復(fù)雜巖溶地區(qū)引水隧洞襯砌外水壓力研究

肖欣宏，王 靜，謝小帥，陳華松，周家文

(1. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065; 2. 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650021)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，水利交通行業(yè)地下工程常穿越西南復(fù)雜巖溶水地區(qū)。在巖溶富水高壓地層修建的隧洞工程除面臨圍巖壓力之外，洞室開挖后襯砌承受的高外水壓力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)注的重點(diǎn)。若設(shè)計(jì)不當(dāng)常會(huì)導(dǎo)致隧洞發(fā)生突涌水災(zāi)害，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，例如錦屏二級(jí)水電站探洞施工曾發(fā)生3次特大規(guī)模高壓突涌水，大瑤山隧道施工過程中因高外水壓力導(dǎo)致襯砌破壞[1-2]。因此合理確定襯砌外水壓力已成為巖溶富水地區(qū)隧洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

目前隧洞襯砌外水壓力的計(jì)算還沒有統(tǒng)一的方法，常參照水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范采用折減系數(shù)的方法對(duì)實(shí)測(cè)隧洞區(qū)域地下水位進(jìn)行相應(yīng)折減以作為隧洞襯砌外水壓力[3-5]。但該方法存在諸多弊端，如洞室開挖前無法準(zhǔn)確獲得地下水活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而選擇合適的折減系數(shù)；折減系數(shù)取值區(qū)間較大造成取值誤差較大；該方法沒有考慮隧洞防排水措施對(duì)襯砌外水壓力的影響[6]。針對(duì)隧洞襯砌外水壓力計(jì)算中的問題，國內(nèi)外學(xué)者采取不同方法進(jìn)行了一系列研究。謝興華等[7]采用三維擬連續(xù)介質(zhì)滲流理論，通過數(shù)值計(jì)算確定了圍巖襯砌上的外水壓力場(chǎng)。劉立鵬等[8]推導(dǎo)了地下隧道滲水量和復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力折減系數(shù)理論求解公式，揭示了注漿圈、初期支護(hù)、二次襯砌滲透系數(shù)及厚度等參數(shù)的變化對(duì)隧道滲水量和襯砌外水壓力折減系數(shù)的影響規(guī)律。鄭波等[9]提出了復(fù)合式襯砌等效滲透系數(shù)的概念和確定方法，并利用整體式襯砌結(jié)構(gòu)的水壓力計(jì)算方法估算襯砌水壓力。張成平等[10]通過理論計(jì)算和分析，得到了注漿圈參數(shù)變化對(duì)隧道涌水量和襯砌外水壓力的影響規(guī)律，分析了隧道排水率與襯砌外水壓力之間的關(guān)系。李鵬飛等[11]采用理論分析和數(shù)值模擬方法揭示初期支護(hù)、二次襯砌及注漿加固圈等參數(shù)的變化對(duì)海底隧道滲水量和襯砌外水壓力的影響規(guī)律。Arjnoi P等[12]利用數(shù)值模擬研究了不同排水工況下隧道圍巖及襯砌的孔隙水壓力與內(nèi)力的分布規(guī)律。

上述研究多采用理論分析或數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道襯砌外水壓力進(jìn)行分析，但針對(duì)我國西南地區(qū)復(fù)雜巖溶環(huán)境，引水隧洞襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)的研究比較匱乏。襯砌外水壓力研究的主要目的在于確定合適的滲控方案以保證隧洞施工安全，以往研究重點(diǎn)多是通過分析各因素對(duì)襯砌外水壓力的影響規(guī)律來確定合適的襯砌及注漿圈參數(shù)，并沒有驗(yàn)證該滲控方案下襯砌外水壓力滿足要求的同時(shí)隧洞周邊生態(tài)環(huán)境是否受到較大影響。隧洞全范圍孔壓等值線圖的變化可以直觀顯示洞室開挖對(duì)山體滲流場(chǎng)的影響，以此來反映隧洞開挖對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響程度。本文以滇中引水工程穿越復(fù)雜巖溶地段的大理Ⅱ段引水隧洞為例，采用ABAQUS有限元軟件研究襯砌外水壓力影響因素的同時(shí)，分析不同因素下隧洞滲流場(chǎng)變化規(guī)律，綜合分析兩種標(biāo)準(zhǔn)以確定適應(yīng)于西南復(fù)雜巖溶地區(qū)的堵排水措施，使襯砌外水壓力滿足要求的同時(shí)，不對(duì)隧洞周邊生態(tài)環(huán)境造成較大負(fù)面影響。

