新型凹凸排水板对隧道二次衬砌受力影响研究

舒泽波，肖强，肖学良，李洁

（1.江西省交通设计研究院有限责任公司，江西南昌 330022；2. 江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西南昌 330013；3.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013）

0 引 言

随着经济的发展，公路、铁路等交通网络的不断推进，自21 世纪以来，我国公路隧道里程年均增长率高达20%左右[1]。然而，“十隧九漏”仍然是隧道工程的痛点和难点[2-3]，我国在建或运营隧道普遍存在渗漏问题[4-5]。

传统的隧道防排水系统将土工布安装于初期支护与二次衬砌之间，依靠土工布将二衬外环地下水导流至排水盲管中，排水通道小，排水效率低[6]，易出现排水系统结晶堵塞，引发衬砌结构开裂渗漏水[7]。隧道排水系统的设计与渗漏病害的发生紧密关联[8]，张素磊、乐晟等[9-10]为改善传统隧道防排水系统的不足，提出在防排水系统中增设一层排水板。凹凸排水板由于自身具有渗流通道大、全断面排水和不易堵塞等优点，被广泛应用于隧道排水系统中[11-13]。

值得说明的是，山岭隧道多采用复合式衬砌支护方式[14-15]，围岩与衬砌近似密贴，在Ⅳ级以下的较差岩层中，隧道衬砌作为承载结构，需考虑衬砌结构内力分布情况[16-17]。而凹凸排水板结构与传统防水板的结构形式差异较大，其在衬砌结构与围岩间的荷载传递特性尚不明确，隧道衬砌受力及变形可能受到凹凸板的影响。目前，凹凸排水板对隧道衬砌结构受力影响研究仍较为缺乏，因此，区别于传统计算方法，进一步分析凹凸排水板对隧道二衬受力影响机理十分必要。

鉴于此，本文以江西省宜春市明月山1 号公路隧道为依托，通过一系列数值模拟进行分析，对增设凹凸排水板隧道衬砌受力进行系统研究，得到隧道衬砌受力分布规律，研究成果将为今后凹凸排水板设计提供借鉴作用。

1 凹凸排水板结构

明月山1 号公路隧道防排水系统由土工布、凹凸排水板及CPS 反应粘防水卷材组成，系统布置如图1 所示。隧道排水主要依靠凹凸排水板的凸台空隙将地下水排出至排水管及隧道边沟，摒弃传统排水盲管；隧道防水则通过湿铺CPS 反应粘防水卷材，可有效防止隧道渗漏病害的发生。相较于常规隧道防排水结构，该类无管湿铺防排水结构形式施工更简单，适用于防水要求高或地下水丰富的隧道。

图1 无管湿铺防排水结构现场布置

工程应用的凹凸排水板由聚乙烯塑料制成，材料依靠凸起结构起支撑作用，为地下水的排出提供通道。凹凸排水板结构如图2 所示。

图2 凹凸排水板构造

与混凝土结构相比，凹凸排水板材料刚度较低，凸台底部空心，受压后易发生较大变形，同时结构法向刚度不断变化，因此将凹凸排水板应用于隧道时，需考虑凹凸排水板对二次衬砌受力特性的影响研究。

文献[18]将凹凸排水板视为均质、连续的固体材料，通过材料压缩试验得出凹凸排水板受压变形曲线，该曲线呈3 阶段发展规律[18]，如图3 所示。分别为缓慢发展阶段，材料刚度为0.82 MPa；快速发展阶段，材料刚度为0.28 MPa；压密阶段，材料刚度为2.10 MPa。

图3 凹凸排水板应力变形及弹性模量发展规律

2 无管湿铺防排水隧道模拟方案及参数取值

2.1 模拟方案

本文采用荷载结构法对隧道受力情况进行分析。建立三维Midas 隧道模型，施加自重及围岩压力，赋予地基弹簧及相应边界条件，进行非线性静力分析计算，研究无管湿铺防排水系统对隧道产生位移及应力影响。

