永壽梁隧道滲流場(chǎng)分析＊*

李 德，李德武，王 釬

(1.西平鐵路有限責(zé)任公司，陜西 西安 712046;2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070;3.西安鐵路局，陜西 西安 712046)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是交通隧道建設(shè)的需求在不斷增加，大量隧道將修筑在深埋高水壓的山嶺地區(qū)。在隧道施工和運(yùn)營(yíng)過程中，不可避免地碰到地下水問題，地下水與隧道二者相互影響，緊密聯(lián)系，主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面:

(1)地下水通過隧道空間被大量排放，造成部分隧道地表井泉干枯、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水缺失、地表沉降、巖溶塌陷、水土流失、土壤沙化等系列環(huán)境問題。

(2)地下水軟化巖層，使隧道圍巖松弛，地層壓力增大，影響隧道穩(wěn)定。對(duì)圍巖侵蝕(沖刷、帶走、分解部分圍巖)，造成襯砌背后空隙。地下水聚集在襯砌背后，使襯砌承受額外的水壓力。同時(shí)，地下水滲漏給行車安全、隧道本身的穩(wěn)定和工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。

對(duì)于隧道工程的環(huán)境效應(yīng)與環(huán)境保護(hù)對(duì)策等方面的研究，如上海越江隧道、西安安康線秦嶺隧道、成渝高速公路中梁山隧道、南京地鐵和玄武湖水底交通隧道等，研究表明隧道工程不同程度地改變了原有區(qū)域地下水的徑流、排泄條件，導(dǎo)致水文循環(huán)失衡、地下水位下降、地下水資源大量流失、天然供水水源枯竭、劣質(zhì)水入侵、地下水水質(zhì)惡化等一系列負(fù)效應(yīng)。有的進(jìn)而引起地表塌陷，地面建筑物開裂，大泉枯竭。相比之下，地下水環(huán)境保護(hù)的措施和對(duì)策研究是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)［1－2］。

通過MIDAS/GTS有限元軟件模擬隧道開挖過程，分析永壽梁隧道開挖對(duì)水環(huán)境所產(chǎn)生的影響，即地下水的變化規(guī)律和變化趨勢(shì)等，以期對(duì)該工程止(排)水措施的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

永壽梁隧道穿越渭河與涇河水系的分水嶺永壽梁，為雙洞單線隧道，線間距35 m;左線DK95+605 ～DK112+761，全長(zhǎng)17.156 km;右線 DyK95+605 ～DyK112+739，全長(zhǎng) 17.127 km;為西平鐵路的控制性工程。

永壽梁以北及蒿店梁以東的地表水匯入涇河，永壽梁以南與蒿店梁以西的水匯入渭河，較大沖溝溝底常有小股水流。永壽梁黃土覆蓋，僅嶺頂及溝底零星出露基巖。分水嶺頂(靠線路附近)標(biāo)高1390 m，嶺兩側(cè)黃土塬頂標(biāo)高約為1240 m及1160 m。本文選取左右線DK111+200Ⅲ級(jí)圍巖馬蹄形復(fù)合襯砌斷面進(jìn)行研究，所選區(qū)段屬于裂隙水中等富水區(qū)(Ⅱ1)，該含水巖組分布于隧道淺埋地段的溝谷區(qū)和拜家河溝向斜軸部附近，由于上覆黃土層厚度小，基巖破碎，且埋藏淺，易接受大氣降水及溝谷中地表水的季節(jié)性補(bǔ)給，并通過節(jié)理、裂隙垂向滲透補(bǔ)給下部基巖裂隙水。該巖組地層以侏羅系礫巖夾砂巖、砂巖夾泥巖和三疊系砂巖夾頁巖為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，且連通性較好，主要為構(gòu)造裂隙水，水量較大。

2 隧道圍巖滲流場(chǎng)分析

隧道屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，即隧道的橫斷面相對(duì)于縱向長(zhǎng)度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，其縱向沒有位移，只有橫向產(chǎn)生位移。建模時(shí)考慮隧道開挖半徑和滲流場(chǎng)的影響，同時(shí)考慮研究的必要性和代表性，取寬度方向計(jì)算范圍為65 m，深度方向取12.5 m(開挖進(jìn)尺為每循環(huán)2.5 m，每5組澆注二襯混凝土1次)。整個(gè)計(jì)算范圍為65 m×60 m×12.5 m?？紤]到結(jié)果的可信性以及模擬的真實(shí)性，數(shù)值模擬中采用實(shí)際設(shè)計(jì)馬蹄形隧道斷面形狀，隧道為五心圓，最大開挖高度8.52 m，寬度6.12 m，初次襯砌厚度0.08 m，二次襯砌厚度0.3 m。

模型巖層自地表向下分別為黏質(zhì)黃土層、粉質(zhì)粘土層、砂巖加頁巖層，根據(jù)工程地勘報(bào)告，擬選取分層高度分別為10，11.5和38.5 m。模型中采取左、右線隧道全斷面同時(shí)施作，線間距為35 m。材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of all materials

