高外水隧洞襯砌堵排水方案及降壓效果分析

于 茂，王瀏劉，辛鳳茂

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

我國(guó)隧道工程發(fā)展迅速，包括水工隧洞、鐵路、海底隧道等。對(duì)于水工隧洞等地下工程而言，地下水因素是控制勘察設(shè)計(jì)與施工的重要性因素，地下工程中出現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)事故也多數(shù)與地下水的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。對(duì)于深埋隧洞，因地下水位線往往高出洞軸線很多，隧洞結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于較高的地下水作用下，是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。隧洞結(jié)構(gòu)實(shí)際是處于不斷流動(dòng)的地下水中，如何根據(jù)地下水的賦存規(guī)律與補(bǔ)給條件確定隧洞襯砌外的水壓力分布特征，保證襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力滿足其承載能力，是隧洞襯砌方案及其堵排水措施設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。作用于隧洞襯砌的外水壓力本質(zhì)是一種滲流體積力，基于有限元分析方法，建立三維地質(zhì)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的精確模擬。李鵬飛采用數(shù)值模擬方法分析了初期支護(hù)、二次襯砌以及注漿加固圈等參數(shù)對(duì)海底隧道襯砌外水壓力的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了合理的注漿加固圈參數(shù)。張繼勛結(jié)合錦屏二級(jí)電站輸水隧洞，分析了灌漿封堵外水壓力的滲流作用機(jī)制，針對(duì)不同的，采用三維滲流場(chǎng)的有限元方法分析了深埋隧洞襯砌外高外水壓力分布特征，并討論了灌漿圈深度及其滲透系數(shù)對(duì)降壓效果的影響規(guī)律。張成平基于穿越高水壓富水巖溶區(qū)的圓梁山隧道工程，分析了注漿圈參數(shù)對(duì)涌水量和襯砌外水壓力的影響規(guī)律，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了注漿圈對(duì)襯砌外水壓力的堵水降壓效果。引漢濟(jì)渭工程中，采用有限元法研究了高外水條件下輸水隧洞的堵排水減壓效果分析及圍巖與襯砌聯(lián)合承載等問題。綜合目前積累的高外水區(qū)隧洞襯砌的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，堵排結(jié)合、堵水限排設(shè)計(jì)理念已經(jīng)是設(shè)計(jì)堵排水措施、降低襯砌外水壓力的基本思路。

本文依托新疆某深埋TBM長(zhǎng)隧洞工程展開研究，該工程輸水隧洞全長(zhǎng)約41.8km，最大埋深2268m，設(shè)計(jì)內(nèi)徑5.3m，縱坡1/565。因隧洞埋深極大，且穿越區(qū)屬于斷層活躍地區(qū)，構(gòu)造折皺復(fù)雜多變，造成隧洞區(qū)地應(yīng)力分布及變化多樣，對(duì)工程的勘察設(shè)計(jì)提出了極大挑戰(zhàn)。隧洞進(jìn)口段在鉆爆法穿越N1+2黏土巖及S2j粉砂巖區(qū)時(shí)，遭遇高承壓水問題，洞軸線處最高承壓水位達(dá)到400m以上，超出地面線100多m，按照常規(guī)的地下水壓力系數(shù)折減方法進(jìn)行襯砌計(jì)算不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本文采用地下工程的三維滲流理論，從滲流體積力的角度出發(fā)，結(jié)合襯砌設(shè)計(jì)中的堵水灌漿及襯砌外排水孔或排水帶的堵排結(jié)合措施，對(duì)襯砌外水壓力折減程度與分布范圍進(jìn)行分析，進(jìn)而評(píng)估堵排結(jié)合措施對(duì)襯砌外水壓力的降壓效果，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 高外水襯砌的設(shè)計(jì)理念

對(duì)于承受高外水荷載的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，因外水壓力大，襯砌結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)大，常常出現(xiàn)一系列受載破壞與外水內(nèi)滲的情況。同時(shí)，受不良地質(zhì)條件影響，還可能產(chǎn)生涌水問題，對(duì)隧洞的安全造成嚴(yán)重威脅。

