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溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析蔡直言1，伍毅敏2，许鹏2，迟作强3，黄民4，伍浩然2，张家威2（1.中山大学土木工程学院,广东珠海519082；2.中南大学土木工程学院,湖南长沙410075；3.山东省路桥集团有限公司,山东济南250021；4.中建三局第三建设工程有限责任公司,湖北武汉430074）摘要：岩溶隧道通常面临季节性溶槽水位波动带来的水害风险，文章结合工程案例，通过数值模拟，量化分析不同水位和不同位置溶槽蓄水对隧道衬砌受力影响，以揭示隧道水害风险的发生机制和演化特征，主要结论：（1）溶槽在季节性强降雨时发生水位波动，隧道外水压力变化频繁，导致隧道衬砌内力变化显著；水位升高时，结构受力恶化，安全性大幅削减，其中拱顶、边墙仍以小偏心受压模式承载，而隧底部位承载模式由小偏心受压逐步发展为大偏心受压；高水位时衬砌结构存在开裂、破损的风险；（2）边墙部位溶槽蓄水对隧道造成偏压水荷载，边墙安全系数最高下降 1.1；地下水位上升，偏压水荷载逐渐演化为均布水荷载，结构受力影响差异性逐渐减小；（3）季节性强降雨来袭，加强泄水降压是解决水头上升、水压过大致使衬砌破坏的关键，并重点关注边墙、隧底衬砌结构安全。关键词：公路隧道；力学影响；数值计算；衬砌结构；溶槽水位波动中图分类号：U451.4文献标识码：A文章编号:10014810（2023）06127012开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言我国岩溶总面积达 344.3 万 km2，占国土面积的1/3 以上12，随着交通路网的快速延伸，岩溶区已经或将要修建大量的岩溶隧道。然而在岩溶区存在大量的岩溶腔、暗河等储水型构造，因季节性降水、补给等原因，在旱季时，这些储水构造处于缺水低水位状态；而当雨季来临时，水量得到补充，导致储水型构造中的地下水位快速上涨，并通过溶槽（地下水沿可溶蚀岩石的节理裂隙进行溶蚀与侵蚀，形成纵横交错、深度较大的沟槽）或岩溶裂（孔）隙不断在衬砌背后累积，衬砌水压急剧增大，进而产生水害，严重威胁隧道衬砌结构安全37。例如，宜万铁路云雾山隧道施工期间，一次强降雨导致一段衬砌开裂，被迫拆除重修8；贵州银山隧道施工中遭遇罕遇暴雨，隧道竖直侧墙被突增岩溶水压溃（图 1），破坏长度达20m9；湖北季家坡隧道穿越溶蚀区，在特大暴雨期间衬背水压急剧增大，导致二衬和底板严重压裂（图 2）、施工缝发生底鼓破裂涌水10。很多学者研究了岩溶地下水对隧道衬砌结构的宏观影响，聂志凌11通过数值模拟研究了充水溶洞不同位置、不同尺寸、不同距离以及溶洞内不同水压对隧道结构的影响。李贻伟12通过“地层结构”法模拟了岩溶地下水升降条件下的衬砌响应表明：地下水位上升，二次衬砌各部位的内力均有所增加，结构安全系数减小，而仰拱隅角部位的内力增加速率最大。朱海涛13针对充水岩溶隧道，对比分析了理论计算、数值模拟和现场监测得到的隧道衬砌外基金项目：国家自然科学基金资助项目（51478473）；中国铁路总公司科技研究开发计划（2018K019）第一作者简介：蔡直言（1993），男，博士研究生，工程师，要从事隧道与地下工程水灾变防控研究、特殊复杂隧道设计工作。E-mail：。通信作者：伍毅敏(1980-)，男，副教授，博士。E-mail:。收稿日期：20220420第42卷第6期中国岩溶Vol.42No.62023年12月CARSOLOGICASINICADec.2023蔡直言，伍毅敏，许鹏，等.溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析J.中国岩溶，2023，42（6）：1270-1281.DOI：10.11932/karst20230609水压力，最后采用监测数据中的历史峰值作为水压荷载，通过“荷载结构”法进行结构计算。王一鸣14依托高水压岩溶隧道工程，分析了固定水位条件下衬砌水压力和结构内力，表明：仰拱衬砌内力最大，安全系数最低，排水可削减作用在衬砌结构上的水荷载。屈若枫15通过数值模拟研究了隧道顶部存在充水溶洞下的衬砌力学特征，表明：地下水位升高，拱顶竖向位移呈现增加的趋势，且二衬的拱顶位移明显小于初衬；衬砌之间接缝处的变形和剪应力最大。谭信荣16等分析岩溶管道发育位置、管道尺寸及管道内水头高度对衬砌内力的影响。任一凡17通过数值模拟，探究了降雨对隧道衬砌外水压力的影响规律。