富水隧道基于溫度比擬法的合理注漿參數(shù)研究

邱月，何聰，鄒育麟，何 川

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031；3.四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

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富水隧道基于溫度比擬法的合理注漿參數(shù)研究

邱月1，何聰2，鄒育麟3，何 川1

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031；3.四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

摘要:以南大梁(南充-大竹-梁平)高速華鎣山隧道為工程背景，針對(duì)其在斷層富水區(qū)段使用的“以堵為主，限量排放”的防排水原則，采用溫度比擬法對(duì)不同注漿參數(shù)下襯砌的外水壓力、內(nèi)力、安全系數(shù)以及隧道排水量進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：注漿圈在一定施作范圍內(nèi)可有效降低隧道洞內(nèi)排水量、襯砌結(jié)構(gòu)外水壓及其內(nèi)力，從而增大襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，提高其安全儲(chǔ)備能力，但總體而言，注漿參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理的范圍。據(jù)此，以隧道設(shè)計(jì)排水量和二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合隧區(qū)生態(tài)環(huán)境等要求，提出華鎣山隧道注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)建議值。

關(guān)鍵詞：富水區(qū)；隧道工程；溫度比擬法；注漿參數(shù)；襯砌外水壓力

隨著隧道建設(shè)技術(shù)的逐步發(fā)展，高速公路網(wǎng)絡(luò)不斷向山區(qū)延伸，穿越高壓富水地區(qū)的高速公路隧道也逐漸增多。而高壓富水地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層破碎帶、巖溶、局部高水壓等不良地質(zhì)狀況十分常見，為了應(yīng)對(duì)隧道建設(shè)過程中的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保等一系列的問題，“以堵為主，限量排放”即“堵水限排”的設(shè)計(jì)理念廣泛采用[1-2]。渝懷鐵路圓梁山隧道和歌樂山隧道以及宜萬鐵路重點(diǎn)隧道等工程在穿越高壓富水區(qū)時(shí)均采用這種設(shè)計(jì)。采用“堵水限排”時(shí)，地下水荷載成為襯砌結(jié)構(gòu)的主要荷載，如何確定襯砌水壓成為隧道在設(shè)計(jì)和施工時(shí)無法回避的問題[3-4]。目前，襯砌外水壓力的計(jì)算方法主要有折減系數(shù)法、理論解析法以及數(shù)值分析方法等。對(duì)于復(fù)雜的滲流場計(jì)算，通常根據(jù)實(shí)際工程建立數(shù)值模型，采用考慮流固耦合的有限差分法或有限元法進(jìn)行計(jì)算[5]。但是，如果計(jì)算模型復(fù)雜，單元數(shù)目龐大的情況下，采用流固耦合計(jì)算襯砌水壓時(shí)間變長，實(shí)用性不高。溫度比擬法是利用ANSYS中的熱分析模塊，不考慮流固耦合效應(yīng)情況下，采用溫度場比擬滲流場實(shí)現(xiàn)襯砌水壓的快速計(jì)算[6]。在“堵水限排”結(jié)構(gòu)體系中，注漿圈作為防止地下水進(jìn)入隧道內(nèi)部的第一道防線，是控制地下水排放的主要手段。目前，國內(nèi)外注漿參數(shù)設(shè)計(jì)仍以經(jīng)驗(yàn)為主[7]，注漿參數(shù)設(shè)計(jì)理論有待進(jìn)一步的發(fā)展。張成平等[8]提出根據(jù)排水量和襯砌水壓的相互影響關(guān)系來確定合理注漿參數(shù)；劉招偉等[9]在對(duì)充填物結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿參數(shù)設(shè)計(jì)。本文依托南大梁(南充-大竹-梁平)高速華鎣山隧道，針對(duì)其“堵水限排”體系，以快速高效獲取襯砌水壓為目標(biāo)，采用溫度比擬法，研究斷層富水區(qū)段襯砌的外水壓力、內(nèi)力、安全系數(shù)以及隧道排水量隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律，并給出注漿設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值，為本工程合理注漿參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

1工程概況

華鎣山隧道是南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路重點(diǎn)控制性工程，隧道全長8 168 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。隧道按雙向4車道分離式雙洞布置，凈寬11 m，凈高8.68 m，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見圖1。隧道穿越華鎣山背斜和區(qū)域F1斷層(圖2)，不良地質(zhì)和特殊巖土包括斷層破碎帶、巖溶、采空區(qū)、煤層瓦斯、石膏及鹽溶角礫巖等。隧道通過水平循環(huán)帶，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，施工中存在突水和突泥的風(fēng)險(xiǎn)，局部地段存在軟巖變形破壞的可能。

