贵南高速铁路岩溶隧道底板型箱体排水新型衬砌结构研究

曾宏飞 卿伟宸 陶伟明 张志强 钟昌桂

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.西南交通大学，成都 610031)

随着我国铁路建设的不断发展，路网规划的不断实施，西南山区铁路建设发展迅猛，在地质复杂的岩溶地区修建的隧道工程越来越多[1]。如宜万铁路，隧道159座，总长约278 km，其中岩溶隧道91座，通过可溶岩段落长度占隧道总长度的58%[2]；云桂铁路，隧道170座，总长约402 km，其中岩溶隧道51座，长170.5 km，占全线隧道总长度的42.4%[3]；在建贵南高速铁路，新建正线隧道108座，总长257.512 km，其中通过可溶岩段落长度约175 km，占隧道总长度的68%，是目前我国在建高速铁路中岩溶最为发育的线路之一。

西南山区地形地质条件复杂，岩溶发育极为不规律，勘察设计期间难以完全探明岩溶发育的规模、形态，再加上超前预测准确性的不足，导致施工期间易出现“涌水突泥、隧道失稳、涌水量大、排水不足”等问题。如渝怀铁路圆梁山隧道修建期间发生了32次突水、突泥灾害[4]；宜万铁路野三关隧道最高日常涌水量达20万m3，历经88次突水、突泥考验[5]；沪昆铁路高塝隧道、岗乌隧道、白岩脚隧道等10余座长大隧道在施工期间均出现过不同程度涌水突泥，累积增设泄水洞长约 21 km；沪昆客运专线朱砂堡二号隧道、成贵铁路玉京山隧道均开挖揭示巨型溶洞大厅，投资增加显著，影响建设工期[6-7]；织毕铁路杨家坡隧道、大营山隧道等雨季后隧道涌水量远大于设计预估，出现沟槽排水能力不足等问题。

西南山区岩溶隧道在运营期间也常出现“隧底翻浆冒泥、仰拱上拱、道床隆起、排水系统失效、施工缝渗漏涌、衬砌结构破坏”等问题。2012年6月15日，黔桂铁路邓山隧道D1K 125+894左侧水沟底出现涌水、涌砂并进入道床，中断行车3 h 43 min；2015年 6月，由于连续降雨，贵广铁路胡山隧道出现局部轨道上拱，威胁运营安全；2015年6月暴雨后，沪昆铁路麻拉寨隧道D1K 610+390～D1K 610+490段仰拱出现翻浆冒泥、轨道板隆起，威胁运营安全；2014年6月，广昆铁路秀宁隧道DK 997+300～DK 997+580段二衬施工缝渗漏水、局部地下水沿施工缝射出(黄色泥浆水)，引起地表塌陷，威胁运营安全[8]；2017年6月30日暴雨后，沪昆铁路白岩脚隧道左侧侧沟施工缝处大量水流涌出，高度约2.1 m，水流冲入左线道床与沟槽间，并影响接触网，导致行车中断[9]。

总体来看，西南山区地形地质条件复杂，岩溶发育，施工期间各类岩溶病害频发，工期压力大，工程投资大幅增加；运营期间出现的各类岩溶病害，严重影响列车的运营安全，引起了各方的强烈关注，产生了极为负面的社会效应。

1 贵南高速铁路岩溶隧道特点

贵南高速铁路全长482 km，从贵阳至南宁依次通过贵州高原、贵州高原斜坡带、广西盆地三大地貌单元，地貌类型以溶蚀型、侵蚀型、溶蚀侵蚀型为主，地貌形态主要由溶蚀槽谷、溶蚀谷地、峰丛洼地等组成，岩溶地貌极其发育，有“岩溶强烈发育、洼地隧道关联、季节变动带长，水害风险较高”的特点。岩溶隧道发育情况如表1所示。

