华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

孙立成

（四川路桥集团隧道分公司　四川成都　610200）

【摘　要】以华蓥山隧道工程为依托，就涉及富水区隧道衬砌结构的安全性开展研究，运用FLAC3D有限差分软件对隧道的开挖进行了仿真分析，计算隧道衬砌各处内力，并按照破损阶段法求得断面各处的安全系数，进而对衬砌结构的安全性进行评价。计算结果表明：仰拱部位易发生涌水，拱脚处安全系数最小，不满足规范要求，是衬砌结构强度的薄弱环节，应适当加强来提高二衬的安全储备，该评价结果可为隧道的安全施工提供一定的指导意见。

【关键词】富水区；衬砌结构；有限差分；安全性评价

【中图分类号】U457 【文献标识码】A

0　引　言

随着我国西部大开发战略的推进，越来越多的深埋长大隧道亟需建设。我国西部地区地质条件复杂多变，在隧道的修建过程中，经常穿越富水区，与普通的浅埋山岭隧道有所不同，深埋高水压山岭隧道支护结构将要承担极大的外水压力，加大了施工风险。核算隧道衬砌结构的安全性，及时合理地调整支护参数与更改施工方案是保障安全施工的有效措施。众多学者针对隧道开挖的有限元模拟及衬砌结构的安全性进行了大量相关性研究。冯文文[1] 等人基于ANSYS有限元分析软件对隧道结构的开挖和支护过程进行二维弹塑性分析，明确了衬砌厚度变化与支护结构内力的关系。吴德兴[2]等人运用有限元响应面法确定了衬砌的最危险界面，拟合出荷载效应响应面方程，并根据分位值法求出隧道衬砌可靠度指标。焦涛[3]以蒙特卡罗法为理论基础，针对浅埋隧道采用荷载结构法进行隧道结构的可靠性分析。伍[4]采用ABAQUS软件，对圆形隧道与大拱脚隧道衬砌结构的可靠性进行了分析。周乐凡[5] 通过荷载结构法研究了考虑水荷载的衬砌结构安全系数。周丁恒[6]等人根据现场监控量测数据绘制衬

砌结构内力图，由此分析了大断面隧道施工力学特性。宋战平[7]等基于强度安全系数理念，提出了一种衬砌结构优选设计的方法。高新强[8]等人采用平面有限元数值模拟隧道的开挖及支护，总结了注浆堵水圈厚度、水压力大小对衬砌结构受力状态和围岩稳定性的影响规律。本文依托华蓥山隧道为工程背景，采用FLAC3D有限差分软件对隧道的开挖及支护过程进行了仿真分析，提取了衬砌断面各处内力，并按破损阶段法求得断面各处的安全系数，进而对衬砌结构的安全性进行评价。

1　工程概况

1.1　地质情况

华蓥山隧道左线ZK107+580~ZK107+750段穿越背斜西翼的T2l地层，岩性主要为薄~中厚层状的泥质灰岩、泥灰岩、灰岩和钙质泥岩等，围岩节理裂隙发育，地表发育溶蚀槽谷、洼地、落水洞、溶洞等，隧道内有物探岩溶裂隙发育区，可能出现大小不一的溶洞、溶缝。受F1断层影响，岩层褶曲发育，岩体较破碎。地下水发育，隧道施工过程中多处出现股状涌水，对施工的安全和进度造成严重影响。华蓥山隧道高压富水区分布如图1所示。

【收稿日期】2019-06-10

【作者简介】孙立成（1975-），男，四川双流人，硕士，主要从事隧道施工管理。

24

孙立成：华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

图1　华蓥山隧道高压富水区分布图

1.2　防排水系统设计

针对高水压富水区山岭隧道的特性，其地下渗漏水的防排方案是设置衬砌外排水系统和内排水系统，给予地下渗流水一个疏导的路径，将从围岩中渗透进来的地下渗漏水排导到隧道内排水沟中继而排出洞外，使隧道衬砌结构体系不承受全水头。基于“堵水限排”原则，衬砌外排水系统通过泄水孔将围岩渗透水排到隧道内排水沟，并排出隧道。泄水孔主要有两种布置方式，一种是仰拱位置泄水，即将泄水孔设置在仰拱上部或底部（如图2所示）；另外一种是拱脚位置泄水，即将泄水孔设置在拱脚处（如图3所示）。