1 工程概況及計(jì)算模型

1.1 工程概況

滇中引水工程從金沙江虎跳峽以上河段引水，以解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該工程由水源工程和輸水工程兩部分組成，輸水總干渠全長661.07 km，全線劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段。其中大理Ⅱ段全長102.74 km，沿線建筑物包括隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸等形式，其中隧洞總長91.186 km，占本段線路全長的88.75%。大理Ⅱ段推薦線路中的海東、獅子山和磨盤山3條隧洞穿越6個(gè)巖溶水系統(tǒng)，3條隧洞穿越的可溶巖洞段合計(jì)長14.01 km，占本段線路總長的13.64%。隧洞穿越復(fù)雜巖溶水地區(qū)存在一定程度的施工涌水、水環(huán)境疏干等巖溶災(zāi)害問題。初步統(tǒng)計(jì)，大理Ⅱ段可能產(chǎn)生0.1 m3/s以上大量突水突泥段長12.974 km，約占隧洞全長的14.23%，最大涌突水量達(dá)1.3 m3/s。因此，針對(duì)大理Ⅱ段復(fù)雜巖溶水地區(qū)，研究其地下水滲流場(chǎng)及襯砌外水壓力分布規(guī)律，以確定合適的堵排水措施對(duì)保證圍巖穩(wěn)定性和隧洞安全具有重要意義。

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算選擇大理Ⅱ段海東隧洞某典型斷面，斷面縱剖面見圖1，巖石主要為裂隙性溶蝕風(fēng)化帶下白云質(zhì)灰?guī)r夾雜溶蝕破碎帶?；?guī)r透水性較強(qiáng)，溶蝕破碎帶溶隙較發(fā)育，斷面埋深323 m，地下水位距洞室頂板高程135 m，斷面形式為馬蹄形，參數(shù)見圖2。

本次研究基于滲流應(yīng)力耦合理論，選取ABAQUS有限元軟件建立各向同性滲流介質(zhì)模型，裂隙圍巖可將其簡(jiǎn)化為等效連續(xù)多孔介質(zhì)。建模時(shí)考慮隧道開挖半徑的影響范圍及隧洞地下水位高度，模型計(jì)算范圍取為10倍開挖洞徑[10]，洞室中心位于模型中心，模型網(wǎng)格劃分見圖3。

圖1 隧洞計(jì)算斷面縱剖面Fig.1 Longitudinal profile of tunnel calculation section

圖2 隧洞斷面尺寸(單位：mm)Fig.2 Cross-section dimensions map of tunnel (unit: mm)

圖3 有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite grid model

模型左右邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎向位移約束；模型上表面施加7.7 MPa的均勻壓應(yīng)力模擬上部巖體的壓力，同時(shí)受到側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力作用，側(cè)向系數(shù)為1.2；模型上下邊界分別施加地下水作用水頭，其中上表面初始水頭為87.03 m，下表面初始水頭為193.63 m，左右兩側(cè)為不透水邊界；隧洞襯砌內(nèi)表面為滲流邊界，水壓力設(shè)為0。通過查閱相關(guān)資料，數(shù)值計(jì)算時(shí)各材料力學(xué)參數(shù)取值見表1所示，圍巖按Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則考慮。

表1 材料力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Material mechanics parameters

圖4 襯砌外水壓力與襯砌滲透性關(guān)系Fig.4 Relationship between external water pressure of lining and permeability of lining

2 襯砌參數(shù)對(duì)襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)影響

巖溶發(fā)育地區(qū)深埋高水頭隧洞襯砌往往承受較高的外水壓力，對(duì)洞室圍巖及襯砌安全帶來嚴(yán)重威脅。參考滇中引水工程大理Ⅱ段地質(zhì)勘察資料，選取典型斷面圍巖滲透系數(shù)kr為1.16×10-5m/s，屬于中等透水性圍巖，襯砌厚度取0.6 m，分別研究襯砌滲透系數(shù)k1為1×10-10～1×10-5m/s時(shí)，隧洞襯砌外水壓力變化規(guī)律。選擇襯砌外表面拱頂、拱腰以及底板中點(diǎn)作為特征點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)襯砌外水壓力繪制關(guān)系曲線如圖4所示。

圖5 不同襯砌滲透系數(shù)隧洞滲透水壓等值線Fig.5 Contour of tunnel pore water pressure with different lining permeability coefficients

