壓力輸水隧洞圍巖最小覆蓋厚度研究方法

劉陽(yáng)

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

壓力輸水隧洞圍巖最小覆蓋厚度研究方法

劉陽(yáng)

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

壓力隧洞充水運(yùn)行后，低壓時(shí)，隧洞襯砌不開(kāi)裂，保護(hù)圍巖；內(nèi)水壓力上升到一定程度后，鋼筋混凝土襯砌開(kāi)裂，內(nèi)水外滲，95%以上的壓力由圍巖承擔(dān)，壓力隧洞最小覆蓋厚度問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為隧洞內(nèi)水外滲的巖體穩(wěn)定問(wèn)題。文中對(duì)壓力隧洞最小覆蓋厚度的判據(jù)及研究方法進(jìn)行了總結(jié)、分析。提出了應(yīng)用滲流體積力研究隧洞襯砌，采用滲流應(yīng)力耦合的方法分析圍巖穩(wěn)定，確定巖石最小覆蓋厚度，并提出了研究發(fā)展方向。

水工隧洞；襯砌；覆蓋厚度；滲透失穩(wěn)；滲流應(yīng)力耦合

有壓淺埋輸水隧洞，在較大內(nèi)水壓力作用下，普通鋼筋混凝土襯砌承受拉應(yīng)力。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度和延展性很低，當(dāng)襯砌拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，襯砌裂縫難以避免，混凝土開(kāi)裂后，內(nèi)水外滲，根據(jù)相關(guān)資料推薦的公式計(jì)算，襯砌所消耗的滲流水頭是很小的，95%以上的內(nèi)水壓力都消耗在外部圍巖上。襯砌隧洞雖然與不襯砌有壓隧洞有區(qū)別，但內(nèi)水外滲仍然可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，要使隧洞保持穩(wěn)定，并不因滲水過(guò)大而不能正常運(yùn)行，同樣需要保證隧洞有足夠的埋深，同樣存在隧洞巖石最小覆蓋厚度問(wèn)題。

1 確定壓力隧洞圍巖最小覆蓋厚度采用的準(zhǔn)則

1.1 挪威準(zhǔn)則

現(xiàn)行 SL279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》及 DL/T5195-2004《水工隧洞規(guī)范》巖石最小覆蓋厚度推薦采用挪威準(zhǔn)則。

挪威準(zhǔn)則確定的隧洞埋深與圍巖厚度、容重等有關(guān)，隧洞垂直和側(cè)向最小覆蓋厚度確定為不包括覆蓋層的強(qiáng)風(fēng)化線以下巖石，計(jì)算公式尚未考慮巖體強(qiáng)度、裂隙、滲透系數(shù)、節(jié)理構(gòu)造、地下水位等關(guān)系到巖體滲透穩(wěn)定的重要因素。

從國(guó)內(nèi)類似工程實(shí)踐表明：對(duì)于淺埋隧洞的圍巖結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖隧洞后，圍巖的構(gòu)造應(yīng)力釋放較快，水平方向的應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力的 1/3 或更少，沿垂直方向很容易發(fā)生水力劈裂，且劈裂可追蹤到地面而產(chǎn)生嚴(yán)重滲漏。

因此，對(duì)于挪威準(zhǔn)則，一般作為有壓淺埋隧洞的第一個(gè)初始判定條件，作為初步確定巖石最小覆蓋厚度及是否采用抗裂式襯砌型式（預(yù)應(yīng)力襯砌或鋼板襯砌）的判定依據(jù)之一。

1.2 水力劈裂準(zhǔn)則

隧洞圍巖的完整巖塊透水性微弱，水在巖體中的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)巖體中的裂隙或節(jié)理。隧洞是在巖體中開(kāi)挖形成的，總會(huì)有裂隙與隧洞周邊相交。隧洞襯砌內(nèi)水外滲后，外滲后的內(nèi)水壓力大于裂隙法向應(yīng)力，裂隙法向應(yīng)力將變?yōu)槔瓚?yīng)力，裂隙張開(kāi)，即所謂的水力劈裂。該準(zhǔn)則意義明確，但需要對(duì)每個(gè)與隧洞相交的裂隙均有詳實(shí)的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，對(duì)于隧洞工程而言，特別是長(zhǎng)距離調(diào)引水隧洞工程，實(shí)際工作中是很有難度的。