圖1　華鎣山隧道內(nèi)輪廓圖Fig.1 Internal contour of Huayingshan tunnel

2計(jì)算方法的確定

2.1溫度比擬法原理

采用溫度比擬法進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)水壓計(jì)算，該法是基于ANSYS中溫度場與滲流場的高度相似性，在明確了兩場中對(duì)應(yīng)替換的參量之后進(jìn)行的等效計(jì)算。滲流場與溫度場在基礎(chǔ)理論、初始條件、微分控制方程以及2類邊界條件上有著高度的相似性[10]，其相關(guān)公式的對(duì)照見表1。如果把對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行替換，滲流場和溫度場則可以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，即滲流計(jì)算可以用溫度比擬法替代完成。計(jì)算時(shí)各公式具體參量間的替換見表2。

采用溫度比擬法進(jìn)行滲流場計(jì)算分析時(shí)，需對(duì)計(jì)算做以下假設(shè)：

1)假設(shè)隧道圍巖為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性介質(zhì)，不考慮地層構(gòu)造應(yīng)力；

2)滲流屬于恒定流且滿足達(dá)西定律；

3)地下水位恒定，不因隧道開挖排水、排水管排水而改變。

2.2計(jì)算模型

計(jì)算模型由隧道中心點(diǎn)向兩側(cè)及上下表面各取約5倍洞徑寬度，為50 m(圖3)?？v向建立3環(huán)環(huán)向排水管，相鄰兩環(huán)構(gòu)成一個(gè)排水區(qū)間，地下水通過環(huán)向和縱向排水盲管以及中央排水溝進(jìn)行排導(dǎo)(圖4)。選取solid70單元模擬圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌、注漿層、中央排水溝、透水層、防水板等。由于隧道斷層富水區(qū)的圍巖并不滿足“均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性”的計(jì)算假設(shè)，因此，根據(jù)地質(zhì)勘測資料及相關(guān)文獻(xiàn)，取圍巖的綜合滲透系數(shù)，將破碎巖體等效為滲透系數(shù)較大的均質(zhì)巖體，以滿足計(jì)算假設(shè)[11-14]，圍巖及結(jié)構(gòu)物的滲透系數(shù)取值見表3。

采用溫度比擬法求得襯砌外水壓力并將其施加在二次襯砌表面，利用荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全系數(shù)，荷載結(jié)構(gòu)模型及荷載組合如圖5所示。襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行模擬，并通過單向受壓土彈簧進(jìn)行約束。土壓荷載按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]規(guī)定選取。

表2　滲流場與溫度場參量替換表

3結(jié)算結(jié)果分析

3.1注漿參數(shù)對(duì)隧道排水量的影響

由圖6可得如下結(jié)論：

1)注漿材料滲透系數(shù)相同時(shí)，注漿圈厚度越大，排水量越?。蛔{圈厚度相同時(shí)，注漿材料滲透系數(shù)越小，排水量越小。表明增強(qiáng)注漿參數(shù)能夠有效降低隧道排水量。

圖3　模型整體示意Fig.3 Whole model diagram

圖4　防排水系統(tǒng)示意圖Fig.4 Waterproofing and drainage system

圖5　荷載結(jié)構(gòu)模型及荷載組合Fig.5 Load-structure model and load combination

圍巖初襯二砌防水板透水墊層排水管滲透系數(shù)/(cm·s-1)2×10-41×10-51×10-64×10-94×10-44

圖6　隧道排水量隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.6 Change law between discharge and grouting parameter

2)當(dāng)h≥5 m或n≥50時(shí)，繼續(xù)增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數(shù)，隧道排水量的降低不再明顯?？梢?，注漿參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的范圍，并不是注漿材料的滲透系數(shù)越低、注漿圈的厚度越大，對(duì)排水量的控制效果越好。

3.2注漿參數(shù)對(duì)襯砌水壓的影響

在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計(jì)算h=1～10 m，n=10～100時(shí)襯砌的外水壓力。由于各工況下襯砌水壓的分布規(guī)律基本一致，本文僅給出h=5 m且n=50時(shí)的襯砌水壓分布(圖7)。拱頂和仰拱水壓隨注漿圈厚度與注漿材料滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖8～9。

