兩種防排水模式對富水隧道襯砌水壓力影響分析

尚明源， 張志強(qiáng)， 代超龍

(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)

[定稿日期]2017-09-07

在富水地層中修建隧道一直是難點(diǎn)工程。在隧道施工過程中，一方面由于地下水的對圍巖的軟化作用，降低了圍巖物理力學(xué)參數(shù)；另一方面隧道施工中，對圍巖應(yīng)力場和地下水滲流場都有很大的擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力場的改變將導(dǎo)致圍巖體應(yīng)變的發(fā)生，從而引起孔隙水壓力的變化，反過來孔隙水壓力的變化也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力場的變化，滲流場與應(yīng)力場耦合作用的結(jié)果會(huì)加劇地層變形。富水地區(qū)，隧道的施工和運(yùn)營階段均面臨眾多“涉水”問題，如施工階段突水涌水、運(yùn)營階段襯砌滲漏水侵蝕等，建立行之有效的防排水體系成為工程建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。

隧道處理地下水以“防、排、截、堵，因地制宜，綜合治理，以排為主”為原則，即采取排水措施，將滲入洞室內(nèi)的地下水悉數(shù)排出，從而達(dá)到降低襯砌外水壓、減小襯砌厚度、節(jié)省投資的目的。

本文以四川省雅安市大相嶺隧道為背景，研究全排放與全封堵兩種防排水體系對初期支護(hù)、二次襯砌的影響，探明不同防排水體系下的支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面的關(guān)鍵控制點(diǎn)，并對兩種防排水體系進(jìn)行評價(jià)，為富水軟巖隧道的施工提供指導(dǎo)意見。

1 隧道施工過程滲流場數(shù)值分析

1.1 工程概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經(jīng)縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(qū)，左線長9 946m，進(jìn)口高程約為1 526.54m，出口高程為1 540.41m；右線長10 007m，進(jìn)口高程為1 525.88m，出口高程為1 540.21m。隧道穿越段最大埋深約1 660m，屬于深埋特長越嶺公路隧道，其交通布置如圖1所示。隧道修建過程中巖體破碎、涌水現(xiàn)象嚴(yán)重，在修建過程中洞壁發(fā)生坍方，期間基本處于停滯狀態(tài)，掌子面涌水較大。

圖1 大相嶺隧道位置

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

隧道工程概況如前所述，圍巖、初期支護(hù)和襯砌計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算整體模型如圖2所示。

通過使用等效巖體水力學(xué)參數(shù)將其概化為等效連續(xù)介質(zhì)模型，對隧道周圍滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算模型選取兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為50m，底部邊界至隧道距離約為30m，上部取離拱頂60m，縱向120m。初支、加固圈和圍巖緊密接觸，聯(lián)合作用。有限元分析計(jì)算模型共有1 858個(gè)4節(jié)點(diǎn)四邊形單元，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)1 956個(gè)。

圍巖E/GPa1．2泊松比ν0．35φ/°39．0c/MPa0．9重度/(kN·m-3)2000滲透系數(shù)/(m·d-1)0．008初期支護(hù)E/GPa3．4泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2200滲透系數(shù)/(m·d-1)5．63×10-5厚度/cm25二次襯砌E/GPa29．8泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2500滲透系數(shù)/(m·d-1)2．61×10-9厚度/cm50

1.3 模擬工況

由于季節(jié)性降雨和山體內(nèi)部水系分布的影響，本文取大相嶺隧道的最高水位60m，重點(diǎn)分析在固定的水位、不同排放方式對初期支護(hù)、二次襯砌背后水荷載的作用形式和大小。具體數(shù)值模擬工況為全封堵和全排兩種排放方式。

該隧道采用三臺(tái)階開挖工法，臺(tái)階長度3m，高度約2m，初期支護(hù)滯后掌子面3m，二次襯砌滯后初期支護(hù)15.0m(圖3)。

圖3 開挖步驟示意

1.4 滲流力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析

1.4.1 初期支護(hù)背后水壓力分布規(guī)律

為了研究支護(hù)孔隙水壓力分布情況，提取初期支護(hù)背后孔隙水壓力云圖(圖4)。

(a) 全封堵

(b) 全排放圖4 施工完成后初期支護(hù)外水壓力

從圖4可以看出：施工期間距離掌子面越近，襯砌背后孔隙水壓力越小，越遠(yuǎn)則相反，且距離掌子面較遠(yuǎn)處，襯砌結(jié)構(gòu)背后水壓力云圖等值線接近水平，近似收斂。不同排水邊界時(shí)，襯砌背后的水壓力值有所不同，如在全封堵排水邊界時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)背后最大孔隙水壓力為24.99m水頭；全排水邊界相應(yīng)的最大值為22.79m水頭，并且支護(hù)控制關(guān)鍵點(diǎn)(墻腳)水位大幅度降低，結(jié)構(gòu)的安全性提高很多。

初期支護(hù)水壓力沿縱向分布曲線中的橫坐標(biāo)為初期支護(hù)到最前端的距離，拱頂孔隙水壓力沿隧道縱向變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 初期支護(hù)拱頂水壓力沿縱向分布曲線