對(duì)于水力劈裂準(zhǔn)則的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘察探明情況，結(jié)合將要討論的隧洞圍巖是否具備承擔(dān)內(nèi)水壓力的能力，巖體滲漏量及可能抬升的地下水位，綜合分析判定。在實(shí)際施工過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有之前尚未探明的可構(gòu)成排水通道的節(jié)理裂隙，就存在形成滲漏通道的可能性，根據(jù)具體實(shí)際情況，調(diào)整設(shè)計(jì)。

1.3 初始應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力準(zhǔn)則

隧洞的洞周圍巖應(yīng)力分析以下幾種情況：①洞周圍巖強(qiáng)度滿足隧洞一次應(yīng)力場(chǎng)及隧洞開(kāi)挖后的二次應(yīng)力場(chǎng)；要求沿線任一點(diǎn)的圍巖最小主應(yīng)力 σ3，大于該點(diǎn)洞內(nèi)靜水壓力，并有 1.2～1.3 倍的安全系數(shù)（該準(zhǔn)則由挪威德隆漢姆大學(xué)提出）；②洞周圍巖強(qiáng)度滿足一次應(yīng)力場(chǎng)，但并不滿足二次應(yīng)力場(chǎng)，但圍巖完整、構(gòu)造不發(fā)育，施工中開(kāi)挖尚未發(fā)現(xiàn)有可構(gòu)成排水通道的節(jié)理裂隙巖體、透水率較小等前提下，稍遠(yuǎn)處的一次應(yīng)力場(chǎng)，可以控制滲漏和水力劈裂發(fā)展；③存在巖體滲漏量稍大，對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿，灌漿后以節(jié)理的實(shí)際法向應(yīng)力大于內(nèi)水壓力控制設(shè)計(jì)，且附近為農(nóng)田、無(wú)村屯及城市建筑分布，水系補(bǔ)排條件可安全下泄?jié)B漏流量。其中①考慮采用一般防滲措施、②③考慮采用嚴(yán)格防滲措施，但可適當(dāng)縮短范圍?？梢酝ㄟ^(guò)工程類比和有限元分析，進(jìn)行綜合分析判別。當(dāng)不能滿足上述要求時(shí)，且內(nèi)水外滲危機(jī)隧洞、臨近建筑物及邊坡的安全時(shí)，建議采用抗裂設(shè)計(jì)原則。

2 隧洞防滲設(shè)計(jì)原則及襯砌型式選擇

現(xiàn)行水工隧洞規(guī)范規(guī)定：隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則可分為抗裂設(shè)計(jì)（嚴(yán)格防滲要求）、限制裂縫開(kāi)展寬度設(shè)計(jì)（一般防滲要求）和不限制裂縫開(kāi)展寬度設(shè)計(jì)（無(wú)防滲要求）。

當(dāng)圍巖抗?jié)B能力差，內(nèi)水外滲造成的危害（圍巖、邊坡、相鄰建筑物的滲透失穩(wěn)或環(huán)境破壞），處理費(fèi)用大或很難處理時(shí)，提出嚴(yán)格防滲要求（抗裂設(shè)計(jì)），抗裂設(shè)計(jì)可以采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌或鋼板襯砌，現(xiàn)階段鋼板襯砌的總造價(jià)要高于預(yù)應(yīng)力襯砌，因此在目前國(guó)內(nèi)的已建大型工程中，采用預(yù)應(yīng)力襯砌型式較多。

總之，隧洞圍巖滿足最小覆蓋厚度要求，則采用限裂式襯砌型式；不滿足最小覆蓋厚度要求，采用抗裂式襯砌設(shè)計(jì)。

3 研究方法

研究隧洞圍巖最小覆蓋厚度及采用哪種襯砌型式，離不開(kāi)隧洞應(yīng)力場(chǎng)中滲流水荷載的研究——壓力隧洞內(nèi)水外滲組合隧洞外水壓力滲流場(chǎng)分析。

3.1 內(nèi)水外滲影響分析要考慮滲流場(chǎng)的水荷載歷史

隧洞圍巖覆蓋層較淺，隧洞襯砌裂縫，內(nèi)水外滲后，裂縫兩側(cè)的襯砌單元環(huán)向拉應(yīng)力得到釋放。內(nèi)水壓力以體積力的形式作用于襯砌和圍巖，其中以圍巖受力為主。內(nèi)水外滲影響分析與滲流場(chǎng)的水荷載歷史有關(guān)。內(nèi)水外滲可能抬高地下水位線，改變滲流場(chǎng)。地下水位的抬升與隧洞滲水壓力、洞頂巖體（覆蓋層）滲透系數(shù)、隧洞直徑及原地下水位有關(guān)。