表1 贵南高速铁路隧道岩溶发育程度统计表

贵南高速铁路岩溶主要发育于二叠系、石炭系、泥盆系、奥陶系及寒武系的灰岩、白云岩与白云质灰岩中，尤其以二叠系、石炭系中最为发育。从表1可以看出，全线隧道穿越岩溶段长度占隧道总长的68.2%，其中岩溶强烈发育段长度占隧道总长的51.3%。

贵南高速铁路隧道洞身地段多为峰丛、洼地和槽谷，地形起伏较大，坡陡沟深。地表岩溶洼地、落水洞、漏斗、溶洞发育，洼地平面形态呈现为多边形、椭圆形或圆形、长条形及不规则形等。大部分溶蚀洼地底部较平坦，多为残、坡积物堆积，表层被庄稼或灌木、杂草覆盖。根据勘测资料，贵南高速铁路全线对隧道工程有影响的洼地有329个，其中贵州段84个，广西段245个，如表2所示。

表2 贵南高速铁路隧道岩溶洼地分布情况统计表

贵南高速铁路穿越区域气候属亚热带季风型气候，降雨量充沛，部分地区雨季最大日降雨量超过300 mm。而本线岩溶暗河、洼地、漏斗、落水洞极发育，大气降水绝大部份将渗入隧道，直接威胁隧道安全。贵南高速铁路沿线气象资料如表3所示。

表3 贵南高速铁路沿线气象资料统计表

贵南高速铁路沿线隧道穿越各类型可溶岩段落长度长约175 km，通过垂直渗流带约31.1 km，季节变动带130.3 km，水平循环带11.6 km，深部缓流带2.5 km。贵南高速铁路隧道岩溶分带如图4所示。

从表4可以发现，沿线隧道通过季节变动带的比例占其全部岩溶隧道段落的74.46%，表明其沿线隧道岩溶发育段落大部分位于季节变动带。在季节变动带，地下水的运动随季节变动，呈周期性的升降变化，在此分带中，岩溶发育最强烈，常形成复杂的大型溶洞、暗河、地下湖等。因此，处于此分带的隧道，发生岩溶水害事件的概率较高。

表4 贵南高速铁路隧道岩溶分带情况统计表

2 传统岩溶隧道存在的问题

目前在建及运营的岩溶隧道衬砌结构大部分为仰拱型衬砌，其排水系统以“隧道体内排水”为主要模式，地下水排放路径为：围岩→初期支护→排水盲管→侧沟→横向排水管→中心水沟(双线)或围岩→初期支护→排水盲管→侧沟(单线或双线)，即隧道结构周边的水通过初期支护渗透经由排水盲管引排至隧道结构本体之内的水沟，最终排出洞外。衬砌排水系统现主要存在以下三个方面的问题：

(1)隧底积水无法引排

仰拱型衬砌中心水沟(或侧沟)设于隧道结构之内，主要引排拱墙范围的周边地下水，隧道仰拱以下的积水无法有效引排、仰拱承受部分水压，加之仰拱及填充、填充本身存在的施工缝以及隧道纵向施工缝，极易引起隧底翻浆冒泥，填充道床隆起。

(2)排水系统易于堵塞

岩溶地区地下水往往带有各类化学离子，与混凝土或喷射混凝土材料相互作用后往往形成各类型结晶体，堵塞隧道环向盲管、纵向盲管等排水系统，导致隧道排水系统失效，岩溶水从衬砌结构薄弱环节，如施工缝等渗漏进入隧道，严重时甚至引起衬砌结构的破坏。

(3)雨季排水能力不足

仰拱型衬砌受道床结构、洞内附属构筑物及隧道断面工程经济性制约，考虑施工难易程度，洞内侧沟或中心沟的过水断面自由度不大，过水能力受限，在极端暴雨气候条件下，地下水水位骤增，形成超高水压，导致隧底仰拱隆起，衬砌结构破坏等岩溶病害。