單位：m圖7　h=5 m且n=50時(shí)襯砌外水壓分布圖Fig.7 Water pressure of lining under h=50 m and n=50

圖8　拱頂水壓隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.8 Change law between vault’s water pressure and grouting parameter

圖9　仰拱水壓隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.9 Change law between invert’s water pressure and grouting parameter

由圖7～9可得如下結(jié)論：

1)拱部水壓沿縱向周期性分布，在排水節(jié)間中部最大，在環(huán)向排水管處最小，故選取排水節(jié)間中部斷面作為襯砌內(nèi)力及安全系數(shù)的計(jì)算斷面。

2)注漿材料滲透系數(shù)相同時(shí)，注漿圈厚度越大，襯砌結(jié)構(gòu)水壓越??；注漿圈厚度相同時(shí)，注漿材料滲透系數(shù)越小，襯砌結(jié)構(gòu)水壓越小。表明注漿圈的施作能夠阻擋地下水向隧道內(nèi)部匯集，使襯砌外水壓力大幅減小。

3)當(dāng)h≥5 m或n≥50時(shí)，繼續(xù)增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數(shù)，拱頂和仰拱水頭值的減小不再明顯?？梢姡{參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的范圍，并不是注漿材料的滲透系數(shù)越低、注漿圈的厚度越大，對(duì)襯砌水壓的折減效果越好。

3.3注漿參數(shù)對(duì)襯砌內(nèi)力的影響

二次襯砌的邊墻和仰拱間采用小半徑隅角過渡，其拱腳容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計(jì)算h=1～10 m，n=10～100時(shí)襯砌的軸力和彎矩分布。h=5 m且n=50時(shí)的襯砌軸力和彎矩分布見圖10。襯砌的最大軸力和最大彎矩隨注漿圈厚度與注漿材料滲透系數(shù)的變化規(guī)律如圖11～12。

(a)軸力分布(單位：N)；(b)彎矩分布(單位：N·m)圖10　h=5 m且n=50時(shí)襯砌內(nèi)力分布圖Fig.10 Internal force of the lining under h=50 m and n=50

圖11　最大軸力隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.11 Change law between maximum axial force and grouting parameter

圖12　最大彎矩隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.12 Change law between maximum bending moment and grouting parameter

由圖10～12可得如下結(jié)論：

1)襯砌的軸力在拱頂處最小，在拱腳處最大；彎矩也在拱腳處最大。

2)注漿材料滲透系數(shù)相同時(shí)，注漿圈厚度越大，襯砌的最大軸力和彎矩越??；注漿圈厚度相同時(shí)，注漿材料滲透系數(shù)越小，襯砌的最大軸力和彎矩也越小。表明施作注漿圈可使襯砌的內(nèi)力分布更均勻，有利于結(jié)構(gòu)受力。

3)當(dāng)h≥5 m或n≥50時(shí)，繼續(xù)增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數(shù)，最大軸力和彎矩的減小不再明顯?？梢?，注漿參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的范圍，并不是注漿材料的滲透系數(shù)越低、注漿圈的厚度越大，對(duì)襯砌內(nèi)力的減小效果越好。

3.4注漿參數(shù)對(duì)襯砌安全系數(shù)的影響

安全系數(shù)是結(jié)構(gòu)安全性能的直觀體現(xiàn)，在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計(jì)算h=1～10 m，n=10～100時(shí)襯砌的安全系數(shù)。h=5 m且n=50時(shí)襯砌的安全系數(shù)分布見圖13。襯砌安全系數(shù)最小值隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律見圖14。

由圖13～14可得如下結(jié)論：

1)襯砌的安全系數(shù)在拱腳處最小，為橫截面上控制部位。

圖13　h=5 m且n=50時(shí)襯砌安全系數(shù)分布圖Fig.13 Safety factor of lining under h=50 m and n=50

圖14　安全系數(shù)隨注漿參數(shù)的變化規(guī)律Fig.14 Change law between safety factor and grouting parameter

2)注漿材料滲透系數(shù)相同時(shí)，注漿圈厚度越大，襯砌的安全系數(shù)越大；注漿圈厚度相同時(shí)，注漿材料滲透系數(shù)越小，襯砌的安全系數(shù)也越大。表明施作注漿圈可使襯砌的安全儲(chǔ)備提高，滿足規(guī)范的要求。