余洪璋18通过数值模拟，分析瞬时强降雨对铁路岩溶隧道衬砌强度的影响，研究表明当瞬时增加 50m 水压时，衬砌结构安全性已被破坏。以上研究对岩溶区隧道衬砌外水压力的认识依然十分有限，多以定性分析为主，没有突显出溶槽水位波动条件下衬砌外水压力分布特征。采用“荷载结构”法计算时水压荷载取为定值或与实际情况不符，较难体现出岩溶水对衬砌结构的实际影响。因此，本文采用数值模拟的方法，定量分析溶槽水位波动条件下衬砌结构的响应及其差异性，为岩溶隧道灾害防治提供理论支撑。1工程概况及建模1.1工程概况本研究以西南某高速公路隧道为研究对象。该隧道为左、右分离式隧道，左洞全长 3230m，右洞全长 3315m，最大埋深约 296m；主洞隧道内轮廓净高 7.6m，净宽 14.21m，采用复合式衬砌。该隧道穿越季节性溶蚀区，灰岩为主，岩溶裂隙发育，地质纵断面见图 3。隧道通过区具有以下 3 个特点：地下水与地表连通性较强；涌水以及渗漏水发生具有季节性特征；存在与地表相通无充填型岩溶槽。选取溶槽在隧道顶部与侧部发育的两种典型断面作为研究对象。典型断面为级围岩，衬砌见图 4，隧道埋深约 100m，支护参数如表 1：同时根据隧址区的岩溶特性、降水特征，并结合地层结构以及岩性组合等因素，建立岩溶地下水的渗入、储存、运移、排泄过程（图 5）。图1银山隧道边墙挤裂9Fig.1CrackedsidewallofYinshantunnel图2季家坡隧道二衬压裂10Fig.2FracturingofthesecondliningofJijiapotunnel650昆明D1K275+400D1K276+000D1K276+850+500+500贵阳600550500450400H/m350第四系全新统坡残积块石土岩层产状节理产状溶腔溶槽隧道结构线志留系下统石牛栏组泥灰岩地层界线Q4col+dlS1sh节N40W/83NEN45E/4NW图3隧道地质纵断面Fig.3Longitudinalsectionoftunnelgeology第42卷第6期蔡直言等：溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析12711.2计算模型荷载采用“水土分算”，即通过渗流计算得到衬砌外水压力，再将所得水压力和围岩压力作为外荷载加载在衬砌结构上，从而得到衬砌内力。1.2.1水压荷载计算模型采用“地层结构”法通过 GeoStudio2018R2进行渗流计算。计算模型高 160m、宽 120m、纵向1m。衬砌结构包括初期支护、二次衬砌，拱脚处设置排水管。模型左右两侧和溶槽两侧为变水头边界，考虑到初期支护和排水管的存在，计算中二次衬砌不透水，横向排水管出口表面为 0 水头边界。为了便于计算，以竖向长度和截面面积不变的原则对竖向溶槽进行简化，简化后的溶槽位于原溶槽顶部与底部水平距离的中心位置处，简化过程如图 6。假定原溶槽的面积为 S，竖直高度为 h，顶部与底部的水平距离（两中心点的距离）为 d，水平距离中表 1隧道级围岩支护参数Table1SupportparametersofClassIVsurroundingrockoftunnel初期支护二次衬砌C25喷砼8钢筋网22砂浆锚杆C35钢筋砼全环21cm全环2525cm拱墙120100cm，L-3.5m45cm21845760959292491 090O1O3O2O3O21 593154548设计高程2%19445001754217542543245006325663256194隧道中线开挖轮廓线初期支护 21预留变形量 8防水层及环向盲沟二次衬砌 455421 545 153 30 16114017926457 29 29r3=130R3=175r3=130R3=175r2=530R2=575r1=805R1=850r4=2 000R4=2 045r4=2 000R4=2 045262939图4级围岩深埋段衬砌（单位 mm）Fig.4LiningofClassIVsurroundingrockatthedeep-buriedsection大气降雨蒸发耗散入渗补给层面裂隙基质系统岩溶裂隙-基质系统岩溶管道介质隧道等地下洞室人工抽排落水洞等表层岩溶构造灌入补给地表径流深层裂隙-基质系统泉流系统地下暗河图5岩溶地下水渗入、储存、运移、排泄过程Fig.5Processofkarstgroundwaterinfiltration,storage,migrationanddischarge1272中国岩溶2023年心点为 O，则简化后的溶槽宽度为：w=Sh(1)简化后的溶槽位置即为水平距离中心点 O 处。