓6 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應(yīng)力增加約22%；當(dāng)隧道掌子面前方存在水壓8 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應(yīng)力增加約36%；當(dāng)隧道掌子面前方存在水壓10 MPa 時，隧道襯砌受到的最大應(yīng)力增加約50%。可見，對于富水軟弱地層小凈距隧道而言，巖土體中的含水情況會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的影響，并對隧道施工安全提出了巨大的挑戰(zhàn)。 因此，為保證隧道施工正常進(jìn)行，提高隧道施工安全性，有必要在隧道施工期間加強(qiáng)監(jiān)控量測，并在地質(zhì)預(yù)報時提高精準(zhǔn)度，明確隧道掌子面前方的地質(zhì)情況。 當(dāng)襯砌出現(xiàn)裂縫時，可采用飽和處理，對裂縫灌漿，抑制裂縫處的拉應(yīng)力[3]，并采用粘土鋼帶加固；對病害嚴(yán)重的斷面襯砌進(jìn)行鑿邊、重澆，并設(shè)置低預(yù)應(yīng)力地腳螺栓，保證襯砌縱縫與圍巖整體錨固，嚴(yán)重受損段需重點監(jiān)測，直至未發(fā)現(xiàn)裂縫擴(kuò)大和滲漏再發(fā)；同時設(shè)置橫向排水管和縱向排水管，確保排水順暢。

5 結(jié)論

本文針對觀音山富水軟弱地層小凈距隧道施工過程中可能出現(xiàn)突水、 突泥等危害問題展開分析，計算了觀音山隧道涌水量，闡述了影響突水突泥災(zāi)害的因素和機(jī)理，進(jìn)而對富水地層隧道襯砌進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論：（1）影響隧道突水突泥災(zāi)害的因素眾多，觀音山隧道發(fā)生涌水災(zāi)害的主要因素可以分為地質(zhì)因素和降雨。 由于隧道圍巖軟弱、節(jié)理發(fā)育，隧道區(qū)域常年出現(xiàn)季節(jié)性暴雨，降雨量大，使雨水沿著裂隙流動，巖體空隙通道中的原有充填物顆粒不斷被運移帶走，巖體空隙率不斷增加，同時雨水對圍巖存在軟化作用，因此，觀音山隧道容易出現(xiàn)涌水災(zāi)害；（2）通過Midas 數(shù)值模擬軟件建立三維模型，對比不同工況下的隧道襯砌受力情況，發(fā)現(xiàn)相比于無水壓的情況，在隧道掌子面前方有水壓會時隧道襯砌受力增加，在隧道掌子面前方存在水壓4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 的情況下， 隧道襯砌受力增加約12%、22%、36%、50%。隧道襯砌最大受力在隧道開挖前5 部分時緩慢增加，當(dāng)隧道開挖后5 部分時，隧道襯砌受力急劇增大。 因此，隨著隧道施工進(jìn)行，隧道的安全防護(hù)等級要隨之提高，保證施工安全。