2.1 隧道全排水孔隙水壓分析

由永壽梁隧道工程地質(zhì)及水文勘察報(bào)告，在DK111+200處，地下水位高程約為947.000 m，距離隧道襯砌頂部7.2m左右。模型中沿隧道開挖方向指定節(jié)點(diǎn)總水頭為32m，在隧道初支表面節(jié)點(diǎn)設(shè)置全排水邊界［3－4］。隧道開挖擾動(dòng)了初始滲流場(chǎng)，同時(shí)導(dǎo)致了地下水孔隙壓力的變化，如圖1～2所示。

圖1 初始狀態(tài)孔隙水壓(單位:kN/m2)Fig.1 The initial state of pore water pressure

圖2 五循環(huán)施工后孔隙水壓(單位:kN/m2)Fig.2 The state of pore water pressure after the construction of five cycles

2.2 隧道注漿堵水孔隙水壓分析

由永壽梁地區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告，所選研究區(qū)段屬于中等富水區(qū)域，單位正常涌水量為2084.7 m3/d·km，正常涌水量為4857.5 m3/d，最大涌水量為12143.7 m3/d。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)成果及水壓、流水量測(cè)試資料決定采用何種注漿方案。結(jié)合目前永壽梁隧道施工過程中所揭示的地質(zhì)狀況來看，在一般溶隙地層和節(jié)理、裂隙發(fā)育、一般富水地段、巖體完整及局部滲漏水隧道范圍，可采用徑向注漿及局部補(bǔ)充注漿方案［5－6］。

徑向注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿孔呈梅花型布置，孔環(huán)向間距60 cm，縱向間距60 cm。徑向注漿采用φ42 mm的TSS管注漿。徑向注漿孔TSS管采用引孔頂入法，即先用風(fēng)鉆鉆設(shè)φ50 mm，深5 m的孔，然后將TSS管頂入。注漿材料采用超細(xì)水泥單液漿。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)之前所制定的徑向注漿措施，在每循環(huán)初支后，及時(shí)的進(jìn)行徑向全斷面注漿。改變了原頁巖巖體的滲透系數(shù)，使得地下水位下降趨勢(shì)減緩，說明制定的方案措施發(fā)揮了其控排功效，圖3～4所示為采用徑向注漿措施與否開挖300 d后孔隙水壓的情況。

圖3 注漿后孔隙水壓示意圖Fig.3 The schematic of pore water pressure after grouting

圖4 未注漿孔隙水壓示意圖Fig.4 The schematic of pore water pressure before grouting

2.3 隧道環(huán)向盲溝間距分析

2.3.1 盲管

根據(jù)“永壽梁隧道水溝設(shè)計(jì)圖紙”，本模型中模擬隧道采用環(huán)、縱向φ75盲管，泄水槽寬4 cm，見圖5。

圖5 洞內(nèi)盲溝排水示意圖Fig.5 The schematic of the cave blind ditch drainage

2.3.2 盲溝環(huán)向間距分析

模型中隧道在開挖階段采用徑向注漿措施，盲管縱向通長(zhǎng)布置，環(huán)向間距分別取5，8和12 m 3種工況，模擬分析地下水變化趨勢(shì)。圖6～8為不同環(huán)向盲管間距情況下，水位在初始時(shí)刻，100，200和300 d和穩(wěn)定后水位高度。

圖6 5 m間距時(shí)水位變化Fig.6 Changes in water level with 5 m annular spacing

圖7 8 m間距時(shí)水位變化Fig.7 Changes in water level with 8 m annular spacing

圖8 12 m間距時(shí)水位變化Fig.8 Changes in water level with 12 m annular spacing

圖9為不同間距下，在初始時(shí)刻，100，200和300 d和穩(wěn)定后一條環(huán)向盲管涌水量情況。

圖9 不同間距時(shí)涌水量變化情況Fig.9 Water inflow curve with different annular spacings

通過比較可以看出，在3種不同環(huán)向盲管間距情況下，水位下降漏斗隨著環(huán)向盲管間距的增大而減小。出于對(duì)地下水環(huán)境的保護(hù)，當(dāng)間距為12 m時(shí)，地下水在單位時(shí)間流失量較少，控排效果相對(duì)較好，同時(shí)可以據(jù)此確定水溝的設(shè)計(jì)尺寸。

3 結(jié)論

(1)隧道開挖后若不進(jìn)行圍巖注漿，在隧道周圍將造成孔隙水壓的急劇降低，對(duì)于水壓大的隧道將導(dǎo)致地下水的大量流失，帶來一系列環(huán)境問題。

(2)隧道周圍的水位沉降漏斗隨著環(huán)向盲管間距的增大而減小?？紤]隧道的實(shí)際情況和盡量減小對(duì)當(dāng)?shù)厮牡挠绊?，推薦環(huán)向盲管泄水孔間距為12 m，此時(shí)控排效果相對(duì)較為理想。

(3)通過模擬分析得到了單個(gè)泄水孔的流量，此值可以作為排水溝斷面設(shè)計(jì)的參考。

(4)本文計(jì)算參數(shù)，尤其是滲透系數(shù)的選取是按照經(jīng)驗(yàn)選定，其值對(duì)計(jì)算結(jié)果的量值有一定影響，模擬計(jì)算量值大小僅供參考。

［1］張祉道.山嶺隧道地下水處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，1995(1):103－111.ZHANG Zhi-dao.Discussion on underground water treatmentand structure design of mountain tunnels［J］.Jounrnal of Railway Engineering Society，1995(1):103 －111.

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