具体问题示意如图1所示。解决上述问题的传统方法主要有：

图1 岩溶隧道衬砌排水系统存在问题示意图

(1)加强排水能力，设置隧道泄水孔

加强隧道拱墙部位盲沟的排水能力、加密边墙泄水孔的设置，降低拱墙部分水压，但难以有效降低隧底结构承受的水压。

(2)加强衬砌结构，提高抗水压能力

一方面增设衬砌钢筋或加强衬砌配筋，提高其承载能力，降低衬砌开裂风险；一方面加大衬砌厚度、调整仰拱曲率，设置圆形或近似圆形断面，采用抗(部分)水压衬砌。但单纯增加配筋难以有效防止仰拱隆起及道床变形，圆形抗水压衬砌投资大，且高水头地段难以实施。

(3)设置泄水洞，疏排隧周岩溶水

设置泄水洞可大幅度降低岩溶隧道风险，但工程造价巨大；泄水洞距离正洞约20～30 m，难以完全袭夺地下水，在建成的铁路隧道中，个别隧道即使设置了泄水洞排水，正洞仍出现隧底变形开裂等岩溶病害，如图2所示。另外，泄水洞的养护维修也存在很大问题。

图2 泄水洞未能揭示岩溶水正洞持续水害示意图

因此，设置有效的防排水体系尤其是隧底排水系统成为岩溶隧道设计的关键。为降低复杂岩溶地区隧道运营安全风险，改善防排水系统势在必行，而防排水系统又与衬砌结构尤其是隧底结构直接相关，为此应首先优化隧底结构。因施工繁琐、维护管理困难等问题，结构体外排水系统(例如隧底设置排水管沟)还未真正落到实处。因此，需要一种新型衬砌结构体系，兼具隧底排水通畅、便于施工、维护等优点，并且能够适应岩溶及岩溶水的无规律性，以期望降低贵南高速铁路乃至全国复杂岩溶地区铁路隧道的建设运营风险。

3 新型衬砌结构选型研究

经过调研发现，目前部分岩溶隧道为降低水害风险，采用了仰拱深埋中心沟型衬砌，如图3所示，在隧道仰拱以下设置深埋的中心水沟，用于引排隧道周边及底部的地下水。存在的主要问题在于“施工困难、形态难控”，即隧道仰拱开挖后在其中部位置继续下挖2～3 m，施工干扰较大，深埋水沟形态难以保证；“检修困难、维护缺失”，即岩溶地区地下水在排水系统中常形成堵塞，需要及时维护，即使在隧道纵向设置检查井，由于天窗时间有限，作业空间狭小等问题，也存在运维上的缺陷。

图3 仰拱深埋中心沟型衬砌结构示意图

为彻底解决上述问题，中铁二院工程集团有限责任公司研究提出了如图4所示的底板型箱体排水型衬砌结构，在两侧边墙底设置箱型基础兼做集排水廊道，用于引排隧道周边及隧道底部的岩溶水、地下水，在箱体之间设置底板连接，通过两侧箱体的刚度，保证结构稳定。底板型箱体排水型衬砌结构有以下优点：

图4 底板型箱体排水型Ⅴ级衬砌结构示意图(mm)

(1)隧底泄水快，排水路径短

在衬砌边墙底部设置箱型基础兼集排水廊道，环向盲管可直接弯入箱体中，箱体内部也可直接设置泄水孔，隧道周边岩溶水、地下水可以快速高效的引入箱体内并快速排走，具有泄水速度快，排水路径短的优点。

(2)排水空间大，泄水能力强

底板型箱体排水型衬砌在两侧边墙底部设置的箱体基础兼集排水廊道，其内净空为1.5 m(宽)×1.8 m(高)，远大于传统侧沟或中心沟尺寸，排水空间保证了足够的泄水能力。

(3)检修空间大，运营维护容易

两侧边墙底部设置箱体的净空空间，可以满足运营期间的检修、维护要求，通过设置检查井、检查洞室等方式，达到隧道衬砌方便检修，便于维护的要求。

(4)施工干扰小，现场施作快

在两侧边墙底部设置箱型基础，不对隧道中部构成影响，施工车辆可在隧道中部通行，快速进行开挖、出渣、支护等作业，对施工干扰较小，便于施工组织，施工现场易于实施。

“底板型箱体排水型衬砌”相比于“仰拱深埋中心沟型衬砌”，排水能力更强，结构更加稳定，运营维护更加便捷，施工现场更易实施。下文基于“底板型箱体排水型衬砌”的构造特点，进一步对其结构稳定性、围岩稳定性和泄水能力等因素进行理论分析。