初期支护二次衬砌衬砌外排水系统泄水孔中心深埋水沟图2　泄水孔位于仰拱处的防排水体系

初期支护

二次衬砌

衬砌外排水系统

泄水孔

隧道内排水系统

图3　泄水孔位于拱脚处的防排水体系

1.2.1　高压富水区隧道堵水设计

隧道二次衬砌混凝土抗渗等级为P12，隧道初期支护与二次衬砌之间设全环分离式防水层；其余

地段均采取“以排为主，防、排、截、堵相结合，综合治理”的原则，隧道衬砌混凝土抗渗等级为P8，隧道初期支护与二次衬砌之间设分离式防水

层。对地表水、地下水妥善处理，使洞内、洞外形成一个完整、通畅、便于维修的防排水体系。防排水方案方便施工和便于维修维护，保证防排水系统长期有效。

1.2.2　高压富水区隧道排水设计

华蓥山隧道防排水系统主要由防水板、排水盲管、止水带等组成。洞内防排水系统在初期支护完成后进行，主要有基面处理、排水盲管布设、防水板施工及止水带施工等。1.3　抗水压衬砌结构设计

该段围岩为IV级，隧道按照新奥法原理设计，隧道标准横断面（如图4所示），采用全断面开挖。隧道处于一定水压的富水区，衬砌结构型式采用抗水压衬砌，初支拱墙厚度22cm，钢架规格为HW175型钢，布置间距为0.8m×0.8m，锚杆纵向间距×环向间距为1.0m×1.2m，锚杆长度为3m，二次衬砌厚度40cm，初期支护厚30cm。

初期支护 二次衬砌 8680R2=80005隧道中心线 1R=3=1R400300 041224 图4　隧道标准横断面图单位（cm）

2　数值模拟

2.1　几何模型建立

本文采用FLAC3D有限差分软件对华蓥山隧道左线ZK107+580~ZK107+750段的隧道开挖及支护过

程进行仿真分析。本段隧道埋深160m，为了简化计算模型，减少边界约束条件对计算结果的影响，模型尺寸取为100m×100m×20m，模型共010个节点，47920个单元（如图5所示）。

25

西南公路

图5　隧道三维模型示意图

有限差分软件FLAC3D主要基于快速拉格朗日方法，适用于模拟计算岩土体材料的力学行为及岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，对大变形情况应用效果更好。可对各种开挖工程或施加支护工程等进行数值仿真模拟，软件自身设计有锚杆、锚索、衬砌、支架等结构元素，可以直接模拟这些支护于围岩（土）体的相互作用。

同时，FLAC3D可模拟渗透性固体（如岩体和土体）中的渗流。针对华蓥山隧道开挖支护和富水带渗流情况，该软件可以良好的模拟并进行数值计算、分析。2.2　边界条件

在数值模拟时，采用位移边界条件，模型左右边界水平方向自由度、前后开挖方向的自由度、下边界竖向的自由度，上覆土体荷载与静水荷载通过应力边界条件加在模型上边界，上表面固定孔隙水压力，模型底部及侧面均为不透水边界。2.3　力学模型及计算参数

数值计算中围岩采用六面体单元进行模拟，本构模采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，根据地质勘察资料及设计资料中的实际力学参数，本文取得围岩及支护结构物理力学参数见表1。

