周 洋， 周 君， 林 佳， 王永伟

(中交第二航务工程有限公司第五工程分公司，湖北武汉 430014)

近年来，随着我国交通领域蓬勃发展，铁路和公路建设持续向山区延展，隧道工程建设是克服山区地形地势差异、解决线路坡度困难的重要措施，山岭隧道在线路中占比愈来愈高。在复杂多变的山区地质环境中，隧道不可避免需要穿越富水地层，地下水不仅增大了隧道施工难度，隐藏着巨大的施工风险，还给运营期的结构安全带来了巨大挑战。

目前，有大量的专家和学者对富水隧道进行了研究，主要包括：富水隧道复杂环境施工条件下的涌水量预测[1-2]；通过有限元、有限差分等数值仿真软件研究了隧道围岩渗流场演化及施工技术[3-4]；结合施工现场研究了隧道施工过程围岩变形特征和结构力学行为[5-6]；依托实际工程采用实验方法对富水隧道防排水设计进行优化研究[7-8]；采用理论分析、模型试验等方法对富水区隧道涌突水、突水突泥等施工灾害发生机理研究[9-10]。已有研究对富水隧道排水方式的选择和采用不同排水方式时隧道结构的受力特征及安全性鲜有报道。然而，富水隧道的排水方式对隧道结构能否保持长期健康运营起着至关重要作用，目前隧道的排水方式主要有仰拱式排水和墙脚式排水2种排水方式，如图1所示。富水隧道的排水方式极大程度影响着隧道结构的受力状况，对于上述2种排水方式下隧道结构的受力状态和结构安全性是关注的重点。

因此，有必要结合实际工程，对仰拱式和墙脚式2种排水方式进行研究，全面掌握其相应的结构力学特性，为富水区山岭隧道排水方式的选择提供理论支撑。

图1 山岭隧道常用的2种排水方式示意

1 流-固耦合计算模型

采用FlAC3D进行流-固耦合分析时，流体流动依据达西定律，可设置流体边界，满足比奧方程，同时需要满足流动方程、平衡方程、本构方程和相容方程[11]。

本文依托某在建单线铁路隧道为，根据隧道施工现场实际情况，选取最不利情形建立计算模型。研究区域主要为Ⅴ级围岩，隧道埋深约90 m，地下水位约30 m，即水位线至拱顶高度为60 m。通过FLAC3D建立流-固耦合计算模型，模型两侧取隧道5倍洞径以上，模型横向宽80 m，竖向高140 m，沿隧道轴向方向20 m。为研究不同泄水模式下结构的安全性，环向排水管间距设置为5 m，计算模型及不同排水方式局部模型，如图2所示。

图2 数值计算模型图示

围岩采用弹塑性材料模拟，选用Mohr-Coulomb本构准则；初期支护和二次衬砌考虑为弹性材料，选用Elastic弹性本构模型。材料的物理力学参数参考地勘报告和现行设计规范[12]确定，具体取值如表1所示。

除顶面外，计算模型其余各面均设置法相约束；底面为不透水边界，前、后、左、右4个面均设置为允许孔隙水压力自由变化和无限的流体介质补充的自由边界；排水管设置其孔隙水压恒定为0 Pa，以模拟排水边界；初期支护视为透水材料，二次衬砌设置为永久不透水材料；注浆圈采取提高注浆区域围岩的弹性模量、粘聚力以及渗透系数等特性实现。

表1 计算参数取值

2 二次衬砌外表面水压力分析

2种排水方式下二次衬砌外表面孔隙水压分布如图3、图4所示。

图3 二次衬砌顶部及侧面水压力云图(单位：Pa)

图4 二次衬砌底部水压力云图(单位：Pa)

在二次衬砌的顶部和侧面，2种排水方式下的孔隙水压都呈现出距离排水盲管越远，孔隙水压力越大的特点，排水管附近孔隙水压接近零。同时，同一隧道横断面下，二次衬砌外表面越靠近拱顶孔隙水压越大。在仰拱和墙脚处，仰拱式排水的低孔隙水压区域集中在环向排水盲管和中央排水管附近，由于二者的交叉布置，交叉处的低孔隙水压区域变大，加强了排水效果；墙脚式排水方式的低孔隙水压区域主要集中在墙脚附近，仰拱处孔隙水压较大，约为墙脚处平均值的2～3倍。

选取两环向排水盲管之间的中间位置作为观测断面见图4(a)，以研究二衬结构受力特征。提取观测断面处外表面孔隙水压力，如图5所示。

图5 二次衬砌外表面孔隙水压(单位：MPa)

