高水压公路隧道的结构受力特征及对围岩稳定性的影响马高强 (山西交通职业技术学院, 山西 晋中 030031) [摘 要] 以四川省某公路的高水压隧道为对象，采用有限元软件 ANSYS11.0，对其结构的受力特征和围岩的稳定性进行了研究。结果表明，水压力对隧道所受的轴力、弯矩、剪力影响最大，受水压力的影响，轴力增加69%以上、弯矩增加97%以上、剪力增加203%以上。在水压力作用系数相同时，在衬砌背后排水系统排出的地下水时，衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值，但增幅很小。无论是蛋形断面还是圆形断面，隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小，两种断面的减小幅度非常相近，圆形断面对隧道结构受力与围岩稳定性要比蛋形断面好。水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大，其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显，分别增加了100%、443%，水压力分布不均匀对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。 [关键词] 受力特征； 围岩； 高水压； 隧道； 稳定性 在隧道工程中，由于水压力的存在，会造成围岩结构与稳定性遭到破坏[1-4]。在设计高水压隧道支护结构时，最关键是合理对作用衬砌上的水压进行确定[5]。水文地质条件比较复杂的隧道，开挖会导致隧道渗流场与围岩应力场的相互作用，使衬砌结构所承受的水压非常高，造成弯矩与轴力变化很大，相比于普通水压，高水压存在一定的风险，过高水头压力会对设备安全、隧道衬砌、施工人员造成直接威胁[6-9]。进入高压富水区段，施工会遭遇突发性高压涌水，因此，高水压隧道衬砌水压力及围岩稳定性关系到高水压隧道能否成功修建[10]。 在富水区，隧道施工多数采取排水及防水原则是进行限量排放、以堵为主，这会使隧道衬砌承受水压力作用不可避免[11]。因降水等因素，造成隧道墙后的水压上升，引起衬砌结构的受力状态会变差，内力会重新进行分布，这样隧道某些位置额安全系数难以达到要求，对高水压隧道的研究非常有必要[12]。本文以四川省某公路的高水压隧道为对象，对其结构的受力特征和围岩的稳定性进行了研究。 1 工程概况本工程为四川省某高速公路隧道，在其进口洞段存在一构造裂隙带，贯穿洞身与附近的水库，通过该裂隙带，地下水容易渗入隧道，为预防外水压力较大而引发突水事故，确保隧道开挖与运营的安全，该隧道设计为分离式，通过工程地质物探、调绘、钻探，在该隧道的进口处，存在一个贯穿洞身与附近水库的F6构造裂隙带，隧道附近水库的蓄水位标高为490～495 m，比隧道403 m洞底高92 m，水压较大，此段落围岩为V级，采用复合衬砌进行隧道支护。 2 水压力的确定2.1 衬砌渗流进入的水压力确定 将作用在隧道衬砌内的水荷载通过公式(1)等效成作用在隧道衬砌外表面的水压力荷载，衬砌外表面等效水压力荷载Fl为:  (1) 式(1)中: r1为隧道衬砌内半径；rl为隧道衬砌外半径；Pl为隧道衬砌背后水压力；P1为隧道衬砌内表面水压力。 将作用在隧道注浆圈内的水荷载通过公式(2)等效为作用在隧道注浆圈外表面的等效水压力荷载，注浆圈外表面等效水压力荷载Fg为:  (2) 式(2)中: rg为隧道注浆圈半径；Pg为隧道注浆圈外表面水压力。 2.2 衬砌背后排出的水压力确定 衬砌背后排出的水压力通过公式(3)计算。 Fl=Pl (3) Pl值为模型试验结果。另外，作用在隧道注浆圈外表面等效水压力荷载同样使用公式(2)计算，当隧道衬砌断面为蛋形时，计算通过等效半径进行。 3 有限元模型及参数的选取根据隧道复杂的气象水文、水文地质条件，本研究利用通用有限元软件 ANSYS11.0，进行隧道围岩结构受力特性分析。选取平面应变模型，进行有限元数值模拟计算。围岩单元按弹塑性体模拟，屈服准则采用Drucker-Prager准则；衬砌单元按理想弹性体模拟，结合施工现场情况，依据公路隧道设计规范，表1列出了围岩和支护结构材料物理力学参数。  表1 材料物理力学参数Table1 Thephysicalandmechanicalparametersofmaterials材料类型弹性模量E/GPa泊松比υ重度γ/(kN·m-2)粘聚力c/MPa内摩擦角φ/°()Ⅲ级围岩15024241045围岩注浆加固区17022251248衬砌300225C30-X40201928锚杆2100257800注浆圈187023251245 计算以圣维南原理为依据，采用地层结构模型，地层范围选取方法是在水平方向上，左右两边分别取相当于5倍的隧道洞径；在竖直方向上，以隧道中心为基准，分别到上边界、下边界取相当于4倍的隧道洞径。施加水平方向约束给模型的左右边界；施加法向位移约束给模型下边界；施加竖向均布荷载给模型的上边界，对隧道上方覆岩层自重进行模拟，图1为隧道整体有限元模型。  