表1　围岩及支护结构力学参数取值表

材料名称重度γ弹性模E内摩擦角φ粘聚力C渗透系数/kN·m/GPa泊松比υ

k

/°/MPa/cm·s围　　岩22.565.00.3530.00.501.33×10-4锚杆加固圈24.007.50.2269.00.751.22×10-4注浆加固圈23.006.50.2759.80.653.67×10-4初期支护25.0028.00.25--2.32×10-4二次衬砌

25.00

30.0

0.20

--2.32×10-4

隧道支护结构（如图6所示），初期支护采用liner结构单元模拟，钢拱架和钢筋网的支护作用采用刚度等效折算给初支。锚杆采用采用厚度为3m的加固圈模拟，通过提高围岩参数得到，隧道开挖后线外5m全环径向注浆加固，二衬采用实体单元模拟。26

二次衬砌0.4m锚杆加固圈3m

注浆加固圈5m

图6　隧道支护结构示意图

2.4　计算及结果分析

为减少边界效应对计算结果的影响，本文取模型中部断面为分析断面。2.4.1　围岩稳定性分析

图7　隧道开挖支护后围岩竖向位移云图（m）

图8　隧道开挖支护后围岩水平向位移云图（m）

从图7和图8可看出，隧道开挖后拱顶部位的竖向位移都呈漏斗状，围岩的竖向位移表现为拱顶部位下沉和仰拱部位隆起，水平方向表现为边墙位移向内收敛，拱顶最大沉降值为17.99mm，仰拱最大隆起位移为17.41mm，边墙水平收敛位移为16.14mm。

图9　隧道开挖后围岩塑性区分布

由图9可知，隧道开挖后，隧道周边3m范围内的围岩出现塑性屈服，拱腰和拱脚处塑性区相对较多，塑性区封闭成环，围岩可能出现失稳，因此在隧

孙立成：华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

道开挖后应及时施作支护结构来保障洞室的稳定性。2.4.2　孔隙水压力场分布特征

图10　隧道周边围岩孔隙水压力等值线云图单位（Pa）

从图10看出，模型底部孔隙水压较大，达到1.52 MPa，隧道开挖后周边围岩孔隙水压力呈下降趋势，开挖边界形成水力临空面，水向隧道内渗流，周边围岩孔隙水压力逐渐消散，导致孔隙水压力云图呈现漏斗状，在隧道中线两侧各2倍洞径范围内孔隙水压力变化明显，大于2倍洞径后变化趋势趋于平缓。

图11　隧道开挖支护后洞周水流流动矢量图

从图11中可看出，隧道开挖后，水向洞内汇集，仰拱处流体矢量集中，因此在隧道底部可能出现涌水现象，这与华蓥山隧道开挖出现底部涌水的实际情况比较吻合。2.4.3　衬砌安全评价

图12　衬砌结构最小主应力云图单位（Pa）

图13　衬砌结构最大主应力云图单位（Pa）

由图12和图13可知，衬砌结构最小主应力最大值出现在拱脚处，其值为11.71MPa，小于《公路隧道设计规范》[9]规定的C30混凝土抗压强度22.5MPa；拱顶与仰拱部位均出现了拉应力，拉应力最大值出现在仰拱中部，其值为0.16MPa，远小于规范规定的抗拉强度2.2MPa。

二次衬砌轴力图及弯矩（如图14、图15所示），从图中可以看出，衬砌轴力分布较为均匀，仰拱部位轴力相对较小，拱脚处轴力最大，且最大值为4560kN。二衬仰拱与拱脚处弯矩明显大于其他部位，弯矩最大值在拱脚处，外侧受拉，最大值为185kN·m，仰拱部位内侧受拉，弯矩达到了113kN·m。

图14　衬砌结构轴力图单位（kN·m）

图15　衬砌结构弯矩图单位（kN·m）

本文按照《公路隧道设计规范》计算钢筋混凝土偏心受压构件衬砌结构安全系数，绘制二次衬砌结构安全系数（如图16所示）。

图16　衬砌结构安全系数图

从图16中可以看出：衬砌结构的最小安全系数出现在拱脚附近，其值为1.88，不满足《公路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土构件的最小抗压安全