4 底板型箱体排水新型衬砌结构理论研究

为分析底板型箱体排水新型衬砌结构的受力特征、围岩稳定性、泄水能力等因素，采用通用有限元分析软件ANSYS，建立实体模型，以V级围岩深埋荷载为例，进行结构理论分析，采用通用有限差分软件Flac3d，建立泄水数值模型，进行泄水能力分析。

4.1 力学性能分析

(1)计算模型

采用SOLID 65单元来模拟结构衬砌，采用弹簧模拟地基土等抗力作用。在建模时，取3 m洞身为研究对象，将钢筋视为分布于整个衬砌单元中，和混凝土作为整体式单元考虑。衬砌底部作地基弹簧，并沿洞身均匀布置，有限元模型如图5所示。

图5 新型衬砌结构计算有限元模型图

(2)参数选取

根据现行TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》中规定，以V级围岩为例，进行结构受力分析(考虑该衬砌为排水型衬砌，计算中仅考虑V级围岩荷载，未考虑水压力)，材料物理力学参数如表5所示。

表5 衬砌结构计算参数表

(3)计算结果

根据计算结果，新型衬砌的竖向变形、第一主应力、第三主应力、基底塑性区、内力分布图、结构安全系数如图6所示。

图6 新型衬砌结构理论分析结果图

(4)与传统底板型衬砌受力对比分析

为进一步分析底板型箱体排水新型衬砌力学性能，在同样荷载情况下，与传统底板型衬砌力学性能进行对比分析，结果如表6所示。

从表6可以看出：

表6 新型箱体衬砌与传统底板衬砌计算结果对比表

①新型衬砌结构的最大位移发生在拱顶位置处，为1.77 cm，底板竖向位移值为6.77 mm，理论计算值与传统仰拱型衬砌计算结果接近，可以看出，新型衬砌结构具有良好的稳定性。

②新型衬砌结构的最大第一主应力(拉)发生在拱顶内侧，为7.79 MPa，与传统仰拱型衬砌计算结果接近；新型衬砌结构最大第三主应力(压)出现在拱顶外侧、拱腰内侧，最大值为14.4 MPa，均小于混凝土抗压强度设计值，可看出新型衬砌结构具有良好的应力状态。

③新型衬砌基底塑性区的最大值为 0.555E-03，最大塑形应变发生内墙外侧底部土体处整体分析可以看出，新型衬砌的塑性区较小且塑形应变较小，结构整体受力合理基底稳定性良好。

④从新型衬砌结构的内力图和弯矩图中可以发现，新型衬砌的最大轴力则出现在边墙处，为 2 036.63 kN，最大弯矩则出现在箱体外墙处，为408.80 kN·m。从弯矩的分布来看，新型衬砌截面的弯矩反弯点出现在拱腰等位置处，最大弯矩差值为679.64 kN·m，内力分布良好。

⑤与传统底板型衬砌受力分析相比，新型衬砌结构隧道拱部与传统底板衬砌受力情况相似，新型衬砌由于两侧箱体的刚度较大，拱脚与墙脚的受力情况优于传统底板型，底板中部由于新型衬砌所受轴力较小，安全系数较传统底板型有所降低。新型衬砌各处安全系数均满足规范安全要求，且富余量较大，结构整体稳定性较高。