由图5可知，仰拱式排水方式仰拱中心孔隙水压力为0 Pa，仰拱拱圈上距离仰拱中心越远，空隙水压力越大，由边墙至拱顶孔隙水压力逐渐增大，拱顶处孔隙水压最大，为0.59 MPa，由于拱顶同时远离环向排水管和中央排水管，所以其承受的水压力最大。墙脚式排水则在墙脚处孔隙水压力最小值，为0.07 MPa，仰拱中心和拱顶处孔隙水压相对较大，最大值为0.56 MPa。总体而言，墙脚式排水所受到的孔隙水压最大值小于仰拱式排水方式；距离排水管越远，隧道结构承受的水压力的越大。

3 二次衬砌应力分布规律分析

排水系统的存在，一方面改善结构承受的水压力，另一方面，会引起支护结构的力学特性发生变化。为了衡量排水盲管分布对二次衬砌内力和安全性的影响，需要提取观测断面处二次衬砌的应力进行分析，如图6、图7所示。

图6 二次衬砌水平应力值(单位：Pa)

图7 二次衬砌竖向应力值(单位：Pa)

由图6、图7可知，二次衬砌大部分区域处于受压状态，局部位置如仰拱内侧处于略微的张拉状态。水平应力在仰拱和拱顶处最大，隧道两侧最小，其中仰拱式排水的最大水平应力出现在仰拱处，墙脚式排水则发生在拱顶处，大小约为4.48 MPa。仰拱式排水的拱顶水平应力明显小于墙脚式排水，为后者的79%左右。2种排水方式边墙处水平应力比较接近，分别为0.13 MPa和0.18 MPa，边墙处水平应力整体较小。2种排水方式下竖向应力最大值均出现在边墙处，仰拱式排水方式最大竖向应力为4.8 MPa，墙脚式排水为5.4 MPa。总体而言，墙脚式排水方式的结构应力大于仰拱式排水方式。

4 二次衬砌内力及安全性分析

通过分析二次衬砌的应力分布规律发现，虽然墙脚式排水方式的应力状态更为不利，但是仅通过应力状态判定结构的安全与否和排水模式的优劣，是较为片面的，因此，还必须结合结构的应力状态，计算出二次衬砌各关键部位的内力值作进一步分析，内力值如表2所示。

表2 二次衬砌各部位内力值

由表2可以看出，仰拱式排水方式下的弯矩整体高于墙脚式排水方式，拱顶、拱肩、边墙、墙脚、仰拱分别为后者的150%、314%、1 159%、202%和139%，墙脚式排水方式在控制隧道结构弯矩方面强于仰拱式排水，该作用在边墙处最明显；轴力方面，分别为后者的259%、307%、350%、295%和695%，因此相较于仰拱式排水，墙脚式排水在减小结构轴力上仍有较大作用。所以，采用墙脚式排水方式的隧道二次衬砌结构内力值更小。根据相关设计规范，结合结构内力值，进一步计算得到二次衬砌各部位的安全系数，如图8所示。

图8 二次衬砌安全系数分布

如图8所示，2种排水方式下，拱肩的安全系数均为最高，分别为7.8和8.7。仰拱式排水方式安全系数最小值为2.2，最小位置发生在隧道墙脚处，小于规范最小控制标准值(2.4)，不能满足安全性要求。而墙脚式排水方式最小安全系数为仰拱中心的2.8，满足规范要求。整体而言，采用墙脚式排水方式的隧道结构安全性更高。

5 结论

本文以某在建铁路隧道为依托工程，采用有限差分数值模拟方法，对富水隧道采用不同排水方式的结构受力特征和结构安全进行系统研究，主要研究成果：

(1)二次衬砌外表面孔隙水压基本呈对称分布。仰拱式排水方式，仰拱中心孔隙水压为0 Pa，由仰拱中心至拱顶二次衬砌外表面孔隙水压力逐渐增大；墙脚式排水方式，墙脚处承受水压最小，墙脚至拱顶和墙脚至仰拱中心区域水压均呈逐渐增大分布。

(2)二次衬砌结构以受压为主，仅局部区域出现受拉情形。仰拱式排水方式仰拱处水平应力最大，墙脚式排水方式拱顶处水平应力最大；2种排水方式下边墙处水平应力最小，而竖向应力则在边墙处最大。

(3)采用仰拱式排水方式结构内力显著大于墙脚式排水方式；仰拱式排水方式下二次衬砌结构最小安全系数为2.2，墙脚式排水方式最小安全系数为2.8。综合结构安全性，建议此隧道采用墙脚式排水方式。