滲透壓力及內(nèi)水外滲的邊坡是否穩(wěn)定，取決于圍巖滲透性和滲后圍巖強(qiáng)度。由于襯砌與圍巖都是透水的，隧洞內(nèi)水外滲與原有的地下水位形成新的滲流場(chǎng)，水荷載以滲流場(chǎng)力的形態(tài)作用于地下水位以下的空間，構(gòu)成空間滲流場(chǎng)力。

3.2 滲流場(chǎng)分析采用方法

隧洞開(kāi)挖前的滲流場(chǎng)幾乎是均勻的，相應(yīng)于它的滲透力可以忽略，巖體僅受自重與浮力的作用，存在初始滲流場(chǎng) H0；隧洞開(kāi)挖后，洞壁的邊界條件改變了，巖石中形成穩(wěn)定滲流場(chǎng) H1，此時(shí)在滲流場(chǎng)增量△H1=H1-H0的作用下，產(chǎn)生開(kāi)挖滲流場(chǎng)應(yīng)力增量，此時(shí)圍巖的應(yīng)力為兩者疊加。隧洞襯砌完成后，由于其阻水作用，邊界條件改變，形成新的滲流場(chǎng) H2，這時(shí)襯砌和圍巖只承受相應(yīng)于滲流場(chǎng)增量的滲流場(chǎng)力荷載△H2=H2-H1，而不是相應(yīng)于 H2的滲流場(chǎng)力。對(duì)隧洞充水以后形成滲流場(chǎng) H3，隧洞開(kāi)挖后襯砌前的滲流場(chǎng)荷載已經(jīng)被圍巖所承擔(dān)，襯砌以后滲流場(chǎng)的改變，襯砌只承受滲流場(chǎng)增量△H3=H3-H1荷載。

當(dāng)內(nèi)水水頭高于地下水位靜水時(shí)，內(nèi)水外滲只改變滲流場(chǎng)，一般對(duì)地下水位影響很小。若無(wú)排水設(shè)施，則襯砌的外緣水頭小于內(nèi)水壓力；在內(nèi)水壓力作用下，襯砌將出現(xiàn)新的裂縫，或原有裂縫縫寬擴(kuò)大，襯砌的滲透系數(shù)將顯著加大，此時(shí)外水壓力接近內(nèi)水壓力。

3.3 數(shù)學(xué)模型

對(duì)隧洞襯砌和圍巖進(jìn)行滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析來(lái)代替常規(guī)的應(yīng)力單場(chǎng)計(jì)算，裂隙巖體彈性損傷本構(gòu)方程為：

式 中 ：C0為 無(wú) 損 巖 體 的 柔 度 張 量 ；Cd為 裂 隙 損 傷 引 起 的

ijklijkl

柔度張 量 ；Cwijkl為 裂 隙 水 滲透 壓 力 引 起的 柔 度 張 量；σkl為 應(yīng)力張量 ；Coij-kld

-w為耦合柔度張量。穩(wěn)定狀態(tài)下的滲流力學(xué)模型為：

式中：H 為滲流場(chǎng)中任一點(diǎn)的 z 水頭；Kxx，Kyy，Kzz分別為各方向滲透系數(shù)；Q為源項(xiàng)。

4 結(jié)論及展望

淺埋壓力隧洞巖石最小覆蓋厚度分析，歸結(jié)為隧洞襯砌及周邊圍巖的應(yīng)力——滲流分析。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)隧洞圍巖的滲流分析，因解析解答極為困難，建議采用滲流——應(yīng)力耦合有限元數(shù)值計(jì)算。通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合有限元分析，采用上述原則及方法，模擬內(nèi)水外滲后滲流場(chǎng)變化，分析滲流體積力，以增量滲流荷載分析隧洞圍巖應(yīng)力，采用 Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。微細(xì)裂隙巖體按照等效連續(xù)介質(zhì)模型處理，巖體裂隙及襯砌裂縫寬度隨滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)相互變化的影響，應(yīng)用立方定理將微裂縫的寬度轉(zhuǎn)換為滲透系數(shù)來(lái)考慮。

采用國(guó)內(nèi)外學(xué)者在均勻各向彈性介質(zhì)和徑向滲透假設(shè)下，引入的有效應(yīng)力原理分析圍巖、水壓力分布，采用正交各項(xiàng)異性巖體有效應(yīng)力定律，分析巖體的穩(wěn)定。判斷圍巖強(qiáng)度及內(nèi)水外滲的不利影響，確定隧洞巖石最小覆蓋厚度，這是目前隧洞研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。

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