巖石隧道襯砌滲透水的影響因素及防治措施

張?zhí)餄?，張濰漪

(1.齊魯交通發(fā)展集團有限公司建設管理分公司，山東濟南 250102；2.濟南工程職業(yè)技術學院，山東濟南 250200)

0 引言

滲透水對隧道的危害極大，是常見的隧道病害之一。隧道長期滲透水使隧道產(chǎn)生侵蝕、積水等，大大降低隧道的使用壽命和功能，惡化隧道的運營行駛條件[1-4]。1)侵蝕。隧道在長期滲透水作用下，其襯砌結構、路基路面、機電及附屬設施被水侵蝕，從而加快隧道內部鋼筋、錨桿、管線等的銹蝕速度，縮短隧道的使用壽命。2)積水。隧道滲透水造成路面積水，惡化車輛的行使環(huán)境。3)凍漲、掛冰。隧道滲透水會使襯砌產(chǎn)生反復的凍融循環(huán)，導致襯砌凍漲開裂甚至剝落；在北方地區(qū)冬季滲透水會凝結成冰錐等，冰錐脫落時，給隧道內的行車帶來極大的安全隱患。

因此，良好的隧道防排水是隧道耐久性和安全性的重要保障。巖石隧道襯砌處的滲水壓力是影響隧道滲透水的直接因素，本文計算隧道襯砌處的滲水壓力，分析滲水壓力的影響因素，同時結合隧道有限元應力分析，找出應力最大的部位，有針對性的提出防治隧道滲透水的措施[5]。

1 巖石隧道襯砌滲水壓力的影響因素

水在巖體孔隙中運動時需要克服水與隙壁以及不同流速的水之間的摩擦力而消耗機械能，造成水頭損失，可通過水頭損失及摩擦力反算隧道襯砌處的滲水壓力。根據(jù)能量守恒定律，引入達西定律，推導襯砌處滲水壓力的計算公式。為簡化計算，做以下假設[6-8]：1)巖體含水完全飽和；2)水與巖體之間不發(fā)生物理化學反應，滲透路徑和滲透系數(shù)不發(fā)生變化；3)襯砌為不透水材料時，作用在襯砌上的滲水壓力為邊界力(面力)；當考慮襯砌的滲透性時，此滲水壓力為體積力。假設隧道襯砌為透水材料，且計算推導過程不考慮防水板的作用；4)巖體物理特性(滲透性、孔隙、裂隙、傾向、損失系數(shù)等)整體一致。

從地表水(特指雨水及地表河流等)及地下水(特指地下暗河、溶洞積水等)兩方面考慮，根據(jù)能量守恒定律及上述假設條件可知，單位體積水剛好可以從襯砌表面流出時的臨界狀態(tài)公式為：

(FbLb+FxLx)-(hwb+hwx)=FcLc-hwc，

(1)

式中：Fb為單位體積地表水的滲水壓力(靜水壓力)，F(xiàn)b=ρgHb，其中ρ為水的密度，g為重力加速度，Hb為地表水與隧道襯砌的高差；Lb為地表水的滲透路徑長度；Fx為單位體積地下水的滲水壓力(靜水壓力)，F(xiàn)x=ρgHx，其中Hx為地下水與隧道襯砌的高差；Lx為地下水的滲透路徑長度；hwb為單位體積地表水的水位差產(chǎn)生的勢能；hwx為單位體積地下水的水位差產(chǎn)生的勢能；Fc為隧道襯砌處的滲水壓力；Lc為滲透水在襯砌內的滲透路徑長度；hwc為隧道襯砌處的滲透水的水位差產(chǎn)生的勢能。

由于水的滲透速度v同時對滲水壓力的摩擦損失和滲透路徑產(chǎn)生影響，由達西定律得

v=ki,

式中：k為滲透系數(shù)；i為水力坡度，又稱比降，流體從機械能較大的斷面向機械能較小的斷面流動時，沿流程每單位距離的水頭損失，即總水頭線的坡度。

滲透水克服摩擦阻力做功會造成水頭損失hw，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

巖體水沿程水頭損失

(2)

式中：λs為巖體水沿程損失系數(shù),ds為巖體滲透空間的孔隙直徑,ks為巖體的滲透系數(shù),ib為巖體水力坡度[9-12]。

局部水頭損失

(3)

式中：ξs為巖體水局部損失系數(shù)。

hwx與hwb之和等于hf與hj之和，由式(2)(3)得

(4)

同理，hwc為隧道襯砌處的滲透水的水位差產(chǎn)生的勢能,等于襯砌水沿程水頭損失與襯砌水局部水頭損失之和:

(5)

式中：λc為襯砌水沿程損失系數(shù),dc為襯砌的滲透空間的孔隙直徑，kc為襯砌的滲透系數(shù),ic為襯砌水力坡度,ξc為襯砌水局部損失系數(shù)。

將式(4)(5)代入式(1)，得滲水壓力

(6)

從式(6)可以看出，影響隧道襯砌滲水壓力的因素可歸結為3個方面：

1)由巖體水、襯砌水水位差產(chǎn)生的勢能。隧道埋深、地表水與隧道襯砌的高差，地下水的水位與隧道襯砌的高差等因素與隧道襯砌滲水壓力成正比。

2)巖體。主要與地表水在巖體中的滲透路徑、地下水在巖體中的滲透路徑、水在巖體中流動的沿程損失系數(shù)和局部損失系數(shù)、水在巖體中流動的水力梯度、水在巖體中的滲透系數(shù)、水在巖體中滲透的孔隙直徑、巖體的裂隙發(fā)育及其傾向和傾角有關，巖體裂隙越發(fā)育，隧道襯砌滲水壓力越大。

