外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

王玉锁，杨 超，曾宏飞，唐建辉

(西南交通大学，四川成都 610031)

随着我国铁路建设的发展及路网的完善，需要在地下水丰富的地区修建长大隧道。作用在衬砌的外水压力的大小和分布规律在隧道的设计、施工及运营中是值得研究的问题。目前国内外已经有了一些关于隧道衬砌外水压力的研究成果。Harr(1962)基于镜像法和叠加原理求得了隧道围岩孔隙水压力分布［1］;Bouvard和Pioto(1969)假设隧道周围镜像流动，提出了渗流计算公式［2］。此外，根据无限含水层中井的理论，王建宇［3］、王秀英等［4］推导出隧道中无内水压力时地下水排放量和支护结构外水压力及注浆圈外水压力的计算公式。但是到目前为止，国内还没有一套完整、系统的隧道外水压力的计算方法。铁路隧道规范［5］对外水荷载的处理与公路隧道规范［6］基本相似，也没有明确方法。目前，交通隧道的外水压力主要采用全水荷载或参照水工隧道设计规范［7］和经验计算方法［2］。考虑全水荷载虽然偏于安全，但是过于保守，导致设计不合理［8］。水电部门对隧洞衬砌结构外水荷载研究得比较全面，提出了外水荷载折减系数β值［7］。但由于水电部门隧洞主要是有压过水隧洞，加之其自身的特殊性，能否将水工隧洞的外水压力参考值运用于铁路隧道值得研究［8］。对此，本文以渭河隧道下穿河谷段为工程背景，应用有限差分法［9］进行数值模拟，得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数。同时，进行了与不考虑外水压力条件下隧道结构受力的对比分析，得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响，可为类似工程设计及施工提供参考。

1 工程概况

宝兰客运专线渭河隧道位于天水市花牛镇及南河川乡。隧道起讫里程DK770+28.0—DK780+40.7，全长10 012.7 m，隧道最大埋深350 m。该隧道下穿籍河段位于天水市规划区。本次研究的隧道下穿河谷段里程为DK772+650—DK776+050，Ⅴ级围岩。隧道洞身基本位于第四系全新统冲洪积砂砾石层中。隧道在穿过籍河河谷区时，洞身位于第四系全新统细、粗圆砾土下部泥岩弱风化层中。泥岩成分以黏土矿物为主，泥质结构，层状构造，节理裂隙发育，成岩作用差，岩质较软弱。第四系含水层厚度较大，水量较丰富，对下部泥岩强风化层有一定的补给，但对强风化层下部弱风化层补给相对较弱。洞顶距泥岩强风化层底部约1.2～20.0 m，受施工开挖影响局部可能产生突、涌水、渗漏水。

2 计算模型与计算参数

本次数值模拟计算采用 FLAC3D中流体和固体的完全耦合模式，既考虑了孔隙水压力的改变导致有效应力的改变，又考虑了土体中的流体对孔隙体积的变化产生反作用。FLAC3D的数值方法是基于流体连续性的节点有限差分方程，渗流区域离散为由8节点定义的砖块状的zone。孔隙压力和饱和度设定为节点变量，每个zone可以划分为5个四面体，四面体中的孔隙水压力和饱和度假定为线性变化。该方程可以与导致牛顿定律节点形式的固体力学常应力方程并行计算［9］。流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架)的压缩程度，本次数值模拟用Biot模量表示颗粒的可压缩程度。FLAC3D在渗流模式下提供了多种边界条件，常用的为透水边界和不透水边界。本次选择的边界条件为默认的不透水边界，即所有的节点上流体可以流动，边界的孔隙水压力可以自由变化。采用FLAC 3D软件作流固耦合计算分析的步骤:①建立有限差分网络;②选定本构特性与材料性质;③确定边界条件与初始条件;④求解。

考虑水压力和渗流的影响，河流水位取百年洪水位13 m，隧道采用复合式衬砌，见图1，支护参数见表1。

图1 支护结构(单位:cm)

表1 隧道结构支护参数

建立考虑水荷载的流固耦合结构模型，见图2。施工段采用三台阶开挖法(设临时仰拱)［10］，见图3。隧道埋深为38 m，计算范围为160 m×125 m×1 m(宽×高×长)，整个模型共划分了8 304个单元，16 930个节点。Ⅴ级围岩参数根据工程勘察资料结合相关规范选取;锚杆、钢架参数按照等效刚度原则进行折减［10］;渗流参数(孔隙率、渗透率、Biot模量)按照现场勘测资料和相关研究成果选取［11］。数值分析所需物理力学参数见表2。为便于分析，对不考虑水荷载的情况也进行了分析。不考虑水荷载的结构模型断面形式、施工步骤等均与考虑水荷载的结构模型相同。内力监控点布置见图4。