并考虑溶槽与衬砌结构拱顶、边墙位置接触，如图 7所示为溶槽与隧道拱顶位置接触模型。(b)局部模型及网格划分(a)整体模型图7溶槽与衬砌边墙接触时的计算模型Fig.7Calculationmodelofwater-erodedgrooveincontactwithliningsidewall1.2.2衬砌内力计算模型采用“荷载结构”法通过 MidasGTXNX 进行结构内力计算，荷载分为围岩荷载与水压荷载。用梁单元模拟二次衬砌，采用 1m 长受压弹簧单元模拟围岩与结构的相互作用，并在受压弹簧末端进行全约束。围岩压力竖直、水平加载，水压力径向加载。计算模型如图 8。1.3计算工况根据地质勘探与现场降雨条件下地下水连通试验，分析季节性强降雨后断面存在地下水位迅速上升的可能，同时参考类似地质条件下因降雨引发的动态水位幅度可达 60m 的状况19，设置 5 种工况（表 2）：无水工况，作为有水工况的对比组；地下水位距离地表 20m；地下水位距离地表 40m；地下水位距离地表 60m；地下水位距离地表 80m。水位高度以计算模型底部边界为基准线向上计算，单位为 m，例如水位高度 140m 表示距离地表 20m。同时，为了进一步验证边墙处溶槽的影响，增设对照组，即不同水位无溶槽工况（表 3）。表 3无溶槽时的计算工况Table3Calculationworkconditionswithoutwater-erodedgroove工况溶槽位置水位/m3-1/1403-2/1203-3/1003-4/801.4计算荷载结合隧道地勘资料及JTG3370.1-2018 公路隧道设计规范（以下简称隧规）20，选取的计算参数见表 4。荷载及荷载组合为围岩压力+水压荷载+结构自重，水压荷载通过渗流计算取得，各作用的组合系数表 2季节性降雨导致水位升降时的计算工况Table2Calculationworkconditionsfortheriseandfallofwaterlevelduetoseasonalrainfall工况溶槽位置水位/m工况溶槽位置水位/m1-0拱顶/2-0边墙/1-1拱顶1402-1边墙1401-2拱顶1202-2边墙1201-3拱顶1002-3边墙1001-4拱顶802-4边墙80（注：拱顶溶槽宽0.25m，竖直高度100m；边墙溶槽宽0.25m，竖直高度108m。）(Note:widthofvaultwater-erodedgroove=0.25m;verticalheight=100m;widthofthewater-erodedgrooveofsidewall=0.25m;verticalheight=108m)dowohShS图6溶槽的简化过程示意Fig.6Simplifiedprocessofwater-erodedgroove竖向围岩荷载水平围岩荷载水压荷载图8“荷载结构”法计算模型Fig.8Calculationmodelofload-structuremethod第42卷第6期蔡直言等：溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析1273取为 1。隧道埋深约 100m，级围岩，岩石类型为中风化石灰岩，根据隧规计算得到围岩垂直平均布力为 104.33kPa，水平均布力为 41.75kPa。同时根据JTG/TD70-2010 公路隧道设计细则21中关于双车道分离式隧道复合式衬砌的支护承载比建议值，将二次衬砌荷载分担比取为 40%。2顶部溶槽蓄水对隧道的影响分析2.1隧道水压分布特征2.1.1渗流计算结果由于篇幅有限，仅展示距离地表 20m 一种水位条件下的计算结果图（图 9）。(b)局部计算结果(a)整体计算结果图9距离地表 20m 水位条件下的渗流计算结果Fig.9Seepagecalculationresultsatthe20-meterwaterlevelfromthesurface2.1.2水压分布特征将渗流计算所得水压体现在隧道断面上（图 10）。随着地下水位的升高隧道外水压力显著增大，其中溶槽与隧道接触部位、拱顶以及隧底增幅较为明显，而拱脚处因受排水影响增幅较小。各工况下，水压力量值均存在“拱顶最大，隧底、边墙次之，拱脚排水处最小”的分布规律。水位每升高 20m，隧道拱顶、边墙、排水口、拱脚、隧底的水压增长值较为稳定，分别约为 200kPa、112.8kPa、17.8kPa、81.4kPa、128.5kPa。