4.2 泄水能力分析

(1)模型概况

为分析底板型箱体排水新型衬砌结构的泄排水能力，与“传统衬砌+泄水洞”模式的泄水能力进行对比，采用Flac3d软件建立Ⅳ级围岩中新型衬砌结构泄水模型和“传统衬砌+泄水洞”模式泄水模型，如图7所示。考虑边界效应，对于新型衬砌模型，隧道外侧距离左右边界为30 m，上边界为60 m，下边界为15 m，纵向长度为10 m，计算模型如图8所示；对于“传统衬砌+泄水洞模型”，隧道外侧距离左右边界为60 m，上边界为60 m，下边界为15 m，纵向长度为10 m。

图7 新型衬砌结构泄水能力分析有限元模型图

图8 底板型箱体排水型Ⅳ级衬砌结构示意图(mm)

(2)参数设置

对于力学边界，模型上端为自由边界，底部位移垂直约束，两侧水平位移约束，沿隧道轴线前后方向水平约束。

对于渗流边界，模型上下、左右边界为透水边界且采用固定孔隙水压力，沿隧道纵向的前后边界为自由边界。初始空隙水压力为按重力场梯度分布的静水压力。

采用Ⅳ级围岩参数进行计算，参数选取如表7所示。

表7 泄水模型计算参数

(3)计算结果

两种泄水模型的孔压等值线图、衬砌背后孔压示意如图9所示。

图9 新型衬砌结构泄水能力分析结果图

为更直观的比较两者的排水能力，按平均水压进行计算，即通过提取隧道衬砌背后单元的孔压、单元体积等数据，经过积分求得在隧道纵向上单位长度所受的全部水压，除以隧道环向周长可得出在隧道纵向、环向上单位长度的衬砌背后平均水压，计算结果如表8所示。

表8 排水后衬砌平均水压表

根据计算结果可以看出：

(1)新型衬砌结构排水分布形式更优

新型衬砌结构衬砌背后水压力沿隧道轴线对称分布；而传统泄水洞结构正洞衬砌背后水压力由于受一侧泄水洞影响，远泄水洞侧水压力比近侧高30%左右，呈明显偏压状态。

(2)新型衬砌结构排水泄压能力更强

采用新型衬砌结构后，隧道衬砌拱顶平均水压为4.3 kPa，为传统泄水洞12.0 kPa的35.8%；衬砌拱腰平均水压为7.5 kPa，为传统泄水洞15.6 kPa的48.1%；衬砌拱墙平均水压为8.7 kPa，为传统泄水洞16.7 kPa的52.1%；隧道底部平均水压为9.6 kPa，为传统泄水洞30.1 kPa的31.9%。新型衬砌结构衬砌背后残余水压比传统泄水洞结构更小，可见新型衬砌结构的排水能力优于传统泄水洞。

5 结论及建议

本文以贵南高速铁路隧道为研究背景，研究提出了底板型箱体排水新型衬砌结构，主要研究结论为：

(1)由于岩溶的复杂性、岩溶发育的不规律型，复杂岩溶地区隧道建设风险高，贵南高速铁路岩溶隧道具有岩溶强烈发育、洼地隧道关联、季节变动带长等特点，隧道岩溶水害风险较高。

(2)传统岩溶隧道设计存在隧底积水无法引排、排水系统易于堵塞、雨季排水能力不足等问题，设置隧道边墙泄水孔、采用抗水压衬砌、配置泄水洞等传统措施均存在一定问题。

(3)基于现行岩溶隧道衬砌结构防排水方面存在的问题，本文提出的“底板型箱体排水新型衬砌”，具有“泄水快、宜维护、便施工”等特点，能够很好地适应贵南高速铁路复杂岩溶地区的地质情况。

(4)底板型箱体排水新型衬砌结构在变形控制、应力状态、基底稳定性、内力分布及安全性系数方面均具有良好性能，相对于传统的配置泄水洞方案，其排水分布形式更优、排水泄压能力更强。

(5)建议进一步加强底板型箱体排水新型衬砌结构体系的研究，包括初支支护体系、二衬钢筋布设、防排水体系、施工工法体系、运维检修体系等，并在贵南高速铁路岩溶隧道中选择适合的工点，开展现场试验段研究，相关成果可推广至其他复杂地区的岩溶隧道工程。