從圖4可見，不同特征點(diǎn)襯砌外水壓力隨襯砌滲透系數(shù)變化規(guī)律一致，隨著襯砌滲透系數(shù)的增大，襯砌外水壓力逐漸減小。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)取為1×10-10m/s，襯砌透水性極小，襯砌拱頂外水壓力為1.350 MPa，等于該點(diǎn)的靜水壓力。襯砌某點(diǎn)的外水壓力與該點(diǎn)靜水壓力之比稱為外水壓力折減系數(shù)，則該點(diǎn)外水壓力折減系數(shù)為1，故可認(rèn)為襯砌全封堵時(shí)，外水壓力等效于該點(diǎn)的靜水壓力而不能折減。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)k1大于1×10-8m/s時(shí)，襯砌外水壓力開始顯著降低；當(dāng)k1為1×10-7m/s時(shí)，襯砌拱頂外水壓力為1.153 MPa，相較于不排水襯砌減小了14.6%，此時(shí)外水壓力折減系數(shù)為0.854；當(dāng)k1為1×10-6m/s時(shí)，襯砌拱頂外水壓力為0.489 MPa，相較于不排水襯砌減小了63.8%，外水壓力折減系數(shù)為0.362；當(dāng)k1為1×10-5m/s時(shí)，襯砌拱頂外水壓力為0.057 MPa，減小了95.8%，外水壓力折減系數(shù)僅為0.04。因此，增大襯砌滲透系數(shù)是減小襯砌外水壓力的有效手段。

洞室圍巖全范圍滲透水壓等值線圖可以直觀顯示洞室開挖對(duì)山體滲流場(chǎng)的影響，圖5為襯砌滲透系數(shù)為1×10-10，1×10-8，1×10-7以及1×10-6m/s時(shí)隧洞滲透水壓等值線分布。

從圖5可見，襯砌滲透系數(shù)為1×10-10m/s時(shí)，地下水面線幾乎不受隧洞影響，水壓等值線相互平行呈靜水壓分布，這說明當(dāng)襯砌滲透系數(shù)較小時(shí)，圍巖周圍滲流場(chǎng)因洞室開挖變化較小。襯砌全封堵時(shí)將地下水全擋在襯砌外表面，此時(shí)隧洞涌水量幾乎為0，襯砌外水壓力約等于靜水壓力。隨著襯砌滲透系數(shù)的增大，隧洞滲流場(chǎng)逐漸產(chǎn)生變化。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)為1×10-8m/s，靠近隧洞周邊的滲透水壓等值線有所降低，但降低幅度極小，這種趨勢(shì)在滲透系數(shù)取為1×10-7m/s時(shí)，變得更加明顯。盡管模型頂部水壓等值線仍不受影響，但隧洞周圍滲透水壓力顯著降低，使得附近水壓等值線圖向下彎曲呈漏斗狀分布。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)為1×10-6m/s時(shí)，隧洞上方模型范圍內(nèi)滲流場(chǎng)均受影響，水壓等值線發(fā)生明顯改變，洞室圍巖全范圍孔壓顯著下降，滲透水壓等值線呈漏斗狀分布，靠近洞室，水壓等值線圖逐漸變?yōu)榄h(huán)形分布，說明襯砌透水性的增大使得地下水被大量排出，從而導(dǎo)致洞室周圍孔壓下降數(shù)值明顯。

綜合分析襯砌滲透系數(shù)對(duì)襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)的影響可以發(fā)現(xiàn)，僅依靠排水措施無法同時(shí)滿足兩者安全的要求。巖溶高壓地區(qū)降低襯砌外水壓力是保證洞室結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，但降低外水壓力的同時(shí)會(huì)對(duì)山體滲流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，地下水通過排水措施而被大量排出，導(dǎo)致隧洞周邊發(fā)生生態(tài)破壞、水土流失等問題。因此，僅通過增大襯砌滲透系數(shù)來降低外水壓力既不科學(xué)也不合理。

3 注漿圈參數(shù)對(duì)襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)影響

復(fù)雜巖溶地區(qū)僅通過增大襯砌滲透系數(shù)的措施在降低襯砌外水壓力的同時(shí)會(huì)對(duì)山體滲流場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，不利于生態(tài)保護(hù)。下面研究注漿圈厚度和滲透系數(shù)對(duì)隧洞襯砌外水壓力的影響，結(jié)合隧洞滲流場(chǎng)的分析以確定合適的注漿圈參數(shù)。