图2 数值模型

图3 三台阶施工开挖模型

图4 衬砌内力监控点布置

表2 物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 不考虑水荷载与考虑水荷载内力计算结果对比

将不考虑水荷载与考虑水荷载的数值模拟分析得到的支护结构(初期支护)轴力、弯矩及安全系数等进行对比，见图5～图7。

图5 初支轴力对比

图6 初支弯矩对比

图7 初支安全系数对比

由图5可以看出，考虑最不利水荷载(百年洪水位13 m)与不考虑水荷载的结构模型相比，轴力显著增大，拱底处轴力增大约18倍。

由图6可以看出，考虑最不利水荷载与不考虑水荷载相比，弯矩有较大幅度的增大，且分布形态不尽相同(弯矩符号发生变化)。

由图7可以看出，考虑最不利水荷载时初支安全系数显著降低，但均＞1，说明所受荷载应力未超出初支结构材料允许强度值。

3.2 考虑水荷载流固耦合模型水压力折减系数分析

3.2.1 外水压力计算结果分析

流固耦合模型孔隙水压力计算云图见图8。

图8 孔隙水压力(单位:Pa)

由图8可以看出，考虑渗流的隧道模型未开挖前，孔隙水压力呈水平分布。隧道开挖后，隧道周边围岩孔隙水压力开始下降，地下水向洞内渗透，这样在隧道周边由于孔隙水压力差的作用，造成渗流场的改变，最终形成一个以隧道开挖区域为中心的类似于渗水漏斗状的渗流场。

3.2.2 折减系数分析

根据数值模拟结果，得到隧道中心线的衬砌外缘的孔隙水压力水头为37.0 m，隧洞中心线的静水压力水头为49.3 m，由此得到折减系数

式中:Pi为隧道中心线衬砌外缘的孔隙水压力水头，m;P0为隧洞中心线的静水压力水头，m。

本文所研究的衬砌防排水设计方案及地层特征与《水工隧洞设计规范》外水荷载折减系数值建议表［7］的第4等级“严重股状流水，沿软弱结构面有小量涌水。冲刷结构面充填物质，加速岩体风化，地下水对断层等软弱带软化泥化，并使其膨胀崩解，以及产生机械管涌;有渗透压力，能鼓开较薄的软弱层”的工况相似，规范中推荐的折减系数为0.4～0.8，而铁路隧道相关研究成果［2］按照类比法推荐系数为0.7～0.8。可见本次计算得到的折减系数与已有研究结果接近。

4 结论

本文通过对不考虑水荷载与考虑水荷载情况下隧道支护结构受力的对比分析，得出如下结论:

1)考虑水荷载的计算模型在开挖后，洞室周围层状分布的水压力云图受到明显影响，在施工时可能会发生较大的渗水现象。与完全不考虑水荷载的计算模型相比，考虑水荷载的计算模型初支所承受的轴力和弯矩都明显增大，轴力和弯矩的分布不尽相同，因此在进行隧道结构设计时，应充分考虑外水荷载对结构内力的影响。

2)通过对渭河隧道支护结构的流固耦合数值分析，得出作用在隧洞中心线衬砌外缘水压力折减系数为0.74，在水工隧洞推荐的折减系数取值范围内。说明水工隧洞折减系数对于交通隧道具有参考价值。

本文应用FLAC3D软件进行流固耦合数值计算的结果可供设计和施工单位参考，但由于隧道衬砌外水压力是由工程区域岩体的水文地质特征、水流系统、岩体的渗透系数、注浆堵水工程措施等因素共同作用的结果，如何考虑各种因素的综合作用和各因素间的权重关系得到一套完整、系统的外水压力计算方法还有待进一步深入研究。

［1］黄涛，杨立中.山区隧道涌水量计算中的双场藕合作用研究［M］.成都:西南交通大学出版社，2002.

［2］高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究［D］.成都:西南交通大学，2005.

［3］王建宇.再谈隧道衬砌水压力［J］.现代隧道技术，2003(3):5-9.

［4〕王秀英，王梦恕，张弥.山岭隧道堵水限排衬砌外水压力研究［J］.岩土工程学报，2005，27(1):125-127.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国交通部.JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］中华人民共和国水利部.DL/T 5195—2004 水工隧洞设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2004.

［8］王建宇.对隧道工程技术若干问题的质疑［J］.现代隧道技术，2002(增):11-17.

［9］刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［10］朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2010.

［11］中铁第一勘察设计院集团有限公司.渭河隧道工程地质勘察报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.