系数为2.0的要求。由此可见，拱（下转第43页）

27

赖洧平：公路工程施工总承包成本预算模式研究

或必须进行公开对外施工招投标的项目非常适合。而改进的公路工程清单计价成本预算模式则完全具备定额计价模式的优越性，但目前清单计价规则还有待完善规范。

2.2　编制传统清单投标报价法的注意问题

传统清单投标报价法相对定额编制方法要灵活，采用市场定价、自主报价、量价分离、风险共担。投标人可以在符合国家规定前提下的合理低价投标中标。合同期间的清单综合单价就一般不会发生变化。故在技术复杂、施工现场变化较大、设计图不完善等情况下，投标人或总承包部会把风险成本列入投标报价的成本分析，故提高总报价，成本大量增加。

2.3　采用清单单价进行施工结算的优越性

工程变更、计量程序等应在合同专用条款里要明确统一，与公路工程施工质量评定、公路工程施工监理规范一致，与交通部结算报表统一。但是施工期间工程材料单价变更的调整比较复杂。

3　定额计价模式向清单计价模式的转化、清单结算的同一性

结合几个工程成本造价转化实际案例，定额计价模式向传统清单计价模式的转化一般存在公认的偏差，原因是清单招标文件规定与定额编制办法规定的并不一一对应。转化以后偏差控制在2%以内，对差额部分经过分析以后采用进一步分摊和个别调整进行解决。转化后的清单可以作为最终清单结算依据，与行业规定采用清单结算的保持同一性。

4　结　语

综上，根据投资模式、项目规模、设计图情况等合理选择施工总承包成本预算计价模式，且不断完善创新。

参 考 文 献

[1] 李延才.基于工程量清单计价模式的工程造价控制方法研究[J].经营管

理者,2016(1):322.

（上接第27页）脚是该隧道最危险的位置，是断面强度的控制点，施工时必须严格把关，在拱脚处的受力钢筋可适当增加，同时可以增加拱脚处的二次衬砌厚度，从而提高衬砌结构的安全系数。

全储备。

参 考 文 献

[1] 冯文文,李守巨,刘迎曦.隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析.

科学技术与工程,2008(03):703-708.

[2] 吴德兴,等.基于有限元响应面法的隧道衬砌可靠度分析.铁道建筑,

2007(03):53-56.

[3] 焦涛.浅埋隧道衬砌设计及可靠度分析.西安科技大学,2006:81.[4] 伍.公路隧道衬砌结构可靠性研究.中国科学院研究生院(武汉岩土

力学研究所),2006:114.

[5] 周乐凡.考虑外水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计研究.铁道部科学

研究院,2003:100.

[6] 周丁恒,等.四车道特大断面大跨度隧道施工中支护体系力学性态研究.

岩石力学与工程学报,2010(01):140-148.

[7] 宋战平.等.基于强度安全系数概念的隧道衬砌结构优选设计.西安建筑

科技大学学报(自然科学版),2010(04):499-503+508.

[8] 高新强,仇,高扬.山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析.岩土

力学,2005(03):365-369.

[9] JTG3370.1-2018.中华人民共和国行业标准.公路隧道设计规范[S].北

京:人民交通出版社,2018.

3　结　论

（1）通过对华蓥山隧道的数值模拟分析表明：隧道开挖后，洞周发生了较大变形，应及时施作支护结构来保障隧道结构的稳定。

（2）相比于普通山岭隧道，高水压隧道拱脚和仰拱弯矩明显大于其他部位，最不利位置发生在拱脚处，施工过程中需要注意隧道底部易发生涌水事故。

（3）隧道拱脚处是断面强度的控制点，有必要在拱脚处适当增加受力钢筋，提高衬砌结构的安

43