圖6 襯砌外水壓力與注漿圈厚度關(guān)系Fig.6 Relationship between external water pressure of lining and thickness of grouting circle

3.1 注漿圈厚度

圍巖滲透系數(shù)為1.16×10-5m/s，注漿圈滲透系數(shù)取為圍巖滲透系數(shù)的1/50，即2.32×10-7m/s[9]，分別研究注漿圈厚度為3，5，7，9 m時(shí)隧洞襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)變化規(guī)律。圖6為不同襯砌滲透系數(shù)下襯砌拱頂外水壓力與注漿圈厚度的關(guān)系曲線。

圖7 不同注漿圈厚度隧洞滲透水壓等值線Fig.7 Contour of tunnel pore water pressure with different grouting circle thicknesses

從圖6可以看出，襯砌滲透系數(shù)為1×10-10m/s時(shí)，增大注漿圈厚度襯砌外水壓力幾乎無變化。注漿圈厚度為9 m時(shí)，襯砌拱頂外水壓力為1.345 MPa，相較于不注漿工況僅減小了0.005 MPa。因此，當(dāng)襯砌采取全封堵時(shí)，圍巖注漿無法有效降低襯砌外水壓力，注漿可以封堵滲水通道但無法做到完全不透水，若襯砌無排水措施，隨著時(shí)間的推移從注漿圈滲入的水最終均會(huì)作用在襯砌外表面使得襯砌外水壓力等于靜水壓力。當(dāng)襯砌滲透系數(shù)為1×10-9m/s，隨著注漿圈厚度的增大襯砌外水壓力出現(xiàn)小幅降低；當(dāng)襯砌滲透系數(shù)為1×10-8m/s，襯砌外水壓力隨注漿圈厚度變化的敏感性增強(qiáng)，注漿圈厚度為9 m時(shí)，襯砌外水壓力為0.986 MPa，相較于不注漿工況減小了25.8%；襯砌滲透系數(shù)為1×10-7m/s，圍巖注漿對(duì)降低襯砌外水壓力效果較好，注漿圈厚度為9 m時(shí)襯砌外水壓力為0.281 MPa，比不注漿時(shí)減小了75.6%。通過對(duì)比不同襯砌滲透系數(shù)下襯砌外水壓力與注漿圈厚度關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)襯砌排水時(shí)圍巖注漿可以有效降低襯砌外水壓力，且隨著注漿圈厚度的增大，襯砌外水壓力逐漸減小，因此增大注漿圈厚度是降低襯砌外水壓力的有效手段。

不同注漿圈厚度下隧洞滲透水壓等值線分布見圖7。圖中各種工況下襯砌滲透系數(shù)均取為5×10-7m/s，注漿圈滲透系數(shù)取為2.32×10-7m/s，研究不注漿以及注漿圈厚度為3，5和9 m時(shí)隧洞滲流場(chǎng)分布規(guī)律。從圖7可以看出，圍巖注漿3 m后，隧洞滲流場(chǎng)發(fā)生顯著改變，隧洞模型頂部水面線呈平行分布，但注漿圈附近水壓等值線仍向下彎曲呈漏斗狀，注漿圈內(nèi)水壓呈環(huán)形分布。當(dāng)注漿圈厚度為5 m時(shí)，圍巖注漿范圍擴(kuò)大使得隧洞滲流場(chǎng)受洞室開挖影響范圍進(jìn)一步減小，注漿圈附近漏斗下凹幅度明顯降低；當(dāng)注漿圈厚度為9 m時(shí)，圍巖注漿已經(jīng)能很好地保證滲流場(chǎng)的穩(wěn)定，注漿圈外水壓等值線平行分布，從注漿圈滲入的水通過襯砌排水措施排出，極大地保證了隧洞滲流場(chǎng)及周邊生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

通過對(duì)滲流場(chǎng)及襯砌外水壓力的分析，圍巖注漿可以在不影響生態(tài)環(huán)境的少量排水條件下顯著降低襯砌外水壓力，很好地緩解了排水減壓和環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。從圖6可以看出，隨著注漿圈厚度的增大，外水壓力降幅越來越小，且注漿圈厚度越大，所需注漿量也越多，增加了經(jīng)濟(jì)成本，因此圍巖注漿厚度存在經(jīng)濟(jì)合理值。從圖7可見，注漿圈厚度為5 m時(shí)，隧洞滲流場(chǎng)已基本不受洞室開挖影響，實(shí)際工程中地質(zhì)條件更為復(fù)雜，為保證注漿圈堵水的可靠性并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，巖溶區(qū)注漿圈厚度一般取為5～9 m。