2.2衬砌受力特征2.2.1衬砌计算结果由于篇幅有限，只展示距离地表 20m 一种水位条件下的计算结果图（图 11），并提取关键部位内力、应力（表 5，表 6）。表 4数值模拟计算参数Table4Calculationparametersofnumericalsimulation材料名称弹性模量/MPa密度/kgm3泊松比内摩擦角/粘聚力/kPa渗透系数/cms1弹性抗力系数/MPam1石灰岩2350023000.28304501.65 105600初期支护2500025000.21.25 106/二次衬砌3000025000.2不透水/排水管道2500025000.251 103/400 kPa200100300300 kPa200100100200 kPa100200300 kPa100200 kPa200100300 kPa拱脚排水孔水位高度 140 m水位高度 120 m水位高度 100 m水位高度 80 m拱脚排水孔图10蓄水溶槽在不同水位条件下的隧道水压分布图Fig.10Tunnelwaterpressuredistributionofwater-erodedgrooveofwaterstorageatdifferentwaterlevels(a)弯矩(b)轴力(c)第一主应力(d)第三主应力图11距离地表 20m 水位条件下的隧道受力情况Fig.11Internalforceoftunnelliningatthe20-meterwaterlevelfromthesurface1274中国岩溶2023年2.2.2衬砌受力分析根据轴力（图 12）、弯矩变化（图 13）可知，地下水位的存在（特别是水位升降条件下）极大地改变了隧道的受力状况。随着地下水位的升高，衬砌各关键部位所受轴力逐渐增大，且增长幅度基本满足“拱顶边墙拱脚隧底”，这与拱顶处有与其接触的汇水溶槽有关，即越靠近溶槽影响程度越大，结构响应也就越明显。弯矩量值基本上随着地下水位的升高逐渐增大，且隧底弯矩量值增长显著，呈现出“内侧受拉外侧受拉内侧受拉”变化的特点，在140m 高水位条件下达到 226.3kNm，与此时拱顶的232.8kNm 接近。隧道各关键部位的主应力量值除隧底第一主力外均随着地下水位的升高逐渐增大，隧底第一主应力先增大后减小（图 14）。拱顶第一主应力由受拉逐渐转变为受压。隧底主应力在地下水位为 100m 时发生明显改变，其第一主应力明显减小，第三主应力明显增大。相对于无水情况，隧道各关键部位基本满足水位越高应力变化幅度越大（正值表示增加，负值表示减小），第一主应力变化最大的是拱顶和拱脚，分别达到 198%、202%，其次是边墙、隧底；第三主应表 5溶槽在隧道拱顶时不同水位条件下隧道受力情况 1Table5Stressoftunnelliningatdifferentwaterlevelswhenthewater-erodedgrooveisattunnelvault1项目拱顶边墙水位/m轴力/kN弯矩/kN.mk1/kPa3/kPa轴力/kN弯矩/kN.mk1/kPa3/kPa无水896.8102.98.71055.95041.71232.320.09.82146.93330.080.01567.1140.35.5675.17640.21902.931.26.33303.95153.3100.02230.7180.64.0394.710309.12567.242.94.74432.66977.2120.02899.3207.13.2306.512579.23233.966.53.65214.89158.1140.03572.0232.82.71039.214836.23904.690.22.36005.611348.1表 6溶槽在隧道拱顶时不同水位条件下隧道受力情况 2Table6Stressoftunnelliningatdifferentwaterlevelswhenthewater-erodedgrooveisattunnelvault2项目拱脚隧底水位/m轴力/kN弯矩/kNmk1/kPa3/kPa轴力/kN弯矩/kNmk1/kPa3/kPa无水1294.653.58.31292.14461.71358.71.59.72975.53063.080.01976.384.75.31883.56899.92021.90.16.54492.54493.8100.02651.8114.53.92501.49284.42682.53.34.95863.16059.0120.03343.2142.33.13213.111645.33394.0114.13.24160.310924.3140.04038.8171.32.63901.014049.44109.8226.32.22428.015837.9809010011012013014080901001101201301404 