图1 隧道整体有限元模型 4 计算工况通过组合隧道模拟排水形式、衬砌断面形式、隧道控制排水量、水压力作用系数，形成7种工况计算，其中工况 — 3为蛋形断面，工况 — 6为圆形断面，隧道高水压段使用注浆圈进行堵水，注浆是将注浆圈内围岩渗透系数减小。表2为平面有限元计算工况同等效水压力荷载取值，图2为衬砌与注浆圈单元网格划分图。  表2 平面有限元计算工况与等效水压力荷载取值Table2 Thecalculationconditionsofplanefiniteelementandvalueofequivalentwaterpressureload工况编号断面形状衬砌厚度/m衬砌材料控制排水量/(m3·d-1·m-1)水压力作用系数水压力/MPa等效水压力/MPaαlαgPlPgFlFg工况-10．8C404．80．720．963．574．743．170．87工况-2蛋形0．8C404．90．680．963．574．743．371．02工况-30．8C40工况-41．0C30-X4．80．720．963．574．743．270．90工况-5圆形1．0C30-X4．90．680．963．574．743．371．05工况-61．0C30-X工况-71．0C30-X4．00．760．973．764．73．760．79  (a) 衬砌  (b) 注浆圈 图2 衬砌与注浆圈的单元网格划分 Figure 2 The element mesh of lining and grouting circle 5 结果与分析表3为各工况下隧道位移和塑性应变的最大值，表4为各工况下衬砌内力的最大值。 5.1 有无水压的比较 在隧道衬砌结构使用蛋形断面时，不管是有水压还是无水压，隧道衬砌及位移在内力分布形状上是相似的，其最大值的位置相同但数值有差异。为进一步比较，本文以无水压的工况 — 3为基准，将透水衬砌的工况 — 1及排水系统的工况 — 2同工况 — 3进行比较，如图3所示。 从图3可以看出: 由于存在水压力，使隧道的水平位移和竖向位移均得到增加，塑性区宽度均增加0.9 m，这对隧道稳定性是有影响的，水压力对轴力、弯矩、剪力影响最大，其中轴力增加在69%以上、弯矩增加在97%以上、剪力增加在203%以上。  表3 各工况隧道位移和塑性应变Table3 Thedisplacementandplasticstrainoftunnelunderdifferentworkingconditions工况编号拱脚仰拱拱顶拱腰水平位移/mm塑性应变最大值/×10-6分布范围/m竖直位移/mm塑性应变最大值/×10-6分布范围/m工况-15．76770．74．7工况-25．97590．74．8工况-34．33．8工况-45．02570．47．6工况-55．12750．47．7工况-63．86．2工况-75．25150．58．95150．5  表4 各工况衬砌内力Table4 Thelininginternalforceofeachworkingcondition工况编号轴力弯矩剪力部位最大值/MN部位最大值/(kN·m)部位最大值/kN工况-1拱顶113墙脚621墙脚1449工况-2拱顶115墙脚646墙脚1519工况-3拱顶67墙脚316墙脚479工况-4拱脚151拱脚106拱腰825工况-5拱脚154拱脚108拱腰849工况-6拱脚85拱脚45拱腰22工况-7拱脚172拱脚579拱顶1169  图3 蛋形断面有无水压比较
在隧道衬砌结构使用圆形断面时，不管是有水压还是无水压，隧道衬砌、位移和内力分数值有所差异，同样具有相同的最大值位置相似的分布形状。将无水压的工况 — 6作为基准，将透水衬砌的工况 — 4、排水系统的工况 — 5、墙脚排水的工况 — 7同工况 — 6比较，如表5所示。 从表5可以看出: 由于存在水压力，隧道的水平位移增加幅度范围为32%～37%，竖向位移增加幅度范围为23%～44%，塑性区宽度增加幅度范围为0.6～0.7 m，轴力增加幅度范围为78%～102%，弯矩增加幅度范围为134%～1161%，剪力增加幅度范围为3 492%～4 987%，对隧道的稳定性影响最大的是轴力、弯矩、剪力。  表5 圆形断面有无水压比较Table5 Thecomparisonofcircularsectionwithnowaterpressure比较工况最大水平位移增量/%最大竖向位移增量/%最大位移矢量增量/%塑性区宽度增加量/m最大轴力增量/%最大弯矩增量/%最大剪力增量/%工况4与工况632232306781343492工况5与工况634252506811383597工况7与工况637444407102116149871