目前，對(duì)襯砌外水的處理方法主要有三種：以堵為主、以排為主及堵排結(jié)合。

在堵排水措施方面，對(duì)于深埋隧洞，由于隧洞沿線地下水埋藏深且分布復(fù)雜，外水荷載極大，其空間和時(shí)間上的變化不易掌握，無法采用全封堵形式。以排導(dǎo)為主的減壓措施易造成工程區(qū)地下水明顯下降甚至干涸，造成無法恢復(fù)的生態(tài)環(huán)境破壞。其中，堵排結(jié)合方案綜合考慮超前灌漿或固結(jié)灌漿形成的堵水帷幕與襯砌外排水系統(tǒng)的降壓效果，達(dá)到既減少地下水流失，又消減襯砌外水壓力的目的，堵排結(jié)合方案是目前比較科學(xué)的襯砌外高外水的處理方法。

采用堵排結(jié)合處理措施，主要出于以下幾方面的設(shè)計(jì)考慮：

(1)降低襯砌外水壓力大小。對(duì)于地下水補(bǔ)給充足的高外水或承壓水洞段，在洞內(nèi)正常水位以上設(shè)置徑向排水孔，理論上并不能有效降低襯砌底部的外水壓力，且作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水壓力較高，長(zhǎng)期高水壓力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)較高，易引起局部開裂、破損與滲漏。

(2)限制隧洞排水量。由于特殊的地質(zhì)富水特性，若不采取圍巖堵水措施，大量地下水將通過排水系統(tǒng)及襯砌滲水通道進(jìn)入洞內(nèi)，造成地下水的大量流失，容易引發(fā)其他生態(tài)問題。

(3)分擔(dān)地下水荷載，增加襯砌支撐條件。超前灌漿或固結(jié)灌漿通過減小圍巖滲透系數(shù)達(dá)到堵水作用，使得大部分外水壓力作用在注漿圈上；同時(shí)，因圍巖間的裂隙或節(jié)理被漿液填充，令圍巖完整性提高，圍巖提供的彈性抗力也相應(yīng)提高，從而改善襯砌的支撐條件。

在堵排結(jié)合措施的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是分析堵排措施下襯砌外水壓力的降壓效果，為襯砌設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。因此，在圍巖—堵水灌漿圈—初次襯砌—二次襯砌—排水措施組成的三維聯(lián)合滲流系統(tǒng)中，精確評(píng)估穩(wěn)定滲流期襯砌外水荷載分布范圍與大小，對(duì)評(píng)判隧洞圍巖及二次襯砌的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有重要意義。

2 襯砌排水的空氣單元法

排水孔及排水帶在地下結(jié)構(gòu)、邊坡工程、大壩等設(shè)計(jì)與施工中是常用的滲控措施，具有良好的排水降壓作用。但在含排水措施計(jì)算域的滲流場(chǎng)分析計(jì)算中，對(duì)排水孔及排水帶的布置以及如何發(fā)揮作用的研究尚不充分。在通常的簡(jiǎn)化模型中排水孔及排水帶是不參與計(jì)算的，只是通過對(duì)排水措施上各點(diǎn)給定水頭來加入排水孔及排水帶的作用。這不僅會(huì)導(dǎo)致大量約束條件的產(chǎn)生，同時(shí)在一定程度上增大了非計(jì)算誤差、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作及計(jì)算的難度。

空氣單元法是將排水孔或排水帶中的空氣看作一種滲流介質(zhì)，在實(shí)際運(yùn)用過程中，正常作用下的排水措施是一個(gè)充滿空氣的中空的柱狀體或帶狀體，也可以把它看作比一般滲流介質(zhì)的滲透性大得多的特殊介質(zhì)。因此，就可以用一定的滲透系數(shù)來表征排水孔的滲透性能，并按照其他實(shí)體單元的計(jì)算方法，對(duì)它進(jìn)行滲流計(jì)算?？諝鈫卧ǖ恼_應(yīng)用往往取決于排水措施滲透系數(shù)的合理取值。針對(duì)不同的工程問題，排水措施的滲透系數(shù)可按照具體情況取為周邊介質(zhì)滲透系數(shù)的1000倍。在有限元法滲流分析中，排水措施作為常規(guī)有限單元加入到整體滲流場(chǎng)的計(jì)算中。

3 計(jì)算模型

根據(jù)依托工程進(jìn)口段遭遇的高承壓水洞段實(shí)際情況，選取兩個(gè)典型計(jì)算斷面進(jìn)行滲控措施的降壓效果分析。其中，斷面1采取的滲控措施為灌漿圈+排水孔+環(huán)向排水帶，斷面2采取的滲控措施為灌漿圈+排水孔。各典型斷面的計(jì)算參數(shù)及滲透系數(shù)取值見表1—2，建立的三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算模型如圖1—2所示。