5004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0004 5004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 000轴力值/kN拱顶拱肩边墙拱脚隧底水位高度/m图12隧道关键部位轴力变化Fig.12Axialforcechangesatthekeypointsoftunnel8090100110120130140751508090100110120130140751502001501005005010015020025030020015010050050100150200250300弯矩值/kNm拱顶拱肩边墙拱脚隧底水位高度/m图13隧道关键部位弯矩变化Fig.13Bendingmomentchangesatthekeypointsoftunnel第42卷第6期蔡直言等：溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析1275力变化最大的是隧底，达到 417%，其次依次是边墙、拱脚、拱顶（图 15）。随着地下水位的升高，拱顶沉降和仰拱隆起值越来越大，当水位距离地表 20m 时，拱顶沉降值达到 16.6mm，仰拱隆起值达到 12.6mm（图 16）。边墙、隧底安全系数显著降低，最高水位时，边墙、隧底安全系数分别为 2.3 和 2.2（图 17），已经小于隧规要求的限制 2.4，具有结构破坏的可能。综上所述，当地层无水条件下，衬砌结构最危险点位于拱脚处，其安全系数为 8.3，能够满足规范限值要求，表明无水条件下衬砌安全性良好；随着地下水位的升高，衬砌结构各部位内力变化显著，结构安全系数削减明显，其中拱顶、边墙部位内力增长明显，仍以小偏心受压模式承载，而隧底部位承载模式由小偏心受压逐步发展为大偏心受压；水位距离地表 20m 时，边墙、隧底部位安全系数均较小，已小于隧规中“结构安全系数不得小于2.4”的限值要求，若考虑其他不利因素影响，则衬砌结构存在开裂、破损的可能。上述计算分析结果与现场病害特征、病害位置基本吻合，验证了数值模型的准确性。3侧部溶槽蓄水对隧道的影响分析当溶槽位于隧道侧部及边墙处时易对衬砌造成偏压水荷载，因此本节侧重分析隧道边墙处有、无蓄水溶槽这两类条件下的结构受力。3.1隧道水压分布特征3.1.1渗流计算结果由于篇幅有限，只展示 80m 水位条件下的计算结果图（图 18）。8090100110120130140809010011012013014018 00016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 00002 00018 00016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 00002 000边墙 1边墙 3拱脚 1拱脚 3隧底 1隧底 3拱顶 1拱顶 3主应力值/kPa水位高度/m图14隧道关键部位主应力变化Fig.14Principalstresschangesatthekeypointsoftunnel拱顶 1拱顶 3边墙 1边墙 3拱脚 1拱脚 3隧底 1隧底 32001000100200300400500应力值/KPa隧道关键部位应力类型80 m 水位100 m 水位120 m 水位140 m 水位图15隧道关键部位主应力变化幅度Fig.15Variationamplitudeofprincipalstressatthekeypointsoftunnel809010011012013014075150809010011012013014075150201510505101520201510505101520拱顶沉降隧底隆起弯矩值/kNm图16隧道关键部位位移变化Fig.16Displacementchangesatthekeypointsoftunnel809010011012013014075145012345678910安全系数边墙隧底水位高度/m图17隧道边墙、隧底安全系数变化Fig.17Changeofsafetyfactoroftunnelsidewallandtunnelinvertedarc1276中国岩溶2023年3.1.2水压分布特征将渗流计算所得水压体现在隧道断面上（图 19）。