3)襯砌。主要與水在襯砌中的滲透路徑、水在襯砌中流動的沿程損失系數(shù)和局部損失系數(shù)、水在襯砌中流動的水力梯度、水在襯砌中的滲透系數(shù)、水在襯砌中滲透的孔隙直徑有關，總體來說，襯砌越密實、厚度越大，阻抗?jié)B水能力越強，隧道襯砌滲水壓力越小。

2 隧道有限元數(shù)值模擬

通過假設，得到了影響隧道襯砌滲水壓力的理論公式，但理論公式的影響因素較多，較難確定隧道襯砌滲水壓力的主要影響因素，為了便于分析應用，將理論公式編寫程序嵌入ABAQUS軟件，對隧道進行應力分析，以便分析確定隧道襯砌滲透水的主要影響因素。

2.1 工程概況

某水庫區(qū)位于某隧道左線ZK2+402處東側660.5 m的風景區(qū)山谷內，該段圍巖襯砌結構設計圖如圖1所示。水庫當前水位高程182.2 m，隧道ZK2+402處隧底設計高程176.4 m，隧道頂高程188.9 m。該隧道ZK2+402處于Ⅲ級圍巖段，該段巖性為中風化灰?guī)r，結構面發(fā)育，層間結合較好，大部分鑲嵌碎裂結構，局部為整體狀結構，節(jié)理、裂隙及溶蝕裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，易沿裂隙面漏水，圍巖自穩(wěn)能力一般。該水庫蓄水后造成水庫與隧道底之間的水位差約5.8 ～14.6 m，考慮該段工程地質和水文地質情況，初步估計，施工時出現(xiàn)滲透水的可能性較大。

2.2 基本模型

2.2.1 建立模型

由圣維南原理可知，隧道開挖后的影響面積，大致為距隧道中心點3～5倍的開挖寬度(高度)[13-15]。隧道水平方向上取5倍跨徑，約為85 m；隧道垂直方向上分為2部分，第一部分為拱頂以上的上覆巖層，這部分取該隧道的實際距離，即15 m；第二部分為仰拱以下的下覆巖層，這部分取徑高的5倍，約為55 m。采用ABAQUS軟件建立高80 m、寬170 m的隧道模型，隧道模型及網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.2.2 模型計算

隧道模型計算參數(shù)如表1所示[16-20]。

2.2.3 應力分析結果

通過ABAQUS軟件對有限元模型進行仿真分析，不同水位差時隧道襯砌受力分析結果如圖3所示(圖中單位為MPa)，不同水頭損失時隧道襯砌受力分析結果如圖4所示(圖中單位為MPa)。

表1 圍巖物理力學參數(shù)表

a) 水位差為0 b) 水位差為5.8 m c) 水位差為14.6 m 圖3 不同水位差時隧道襯砌應力

a) hw=0 b)hw=25%Fc c)hw=50%Fc圖4 不同水頭損失時的隧道襯砌應力圖

由圖3可知：當水庫與隧道底之間的水位差分別為0、5.8、14.6 m時，隧道最大襯砌應力分別為78.130、9.899、14.630 MPa，即隨著水庫與隧道底之間的水位差的增大，隧道最大襯砌應力增大，且隧道襯砌最大應力位于墻腳處。因此降低水庫與隧道底之間的水位差可以有效降低隧道襯砌應力，保證隧道的安全可靠。

由圖4可知：在其他條件不變的情況下，水位損失分別為0、25%Fc、50%Fc時，隧道襯砌的最大應力分別為10.670、9.899、9.028 MPa，即隨著水頭損失的增加，隧道襯砌的最大應力減少，最大應力位于隧道襯砌墻腳處。

通過注漿、錨桿加固等方式增大圍巖的抗?jié)B性能，以減小隧道襯砌上的受力，從而有效抑制隧道施工時出現(xiàn)滲透水的可能性。

3 防治隧道滲水的措施

結合隧道滲水壓力的影響因素及有限元分析結果，從水位差勢能(儲水量)、巖體及襯砌3個方面提出防治隧道滲水的措施。

1)降低水位差勢能(儲水量)。適當控制水庫內的蓄水量，降低水與隧底的水位差；隧道地表做好排水及截水設施；通過井點降水、泄水洞排水、開挖徑向注漿堵水等方式降低地下水的水位和水量，從而降低滲水壓力[21-22]；開挖前可將水庫的水抽干，待工程完結后再將水庫中的水放滿。

2)改善巖體性質。通過地表注漿、局部注漿、超前水平旋噴樁、錨桿加固等方式，降低巖體的滲透性、提高水流在巖體中流動的損失系數(shù)，從而減小水在巖體中的滲透系數(shù)[23]。

3)提高襯砌質量。適當加大襯砌的厚度；特殊條件下，可考慮使用防水混凝土；采用合理的施工工藝，避免出現(xiàn)蜂窩、孔洞等形成滲透水的通道[24]，提高隧道襯砌阻抗?jié)B水的能力。

4 結論

1)分析隧道滲透水的危害，引入假設條件，將達西定律帶入能量守恒定律，得出隧道襯砌滲水壓力的計算公式，將影響隧道滲水壓力的各個因素歸納為水位差勢能、儲水量、巖體、襯砌等4個方面。

2)以某隧道為例，建立該隧道有限元模型，分析隧道襯砌應力隨水位差和水頭損失的變化情況，找出受力的最大部位。

3)綜合隧道滲水壓力的各影響因素和隧道襯砌應力的分析結果，從降低水位差、改善巖體性質、提高襯砌質量等方面，提出了防治隧道滲透水的相應措施。