3)當(dāng)h≥5 m或n≥50時(shí)，繼續(xù)增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數(shù)，安全系數(shù)的增大不再明顯?？梢?，注漿參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的范圍，并不是注漿材料的滲透系數(shù)越低、注漿圈的厚度越大，對(duì)安全系數(shù)的提高越大。

4合理注漿參數(shù)的確定

由前述分析可知，注漿參數(shù)h與n共同決定了隧道排水量和襯砌的外水壓力、內(nèi)力以及安全系數(shù)，且存在一個(gè)相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的范圍。在隧道建設(shè)過程中，為了有效地保護(hù)地下水和生態(tài)環(huán)境，需要確定地下水排放標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)計(jì)排水量。在滿足設(shè)計(jì)排水量的同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的安全性能需要達(dá)到規(guī)范的要求。因此，本文通過隧道設(shè)計(jì)排水量和襯砌結(jié)構(gòu)安全性兩方面綜合考慮進(jìn)行合理注漿參數(shù)的確定。

鑒于目前的注漿技術(shù)水平，注漿圈滲透系數(shù)降低為注漿前圍巖滲透系數(shù)的1/20～1/50是比較可行和經(jīng)濟(jì)的[15]。因此，綜合以上兩點(diǎn)要求，建議華鎣山斷層富水區(qū)的注漿參數(shù)選取注漿圈厚度h=4 m，注漿材料滲透性能n=50，即注漿圈滲透系數(shù)kg=4×10-6cm/s，為圍巖滲透系數(shù)的1/50，其確定步驟如圖15所示。該注漿參數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，可通過帷幕注漿的方式實(shí)現(xiàn)。

圖15　合理注漿參數(shù)確定步驟Fig.15 Program of determining appropriate parameters of grouting circle

5結(jié)論

1)基于有限元計(jì)算軟件ANSYS中溫度場和滲流場在基礎(chǔ)理論、微分控制方程、初始條件和邊界條件等四方面的相似性，明確了溫度場和滲流場進(jìn)行置換的相應(yīng)參量，為ANSYS溫度比擬法計(jì)算滲流問題的可行性提供了理論依據(jù)。

2)由于排水系統(tǒng)的影響，二次襯砌水壓在縱向呈現(xiàn)周期性分布，隧道縱向最大水壓出現(xiàn)在兩環(huán)向排水管中部，最小水壓出現(xiàn)在環(huán)向排水管處。

3)施作注漿圈可以降低隧道排水量、襯砌水壓與內(nèi)力，增大襯砌安全系數(shù)，提高結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。然而，其值的變化不隨注漿圈厚度和注漿材料滲透系數(shù)的改變線性變化，注漿參數(shù)存在一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理的范圍。

4)本工程的合理注漿參數(shù)選取是以隧道設(shè)計(jì)排水量和二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性為判斷標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合華鎣山隧道現(xiàn)場資料，建議其注漿參數(shù)取值為：隧道斷層富水區(qū)拱頂靜水壓力H=40 m地段，注漿圈厚度為4 m，注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/50，即4×10-6cm/s。

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Study on the appropriate parameters of grouting circle for tunnel base on temperature analogy method in water-enriched regionQIU Yue1, HE Cong2, ZOU Yulin3，HE Chuan1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China；3. Sichuan Railway Investment Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

Abstract：This paper is based on huayingshan tunnel in Nandaliang highway, which connects Nanchong and Dazhu and Liangping. In view of the controlled drainage system in water-enriched fault region, temperature analogy method was adopted to discuss discharge, internal force and safety factor of tunnel lining under different grouting parameters. The results show that grouting circle can reduce discharge and internal force effectively, at the same time increase safety factor of lining. However, there exists a reasonable and economic range of grouting parameters. Taking designed discharge and structure safety as judgment criterion, reasonable grouting parameter for recommendation of Huayingshan tunnel through proposed on the basis of the field data.

Key words：water-enriched region; tunnel engineering; temperature analogy method; grouting parameter; water pressure of lining

中圖分類號(hào)：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0723-07

通訊作者：邱月(1990-)，女，四川成都人，博士研究生，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)理論研究工作；E-mail：849362131@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1361210)；國家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAB10B04)；四川省交通科技項(xiàng)目(110109066)

收稿日期：2015-07-29