当汇水溶槽与隧道边墙位置接触时，各工况下，水压力量值均存在“边墙最大，拱顶、隧底次之，拱脚排水处最小”的分布规律。水位每升高 20m，隧道拱顶、左边墙、左排水口、左拱脚、隧底、右拱脚、右排水口、右边墙的水压增长值较为稳定，分别约为187.0kPa、194.4kPa、23.0kPa、99.0kPa、138.3kPa、83.3kPa、18.2kPa、112.2kPa，可见接触及其附近部位的水压增长值大于远处。100200300 kPa100200300100200 kPa400 kPa200100300400 kPa300200100200100300 kPa400500 kPa拱脚排水孔拱脚排水孔水位高度 140 m水位高度 120 m水位高度 100 m水位高度 80 m图19蓄水溶槽在不同水位条件下的隧道水压分布图Fig.19Tunnelwaterpressuredistributionofwaterstoragewater-erodedgrooveunderdifferentwaterlevels3.2衬砌受力特征3.2.1衬砌计算结果由于篇幅有限，只展示 20m 水位条件下的计算结果图（图 20、图 21），并提取关键部位内力、应力（表 7、表 8、表 9）。3.2.2衬砌受力分析由以上的计算结果可知，当溶槽在隧道边墙处时，衬砌结构各关键部位的受力状况与溶槽在拱顶时基本一致。即基本满足：随着地下水位的升高，衬砌结构各关键部位所受轴力、弯矩（量值）逐渐增大，结构安全系数逐渐减小的规律。当总水头高度为140m 时，各处轴力、弯矩量值达到最大，此时隧底处安全系数为 2.1，拱脚处为 2.3，已小于隧规中“结构安全系数不得小于 2.4”的限值要求，考虑其他不利因素，衬砌结构存在破损的可能。由于蓄水溶槽处于隧道边墙左侧，造成隧道结构承受左侧偏压水荷载，明显的特征是隧道拱顶和隧底承受负弯矩（外侧受拉）、拱脚处承受正弯矩（内侧受拉）。隧道左侧边墙、拱脚所承受轴力、弯矩均大于右侧边墙、拱脚，而安全系数反之，安全系数差值在 0.10.3 之间，且随着地下水位的上升该差值呈减小趋势。同一水位(a)整体计算结果(b)局部计算结果图1880m 水位条件下的渗流计算结果Fig.18Seepagecalculationresultsatthe80-meterwaterlevelfromthesurface(a)弯矩(b)轴力(c)第一主应力(d)第三主应力图20距离地表 20m 水位条件下的隧道受力情况Fig.20Internalforceoftunnelliningatthe20-meterwaterlevelfromthesurface(a)弯矩(b)轴力(c)第一主应力(d)第三主应力图21无溶槽时距离地表 20m 水位条件下的隧道受力情况Fig.21Internalforceoftunnelliningatthe20-meterwaterlevelfromthesurfacewithoutwater-erodedgroove第42卷第6期蔡直言等：溶槽水位波动对隧道衬砌的力学影响模拟分析1277下隧道左侧边墙的最大主应力大于右侧边墙，且应力差值百分比随着地下水位的上升从 12.6%减小到2.1%；最小主应力小于右侧边墙，应力差值百分比随着地下水位的上升从 7.2%减小到 0.3%。隧道拱顶处安全系数差值随地下水位的上升依次为 0.6、0.4、0.5 和 0.5；隧道边墙处依次为 1.0、1.1、0.8 和 0.7；隧道拱脚处依次为 0.7、0.9、0.7 和 0.6；隧底依次为 0.9、1.1、0.4 和 0.3。可见地下水位的上升，两类条件下的隧道结构安全系数差值有减小的趋势。受力差异性逐渐减小可解释为：隧底及以下为弱透水岩层，可看作不能发生地下水的渗流。当地下水位较低且没有超过隧道结构竖向高度时，溶槽一侧的衬砌必然受到水压荷载，而另一侧没有水压荷载，因此造成衬砌受到偏压荷载，偏压一侧衬砌所受应力大而安全系数较小，因此衬砌两侧安全系数差值较大。而后随着地下水位的升高，地下水位漫过了隧道拱顶，使隧道衬砌全环受到水压荷载，荷载偏压程度逐渐减小及受力逐渐均匀，因此衬砌安全系数差值逐渐减小，即受力差异性逐渐减小。溶槽的存在，使边墙、隧底安全系数下降幅值最大达到 1.1，故应重点关注边墙、隧底结构安全。