圖6 初期支護(hù)墻角水壓力沿縱向分布曲線

圖7 初期支護(hù)仰拱水壓力沿縱向分布曲線

無論何種排水邊界以及目標(biāo)點(diǎn)位置為襯砌背后的何處，襯砌背后目標(biāo)點(diǎn)的孔隙水壓力均在其所在斷面被開挖后而迅速降低，并且后續(xù)開挖步的進(jìn)行會(huì)使其孔隙水壓力逐漸回升，直至收斂。

兩種排水方式對初期支護(hù)(未施加二襯)段背后水壓力有所影響，但是差別不大，全封堵時(shí)在0～29kPa之間，全排放時(shí)在0～27kPa之間。目標(biāo)點(diǎn)水壓曲線在沿縱向15m(二襯最前端)開始突然增大，主要原因是二次襯砌起到“堵水”作用，“阻止”水自由流出，從而增大了初支外水壓力。

結(jié)合圖5～圖7和表2，可以看出：不同排水邊界的條件下，襯砌背后目標(biāo)點(diǎn)孔隙水壓力均有明顯差別(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置為墻腳和仰拱位置。而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，墻腳往往是整個(gè)斷面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，此處水壓降低53.70 %，可見排水方案可以大幅度提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。

1.4.2 二次襯砌背后水壓力分布規(guī)律

為了便于分析不同排水設(shè)施對襯砌背后不同位置孔隙水壓力分布規(guī)律的影響，在襯砌結(jié)構(gòu)背后設(shè)置孔隙水壓力目標(biāo)點(diǎn)，各目標(biāo)點(diǎn)沿縱向襯砌外水壓力曲線如圖8～圖10所示。

二次襯砌目標(biāo)點(diǎn)水壓力沿縱向分布曲線分布規(guī)律與初期支護(hù)類似。隨著距離襯砌最前端距離的增大，水壓越高；影響范圍大約為20m左右，即20m時(shí)水頭分布極不穩(wěn)定。

但是，兩種排水方式對二次襯砌背后水壓力非常明顯，結(jié)合二次襯砌目標(biāo)點(diǎn)水壓力沿縱向分布曲線圖與表可以看出：不同排水邊界的條件下，襯砌背后目標(biāo)點(diǎn)孔隙水壓力均有明顯差別，其中降低幅度最大的位置為拱腰、墻腳和仰拱位置，而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，這些關(guān)鍵部位往往是整個(gè)斷面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，可見排水方案可以大幅度提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性(圖11、圖12、表3)。

表2 初期支護(hù)目標(biāo)面不同位置外水壓力

圖8 二次襯砌拱頂水壓力沿縱向分布曲線

圖9 二次襯砌邊墻水壓力沿縱向分布曲線

圖10 二次襯砌仰拱水壓力沿縱向分布曲線

襯砌兩側(cè)墻腳處設(shè)置排水路徑時(shí)，以增加相對較小的排水量，降低支護(hù)外水壓力效果明顯。結(jié)合隧道運(yùn)營使用方便要求，兩側(cè)墻腳設(shè)置排水孔易于與隧道底部排水溝銜接，是相對最好的襯砌排水位置。綜上所述，當(dāng)排水系統(tǒng)完全堵死時(shí)，襯砌為完全透水，在墻腳處設(shè)置排水孔方案是比較合理的。因?yàn)閷τ谒畨核淼?，失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵部位在墻腳處，此處設(shè)排水孔可以有效地降低墻腳處的水荷載具有重要的意義。

2 結(jié)論

(1)針對抗水壓襯砌，通過水壓力對結(jié)構(gòu)影響的敏感性分析可知：考慮全水頭時(shí)，結(jié)構(gòu)受力最大部位在仰拱和邊墻腳處；不考慮水壓力時(shí)彎矩較大部位在結(jié)構(gòu)拱部，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取不利工況的最大值作為配筋依據(jù)。抵抗水壓力，仰拱的結(jié)構(gòu)厚度比結(jié)構(gòu)拱部的厚度大，且仰拱的配筋增加較多。

(2)隧道的開挖引起洞周孔隙水壓力急劇降低，從而造成洞周附近滲流場發(fā)生了改變，洞周流體有向洞內(nèi)流動(dòng)的趨勢。隨著支護(hù)和開挖的繼續(xù)向前進(jìn)行，之前襯砌背后孔隙水壓力會(huì)由于支護(hù)的施設(shè)而逐漸恢復(fù)。掌子面前后范圍內(nèi)，滲流場變化明顯，前方影響距離大約50m，襯砌段大約30m基本穩(wěn)定。

表3 二次襯砌目標(biāo)面不同位置外水壓力

(a)全封堵

(b)全排放

(a)無水壓襯砌彎矩

(b)抗水壓襯砌彎矩

(3)全封堵和全排方式隧道區(qū)周圍滲流場分布規(guī)律有所差別，全封堵時(shí)隧道周邊圍巖滲流場降低相對較小，主要水頭差由隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，因此不利于施工和運(yùn)營安全。而全排方式下最大周邊滲流場梯度降低較多，水頭差主要由圍巖來承擔(dān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)相對安全。二襯滯后掌子面12m，已襯砌區(qū)段只有前8m左右水壓有一定變化，襯砌段8m范圍后水壓穩(wěn)定。

(4)封堵方式和全排方式下，襯砌背后目標(biāo)點(diǎn)孔隙水壓力均有明顯差別(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置為墻腳和仰拱位置。而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，墻腳往往是整個(gè)斷面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，此處水壓降低53.70 %，可見排水方案可以大幅度提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。

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