表1 典型斷面計(jì)算輸入?yún)?shù)

表2 圍巖、固結(jié)灌漿圈、混凝土滲透系數(shù)取值 單位：cm/s

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 堵排結(jié)合區(qū)域有限元模型

4 堵排水措施的降壓效果分析

如圖3—4所示，采用排水孔+環(huán)向排水帶方案(典型斷面1)及全斷面排水孔方案(典型斷面2)后襯砌外水壓力的典型分布可以看出，襯砌四周外水壓力均有不同程度的下降，不同計(jì)算工況及堵排水措施下典型計(jì)算斷面的襯砌外水壓力降壓效果的對(duì)比情況見表3—4。

圖3 排水孔+環(huán)向排水帶方案襯砌典型外水壓力分布

根據(jù)表3—4統(tǒng)計(jì)的不同滲控措施的襯砌外水壓力的降壓情況發(fā)現(xiàn)：

(1)排水帶對(duì)降低襯砌外水壓力有效果，但效果不如排水孔顯著。排水孔位置附近水頭降幅劇烈，遠(yuǎn)離排水孔的襯砌底部水頭降幅一般，底部降壓效果受圍巖滲透系數(shù)影響較大。

圖4 全斷面排水孔方案襯砌典型外水壓力分布

(2)對(duì)于典型斷面1，因考慮內(nèi)水外滲造成洞周泥巖軟化等問題，采用頂部排水孔+環(huán)向排水帶+堵水灌漿圈的堵排結(jié)合措施，滲流計(jì)算結(jié)果表明襯砌頂部折減系數(shù)在0.06～0.09，襯砌底部折減系數(shù)在0.51～0.79，在考慮排水帶部分失效的情況下，襯砌的外水壓力折減也比較明顯，最終采用的堵排方案為：頂部設(shè)排水孔排距3m，頂弧90°排水孔深入基巖2m，3孔、2孔交替布置；側(cè)部和底部設(shè)環(huán)向排水帶，帶寬20cm、間距0.5m，灌漿圈深度3.5m。

(3)對(duì)于典型斷面2，考慮硅質(zhì)粉砂巖屬于硬巖，隧洞內(nèi)水外滲不會(huì)造成圍巖劣化，且此洞段為高承壓水洞段，一般不會(huì)發(fā)生內(nèi)水外滲的情況，因此采取了全斷面排水孔+堵水灌漿圈的堵排結(jié)合措施。因承壓水洞段疏松砂巖滲透系數(shù)大，對(duì)圍巖的滲透系數(shù)的取值進(jìn)行了敏度分析，分析結(jié)果表明圍巖滲透系數(shù)敏度較大，圍巖滲透系數(shù)下降后，采用相同的堵排水措施，襯砌外水壓力的降壓效果更加明顯。通過增加排水孔深度、減小排水孔的間排距、增大灌漿圈深度可以有效增強(qiáng)堵排滲控措施的降壓效果。通過不同方案的對(duì)比分析，最終采取的堵排方案為：斷面設(shè)排水孔排距3m，頂弧90°排水孔深入基巖2m，3孔、2孔交替布置；側(cè)部和底部排水孔深入基巖0.5m，交替布置，灌漿圈深度5～7m。

表3 典型斷面1不同計(jì)算條件下滲控措施降壓效果對(duì)比

表4 典型斷面2不同計(jì)算條件下滲控措施降壓效果對(duì)比

5 結(jié)語

(1)本文針對(duì)高埋深隧混凝土襯砌的高外水問題展開研究，采用堵水灌漿圈+排水孔或排水帶的聯(lián)合堵排結(jié)合方案是解決富水及高承壓水地層襯砌高外水的基本策略，在充分發(fā)揮灌漿圈的堵水分載的前提下，堵排結(jié)合方案能有效降低襯砌外水壓力，確保了襯砌運(yùn)行期的承載安全。

(2)采用數(shù)值分析方案是建立在符合達(dá)西定律的滲流模型基礎(chǔ)上的，但深埋地下隧洞工程水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，受地質(zhì)構(gòu)造、溫度、水、氣、化學(xué)作用等不同因素影響，在本文進(jìn)行的滲流場(chǎng)基本規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)尋求建立更為符合整個(gè)工程區(qū)域的滲流模型，從而展開深一步研究工作。