4结论针对岩溶隧道通常面临季节性溶槽水位波动带来的水害风险，通过数值模拟，量化分析了不同水位和不同位置溶槽蓄水对隧道衬砌受力影响，主要结论如下：（1）溶槽在季节性强降雨时发生水位波动，隧道外水压力变化频繁，导致隧道衬砌内力变化显著；水位升高时，结构受力恶化，安全性大幅削减，其中拱顶、边墙仍以小偏心受压模式承载，而隧底部位承载模式由小偏心受压逐步发展为大偏心受压；高水位时衬砌结构存在开裂、破损的风险；（2）边墙部位溶槽蓄水对隧道造成偏压水荷载，边墙安全系数最高下降 1.1；同水位下的安全系数小表 7溶槽在隧道边墙时不同水位条件下隧道受力情况 1Table7Stressoftunnelliningatdifferentwaterlevelswhenthewater-erodedgrooveisattunnelsidewall1项目拱顶隧底左边墙水位/mk13k13k13805.9172.967806.5447344896.2311052981004.4131686074.3418178474.3397873751203.62914100782.81657136903.44612977414034612114452.1974.4197012.7493212520表 8溶槽在隧道边墙时不同水位条件下隧道受力情况 2Table8Stressoftunnelliningatdifferentwaterlevelswhenthewater-erodedgrooveisattunnelsidewall2项目右边墙左拱脚右拱脚水位/mk13k13k13806.5355849155.3183269185.4221766001004.6440270343.7244393443.9257792851203.5481496702.928361213732428126161402.85040124802.32749154552.3121317057表 9无溶槽时不同水位条件下隧道受力情况Table9Stressoftunnelliningatdifferentwaterlevelswithoutwater-erodedgroove项目拱顶隧底边墙拱脚水位/mk13k13k13k13806.5490.564287.4395740037.2290745146165460771004.892.584165.4466156815.4382359834.6211280441204.1138393983.21130119914.2412681093.62689100481403.52623105612.41763.6176173.44414102012.92557127471278中国岩溶2023年于另一侧对应部位，安全系数差值在 0.10.3 之间，且随着地下水位的逐渐上升该差值呈减小趋势，即由偏压水荷载逐渐演化为均布水荷载，对结构受力差异性影响逐渐减小；（3）在季节性强降雨引发的地层高水位条件下，排水系统虽发挥了一定泄压作用，但是衬砌仍承受着较高水压力，尤其是在边墙、隧底部位还存在结构安全性无法满足的可能。因此，季节性强降雨来袭，应确保排水系统排水通畅，加强泄水降压是解决水头上升、水压过大致使衬砌破坏的关键，并重点关注边墙、隧底衬砌结构安全。参考文献左太安,张凤太,于世杰,黎娇,樊昊,叶丹.中国岩溶地区石漠化贫困问题研究进展J.中国岩溶,2022,41(6)：915-927.ZUOTaian,ZHANGFengtai,YUShijie,LIJiao,FANHao,YEDan.AstudyonpovertycausedbyrockydesertificationinkarstareasofChinaJ.CarsologicaSinica,2022,41(6):915-927.1李阳兵,侯建筠,谢德体.中国西南岩溶生态研究进展J.地理科学,2002（3）：365-370.LIYangbing,HOUJianjun,XIEDeti.Therecentdevelopmentof research on karst ecology in Southwest ChinaJ.ScientiaGeographicaSinica,2002（3）：365-370.2王刚,王立川,仇文革,龚伦,吴剑.关于季节性岩溶管道流对某快速铁路隧道衬砌破坏的分析与思考J.现代隧道技术,2016,53（6）：210-218.WANGGang,WANGLichuan,QIUWenge,GONGLun,WUJian.AnalysisandconsiderationsofanexpressrailwaytunnelliningfailurebyseasonalkarstconductflowJ.ModernTun-nellingTechnology,2016,53（6）：210-218.3郑波,吴剑,郭瑞.