5.2 渗出与排出的比较 在隧道衬砌结构使用蛋形断面时，采用透水衬砌的工况-1作为基准，将排水系统的工况-2同工况-1进行比较；在隧道衬砌结构使用圆形断面时，采用透水衬砌的工况-4为基准，将排水系统的工况-5同工况4进行比较，如图4所示。 图4 渗出与排出比较 从图4可知: 当具有相同水压力作用系数，在衬砌背后排水系统排出的地下水时，衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值，但增幅很小，其中水平和竖向位移的增幅均仅1%，弯矩与剪力增幅2%，塑性应变增幅5%，因此在得到水压力作用系数后，均可用两种情况进行计算。 5.3 两种断面比较 在隧道中，当水通过衬砌渗出时，采用圆形断面的工况 — 4作为基准，将蛋形断面的工况 — 1同工况 — 4进行比较；当水由衬砌背后排水系统排出时，采用圆形断面的工况 — 5作为基准，将蛋形断面的工况 — 2同工况 — 5进行比较，如图5所示。 图5 两种断面比较 从图5可知: 当具有相同水压力作用系数时，无论是蛋形断面还是圆形断面，隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小，两种断面的减小幅度非常相近，其中两者轴力和位移矢量的减小程度分别为-26%、-22%，蛋形与圆形断面的竖向位移分别减少-39.5%、-38%。对于隧道剪力、衬砌弯矩、塑性应变、水平方向位移最大值而言，圆形断面增加幅度要小于蛋形断面，其中隧道剪力要小3%、衬砌弯矩要小13%、塑性应变要小12%、水平方向位移要小1%，塑性应变、弯矩、剪力影响显著。因而存在较大水压力时，对隧道结构受力、围岩稳定性而言，圆形断面要比蛋形断面效果要好。 5.4 水压分布比较 当局部堵塞隧道衬砌背后的盲管排水系统后，在衬砌背后，会造成水压力的不均匀分布，以分布均匀的水压工况 — 4为基准，将水压分布不均匀的工况 — 7同工况 — 4进行比较，如图6所示。 图6 水压分布比较 从图6可看出: 水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大，其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显，分别增加了100%、443%，水平位移增加较小，增加幅度为5%。在水压分布不均匀时，处于弯矩最大值位置的轴力比较小，这会增加截面偏心矩，不利隧道结构受力。因而水压力分布不均匀时，对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。 6 结论① 由于存在水压力，使隧道的水平位移和竖向位移均得到增加，塑性区宽度均增加0.9 m，这对隧道稳定性是有影响的，水压力对轴力、弯矩、剪力影响最大，其中轴力增加在69%以上、弯矩增加在97%以上、剪力增加在203%以上。 ② 当具有相同的水压力作用系数，在衬砌背后排水系统排出的地下水时，衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值，但增幅很小，其中水平位移和竖向位移的增幅均仅为1%，弯矩与剪力的增幅为2%，塑性应变增幅为5%。 ③ 当具有相同的水压力作用系数时，无论是蛋形断面还是圆形断面，隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小，两种断面的减小幅度非常相近，圆形断面对隧道结构受力与围岩稳定性要比蛋形断面好。 ④ 水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大，其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显，分别增加100%、443%，水平位移增加较小，增加幅度为5%。水压力分布不均匀对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。 [参考文献] [1] 李红岩,雷明锋,安永林.地表水平及倾斜下隧道变形受力特性对比分析[J].公路工程,2013,38(2):177-181. [2] 郝鹏.高水压公路隧道结构水压力与稳定性研究[J].市政技术,2016,34(4):156-159. [3] 缪圆冰,吴凌霄,郑斌.高水压山岭隧道受力特陛计算分析[J].福建交通科技,2013(4):19-22. [4] 齐春,何川,封坤.考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性[J].西南交通大学学报,2015,50(2):306-313. [5] 万飞,谭忠盛,杨森森,等.浅埋富水软弱围岩隧道支护受力特征及方案研究[J].中国工程科学,2014,16(8):45-54. [6] 张志强,何本国,马腾飞.水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征[J].西南交通大学学报,2012,47(6):935-942. [7] 戴李春,齐俊,张宁宁,等.水压力作用下公路隧道衬砌受力特性研究[J].铁道建筑,2015(12):77-80. [8] 孙厚超,王国良,杨平.考虑流固耦合的隧道开挖引起地表沉降数值分析[J].森林工程,2015,31(3):112-116. [9] 胡俊,刘勇,张皖湘,等.盾构隧道端头矩形截面杯型水平冻结壁温度场数值分析[J].