圖8 襯砌外水壓力與注漿圈滲透性關(guān)系Fig.8 Relationship between external water pressure of lining and permeability of grouting circle

圖9 不同注漿圈滲透系數(shù)下隧洞滲透水壓等值線Fig.9 Contour of tunnel pore water pressure with different permeability coefficients of grouting circle

3.2 注漿圈滲透系數(shù)

合理的注漿圈滲透系數(shù)可以有效保證注漿效果，圖8為不同注漿圈厚度下襯砌外水壓力與注漿圈滲透系數(shù)的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)為圍巖與注漿圈滲透系數(shù)比值ng，ng取為5,10,30,50,70和100(注漿圈滲透系數(shù)依次為2.32×10-6,1.16×10-6,3.87×10-7,2.32×10-7,1.66×10-7和1.16×10-7m/s)。從圖8可以看出，不同注漿圈厚度下襯砌外水壓力均隨注漿圈滲透系數(shù)的減小而降低；同一注漿圈滲透系數(shù)，注漿圈厚度越大襯砌外水壓力越小，這與之前所得結(jié)論吻合。隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，襯砌外水壓力降幅越來越小，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)小于圍巖的1/50時(shí)，繼續(xù)減小注漿圈滲透系數(shù)對(duì)降低襯砌外水壓力的效果已不明顯。

圖9為不同注漿圈滲透系數(shù)下隧洞滲透水壓等值線分布，其中襯砌滲透系數(shù)為5×10-7m/s，注漿圈厚度為5 m，研究注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)1/5,1/10,1/50以及1/100時(shí)隧洞滲流場(chǎng)分布規(guī)律。圍巖不注漿時(shí)滲流場(chǎng)分布如圖7所示，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/5(2.32×10-6m/s)時(shí)，隧洞滲流場(chǎng)相較于不注漿時(shí)水壓等值線漏斗下凹范圍減小，但幅度仍較大，該注漿圈滲透系數(shù)無法有效保證生態(tài)環(huán)境不受影響。繼續(xù)減小注漿圈滲透系數(shù)，隧洞降水漏斗范圍得到進(jìn)一步控制，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖的1/50時(shí)，模型頂部水壓等值線平行分布，注漿圈附近水壓等值線有小幅向下彎曲的趨勢(shì)，該注漿圈滲透系數(shù)可以較好地保證山體滲流場(chǎng)的穩(wěn)定；當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖的1/100時(shí)，隧洞滲流場(chǎng)變化不大，說明繼續(xù)減小注漿圈滲透系數(shù)對(duì)減小滲流場(chǎng)擾動(dòng)效果已不再明顯。

襯砌外水壓力隨注漿圈滲透系數(shù)減小而降低，但注漿圈滲透系數(shù)越小，施工成本及難度越大，綜合襯砌外水壓力及滲流場(chǎng)的分析，為保證襯砌結(jié)構(gòu)及地下水環(huán)境的穩(wěn)定，通常取注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/30～1/50。

4 結(jié) 語

基于滇中引水工程復(fù)雜巖溶地區(qū)大理Ⅱ段引水隧洞，采用ABAQUS有限元軟件分析了不同襯砌及注漿圈參數(shù)下隧洞襯砌外水壓力變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)排水襯砌外水壓力隨襯砌滲透系數(shù)的增大而減小，但同時(shí)會(huì)對(duì)隧洞滲流場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，復(fù)雜巖溶地區(qū)透水性較強(qiáng)的圍巖僅依靠排水措施降低襯砌外水壓力不太合理，建議采取堵排結(jié)合的措施。

(2)圍巖注漿降低襯砌外水壓力作用明顯，減小注漿圈滲透系數(shù)或增大其厚度既能有效降低襯砌外水壓力又可以減小隧洞滲流場(chǎng)的擾動(dòng)，緩解了排水減壓與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾；注漿圈滲透系數(shù)持續(xù)減小以及厚度的不斷增大，襯砌外水壓力降低效果越來越差，故注漿圈參數(shù)存在相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理的范圍。

(3)針對(duì)我國西南復(fù)雜巖溶地區(qū)中等透水性圍巖，襯砌滲透系數(shù)為1×10-7m/s時(shí)，圍巖注漿后襯砌外水壓力降低效果較好；綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及安全性，注漿圈厚度一般取為5～9 m，注漿圈滲透系數(shù)取為圍巖滲透系數(shù)的1/30～1/50較為合適。