季节性岩溶隧道结构安全预警体系构建及对策J.现代隧道技术,2019,56（Suppl.2）：67-72.ZHENGBo,WUJian,GUORui.Building-upofasafetyearly-warningsystemforseasonalkarsttunnelstructureanditspreven-tioncountermeasuresJ.ModernTunnellingTechnology,2019,56（Suppl.2）：67-72.4陈仲达,林志,陈相,杨红运,陆原恩,赵益鑫.基于非线性渗流模型的管道型岩溶隧道突水机理研究J.现代隧道技术,2022,59（1）：149-155.CHENZhongda,LINZhi,CHENXiang,YANGHongyun,LUYuanen,ZHAOYixin.Studyonthewaterinrushmechanismintunnelling with karst conduits based on nonlinear seepagemodelJ.Modern Tunnelling Technology,2022,59（1）：149-155.5杨坤,肖维民,王丽君,王建,陈凤辉.上伏落水洞岩溶隧道围岩力学响应数值分析J.地下空间与工程学报,2021,17（Suppl.2）：637-644.YANGKun,XIAOWeimin,WANGLijun,WANGJian,CHEN6Fenghui.NumericalanalysisofthemechanicalresponseofkarsttunnelsurroundingrockconsideringtheinfluenceofsinkholeJ.ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngi-neering,2021,17（Suppl.2）：637-644.金美海,刘新荣,钟祖良.岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究J.地下空间与工程学报,2021,17(4)：1099-1105,1131.JIN Meihai,LIU Xinrong,ZHONG Zuliang.Study on themechanicalcharacteristicsoftheliningstructureofthekarsttun-nelundertheactionoflocalhighwaterpressureonthevaultJ.ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,2021,17(4):1099-1105,1131.7马栋.深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究D.北京：北京交通大学,2012.MADong.StudyonimpactmechanismofdeepburiedkarsttotunnelsafetyandthetreatmenttechniqueD.Beijing:BeijingJiaotongUniversity,2012.8庄旭峰,孙东.实例分析隧道建设对岩溶水的影响J.中国岩溶,2016,35（6）：681-687.ZHUANGXufeng,SUNDong.Influenceoftunnelconstructionon karst water:Case analyseJ.Carsologica Sinica,2016,35（6）：681-687.9许振浩,李术才,李利平,陈军,张之淦,石少帅.一种典型的岩溶隧道衬砌压裂突水灾害成因与防治J.岩石力学与工程学报,2011,30（7）：1396-1404.XUZhenhao,LIShucai,LILiping,CHENJun,ZHANGZhigan,SHIShaoshuai.Cause,disasterpreventionandcontrollingofatypicalkindofwaterinrushandliningfracturinginkarsttun-nelsJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2011,30（7）：1396-1404.10聂志凌.水压充填型岩