森林工程,2016,32(3):60-65. [10] 张荣,梁庆国,王新东.兰客专北二十里铺泥岩隧道结构受力特性试验研究[J].兰州交通大学学报,2016,35(3):38-45. [11] 尹镖.基于高速公路隧道围岩稳定性探究[J].江西建材,2016(6):168-169. [12] 韩涛,梁建权.天子庙隧道围岩稳定性分析[J].山西建筑,2015,41(16):187-189. Structural Stress Characteristics of Highway Tunnel with High Water Pressure and Influence on Stability of Surrounding Rock MA Gaoqiang (Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Jinzhong,Shanxi 030031, China) Abstract：This paper takes the high water pressure tunnel of a highway in Sichuan Province as the object, using the finite element software ANSYS11.0, the stress characteristics of the structure and the stability of the surrounding rock are studied. The results show that the influence of axial force, bending moment and shearing force on the axial force, bending moment and shearing force of water pressure is greatest, and the axial force is increased by more than 69%, and the bending moment is increased by more than 97%, and the shear force is increased by more than 203%. When the water pressure is the same, the internal force, plastic strain and the maximum value of the displacement of the tunnel are larger than that of the lining, but the increase is very small. Whether it is egg shaped section or circular cross section, the maximum value decreases to a certain extent, the axial force of tunnel displacement, vertical displacement, the two section of the decrease is very similar to that of circular cross section of tunnel structure stress and rock stability than a good egg shaped section. The water pressure of the uneven distribution of lining stress, plastic strain, the maximum displacement of the tunnel is bigger than uniform distribution, the maximum bending moment and plastic strain increased obviously, which increased by 100% and 443%, the uneven distribution of water pressure on tunnel structure stress and rock stability greatly. [Key words] mechanical characteristics; surrounding rock; high water pressure; tunnel; stability [收稿日期] 2016 — 11 — 07 [作者简介] 马高强(1981 — )，男，山西文水人，讲师，研究方向： 路基路面施工、养护。 [中图分类号] TU 456.3 [文献标识码]A [文章编号]1674 — 0610(2017)01 — 0220 — 05 |
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