由于工程常用土工布厚度仅为1~2 mm，因此常规防排水形式下隧道衬砌结构受力分析中往往不考虑排水系统影响。无管湿铺防排水结构隧道中由于凹凸排水板具有一定厚度，且受压后产生较大变形，因此将隧道模型分为喷射混凝土（喷混）、排水板及衬砌3 层结构。建立五心圆+仰拱隧道模型，隧道尺寸如表1 所示。

表1 隧道结构尺寸

根据明月山1 号隧道地质勘探报告显示，明月山隧道Ⅳ级围岩段占比最多，约占隧道总长度的52%，因此隧道分析中取Ⅳ级围岩。根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》可计算得出Ⅳ级围岩条件下垂直均布荷载取值为176 kN/m2，水平均布荷载取值为52.8 kN/m2，地基反力系数取值为350 MPa/m。隧道模型荷载分布情况如图4 所示。

图4 Ⅳ级围岩荷载分布

2.2 模型参数取值

根据表1 隧道尺寸建立常规防排水结构隧道模型及无管湿铺防排水结构隧道模型，如图5 所示。

图5 防排水结构隧道模型

三维隧道模型全长20 m，分别在两端截面施加y方向约束，在两端拱顶中心点处施加x方向约束，如图6 所示。

图6 模型约束布置

隧道结构材料参数取值表2，其中，凹凸排水板属于塑性材料，材料应力应变曲线呈非线性和多阶段特点（见图3），因此凹凸排水板选用von Mises 模型建立，在模型中输入硬化曲线，见表3。凹凸排水板压缩应变大于0.769 后材料难以压缩，因此在硬化曲线最后阶段取塑性应变0.900 时相应应力取值为5.0×107kPa。

表2 隧道结构材料属性参数

表3 凹凸排水板硬化曲线设置

3 凹凸排水板对隧道衬砌受力影响分析

3.1 位移影响

图7为常规防排水结构和无管湿铺防排水结构在Ⅳ级围岩压力作用下的位移变形图。

图7 隧道衬砌结构总位移

由图7 可知，常规防排水结构仅考虑喷射混凝土与二次衬砌结构，喷射混凝土与二次衬砌紧密接触，结构弹性模量相差不大，因此变形趋势基本一致；无管湿铺防排水结构下隧道支护由喷射混凝土、凹凸排水板及二次衬砌组成，凹凸排水板弹性模量远小于喷射混凝土与二次衬砌，因此在图7（b）隧道拱顶处结构变形出现差异。

图8 为Ⅳ级围岩下防排水结构位移变形情况。

图8 防排水结构位移变形曲线

由图8 可知，当常规防排水结构受到围岩压力时，喷射混凝土与二次衬砌协同变形，拱顶处产生最大位移7.3 mm，侧墙处位移约为4 mm，仰拱处变形位移最小在1 mm 以内。

无管湿铺防排水结构受到Ⅳ级围岩压力时，喷混和衬砌同在拱顶处产生最大位移，至拱腰处逐渐减小。喷混最大位移为10.7 mm，衬砌最大位移为9.7 mm，结构位移变形差达1 mm。在侧墙至拱脚处，二次衬砌位移大于喷射混凝土变形位移。无管湿铺防排水结构受力总变形位移大于常规防排水结构。在相同围岩压力条件下，无管湿铺防排水结构在有凹凸防水板部位将产生更大变形。

3.2 最小主应力影响

隧道支护结构主要承受围岩压力，支撑围岩防止塌落。当围岩压力过大，支护结构所受最小主应力超过结构抗压强度时，混凝土将开裂破坏。因此，支护结构受最小主应力是隧道结构安全分析中重要指标之一。图9、图10 分别为Ⅳ级围岩压力条件下常规防排水结构和无管湿铺防排水结构的最小应力（压应力）云图。

图9 常规防排水结构最小主应力

图10 无管湿铺防排水结构最小主应力

由图9、图10 可知，Ⅳ级围岩压力下常规防排水结构隧道喷混和衬砌结构最小主应力主要分布于拱顶、侧墙及拱脚位置；无管湿铺防排水结构喷混受最小主应力作用也主要集中于拱顶、侧墙及拱脚处，而衬砌最小主应力则在侧墙处大幅减小，主要集中于拱顶处。

图11为Ⅳ级围岩下隧道支护结构最小主应力曲线。

图11 隧道支护结构最小主应力

由图11 可知，在常规施工情况下，喷射混凝土与衬砌受压应力趋势基本一致。无管湿铺施工条件下喷射混凝土受压应力明显增大，尤其是隧道侧墙处，最大压应力为常规施工方法的2.5 倍；衬砌结构则在拱顶处压应力增大，常规结构隧道衬砌拱顶受最大压应力为-3097 kN/m2，无管湿铺隧道衬砌拱顶受最大压应力为-5128 kN/m2，约为常规结构的1.7 倍；衬砌侧墙处压应力则减小明显，在凹凸排水板尾端下出现压应力突然增大的情况。这是由于侧墙处喷射混凝土随凹凸排水板向内压缩变形，排水板强度较低，压应力传递至凹凸排水板后衰减，而凹凸排水板尾端结束处凹凸排水板材料变为与衬砌结构相同的混凝土材料，此处材料刚度突然增大，压力传递不发生衰减或仅发生少量衰减，因此出现压应力突增情况。综上所述，虽然无管湿铺条件下衬砌结构侧墙最小主应力有明显减小，但拱顶位置受压应力明显增大，隧道衬砌结构更容易在拱顶部位发生破坏。

3.3 最大主应力影响

隧道衬砌结构通常为混凝土或钢筋混凝土，混凝土结构为准脆性材料，具有典型的单边效应，受拉时表现为脆性，而受压时表现为塑性，且抗压强度显著高于抗拉强度。因此，衬砌结构在受到偏压时极易发生受拉破坏现象，图12、图13 为Ⅳ级围岩下2 种防排水工况隧道支护结构的最大主应力（拉应力）云图。

图12 常规防排水结构最大主应力云图

图13 无管湿铺防排水结构最大主应力云图

图14为Ⅳ级围岩下隧道支护结构最大主应力曲线。

图14 隧道支护结构最大主应力曲线

由图14 可知，在常规喷射混凝土+衬砌条件下，喷射混凝土结构在拱腰和拱脚处受到较大拉应力，其余部位受压应力；衬砌结构则不受拉应力作用，呈现仅受压状态。加设凹凸排水板结构后，喷射混凝土与衬砌结构呈现出与常规工况下受力相反的特性，喷射混凝土基本不受拉应力，仅在拱脚（排水板结束位置）发生应力突变，受到拉应力；衬砌结构在拱腰和拱脚处则出现受拉状态，且拉应力巨幅增大，为常规排水工况下喷射混凝土受拉应力的2 倍以上。

4 结 论

为分析无管湿铺防排水结构与二次衬砌间的相互作用特性，讨论凹凸排水板在不同隧道条件下的适用性，采用三维数值模拟软件对无管湿铺防排水系统受力特征进行分析。根据计算分析计算结果，得出以下结论：

（1）相较于常规防排水结构隧道，相同围岩条件下无管湿铺防排水结构隧道将产生更大变形。

（2）无管湿铺防排水结构隧道衬砌拱顶受最大压应力为常规结构隧道的1.7 倍。

（3）常规隧道衬砌外环仅呈受压状态，无管湿铺防排水结构隧道拱腰和拱脚处则出现受拉状态，且拉应力巨幅增大，为常规排水工况下喷射混凝土受拉应力的2 倍以上。

（4）防排水结构形式的改变将导致隧道衬砌压应力分布的改变，常规防排水结构衬砌最大压应力在侧墙部位，无管湿铺防排水结构衬砌最大压应力在拱顶部位。