體外排水方式在隧道工程中的研究及應(yīng)用

李林毅，陽軍生，王樹英，包德勇，高 超

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道作為交通建設(shè)的重要組成部分，其修建規(guī)模逐步擴(kuò)大。統(tǒng)計(jì)已建與在建鐵路隧道水害資料，結(jié)果表明過高的襯砌水壓力易導(dǎo)致隧道產(chǎn)生一系列不良問題[1]，包括襯砌局部涌水潰口、軌道結(jié)構(gòu)上抬、仰拱填充開裂等[2-3]。因此，如何有效控制隧道襯砌水壓力仍是普遍存在的難點(diǎn)問題[4]。針對(duì)上述工程問題，合理選擇隧道防排水方式是有效解決措施之一[5]。截至目前，不少學(xué)者及工程研究人員針對(duì)隧道防排水方式及其水壓力分布進(jìn)行了一系列研究，包括理論解析方法[6-8]、數(shù)值分析方法[9-10]、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[11-13]、模型試驗(yàn)方法[14-16]，研究結(jié)果經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證，能夠較好的指導(dǎo)同類工程，已逐步被工程人員接受與使用。但是上述研究主要依托常規(guī)排水方式(即地下水經(jīng)環(huán)、縱向排水管流入側(cè)溝，再由側(cè)溝與中心水溝共同排出隧道)，而近年來不少富水隧道運(yùn)營(yíng)情況[17-18]表明此排水方式在襯砌水壓力控制方面存在固有不足，隧底水壓力普遍較高，致使底部結(jié)構(gòu)受力特征隨之改變，仰拱隆起、開裂等病害仍時(shí)有發(fā)生。

鑒于此，學(xué)者們提出了一種新型排水方式(體外排水方式)，且經(jīng)國(guó)外工程實(shí)踐論證了其可行性[19]?？紤]到常規(guī)防排水方式已無法滿足現(xiàn)有工程需求，如何確定體外排水方式具體形式及其合理布設(shè)參數(shù)成為了工程人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。為此，本文提出體外排水隧道滲流場(chǎng)理論模型，采用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證理論模型正確性，并針對(duì)該排水方式的布設(shè)參數(shù)進(jìn)行探討，研究排水洞埋置深度、半徑等因素對(duì)排水洞涌水量、隧道外水壓力的影響規(guī)律，最后結(jié)合典型工程現(xiàn)場(chǎng)情況與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果的正確性與體外排水方式的有效性，研究結(jié)果以期為富水地層隧道排水方式選型及參數(shù)制定提供借鑒與參考。

1 體外排水方式的提出

對(duì)于富水區(qū)隧道，尤其是穿越軟弱圍巖地層的區(qū)段，選擇合理的防排水形式，可有效降低襯砌水壓力并合理控制隧道排水量是隧道防排水工程的關(guān)鍵。不同排水方式的差異性首先體現(xiàn)于排水路徑，排水路徑的差異性進(jìn)而會(huì)對(duì)隧道排水量、襯砌水壓力及其分布特征產(chǎn)生較大影響。

常規(guī)排水方式下，圍巖滲水通過拱墻初期支護(hù)與防水板間的環(huán)向盲管引入邊溝，通過橫向排水管將邊溝與仰拱填充內(nèi)的中央排水溝相連接，共同將隧道內(nèi)滲水排出[20]，見圖1。但此排水路徑中全環(huán)結(jié)構(gòu)僅邊墻處排水孔可有效排水，中央排水溝僅為過水通道，可能導(dǎo)致仰拱底部的圍巖滲水無法及時(shí)排出，長(zhǎng)時(shí)間積累將造成仰拱處襯砌承受較大水壓力，將成為底部結(jié)構(gòu)的一大安全隱患。此外，相關(guān)案例表明隧底高水壓的存在會(huì)進(jìn)一步增加基底軟化的程度[21]，在隧底高水壓和基底軟化的共同作用下隧道底部結(jié)構(gòu)病害的可能性大大增加[22]。

圖1 常規(guī)排水方式及其排水路徑示意圖

圖2 體外排水方式及其排水路徑示意圖

針對(duì)常規(guī)排水方式在隧底水壓力控制效果方面的固有不足，工程設(shè)計(jì)人員提出了在仰拱下方設(shè)置排水管溝的體外排水方式，見圖2。相比于常規(guī)排水方式，體外排水方式存在一定優(yōu)勢(shì)：一方面，該排水方式調(diào)整排水通道至仰拱以下，降低了地下水排泄點(diǎn)高程，利于水排泄；另一方面，增大了縱向單位長(zhǎng)度的排水面積(排水管溝面積通常是邊墻排水口面積的10倍以上)，增加了排水流量[23]。因此，仰拱底部襯砌水壓可以得到有效降低，相關(guān)案例表明即使在隧道防排水系統(tǒng)弱化情況下仰拱底部仍能保持較小水壓力[19]，大大降低隧底病害發(fā)生的可能。

結(jié)合我國(guó)富水隧道數(shù)量多、水害問題頻發(fā)的特點(diǎn)，體外排水方式存在廣闊的應(yīng)用前景，然而該排水方式于國(guó)內(nèi)富水隧道排水領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，且其相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。因此，從理論模型出發(fā)探究該排水方式布設(shè)形式及參數(shù)的影響規(guī)律，為同類工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有實(shí)質(zhì)性意義。

2 體外排水隧道滲流場(chǎng)理論模型

2.1 理論模型的推導(dǎo)與建立

(1)模型基本假定與參數(shù)

隧道滲流模型以地下水位面為給水邊界，并作基本假定：①遠(yuǎn)場(chǎng)地下水補(bǔ)給充分，地下水位面不隨隧道排水而降低；②地層位移視為各向同性、均勻連續(xù)的介質(zhì)，且介質(zhì)及其所含流體不可壓縮；③隧道為水下大埋深；④隧道圍巖滲流服從Darcy定律，且處于穩(wěn)定層流狀態(tài)；⑤隧底排水管溝視為內(nèi)壁水頭恒為零的圓形毛洞以實(shí)現(xiàn)排水；⑥除隧底排水管溝外，不考慮其他結(jié)構(gòu)的排水作用，即主隧道結(jié)構(gòu)不排水、不透水。

隧道滲流模型參數(shù)設(shè)定見圖3，由圖3可知：地下水位面下方hc處有一圓形隧道，隧道結(jié)構(gòu)外輪廓半徑為r2，隧道下方h0處存在圓形排水洞，洞徑為r1，圍巖滲透系數(shù)為ks，隧道水頭高度為hs。同時(shí)，為方便后文計(jì)算，增設(shè)參數(shù)及其取值為：l1=r1；l2=r1+h0；l3=r1+h0+r2；l4=r1+h0+2r2；l5=r1+h0+2r2+hc。

圖3 滲流模型參數(shù)設(shè)定

(2)滲流場(chǎng)解析過程

由圍巖滲流服從Darcy定律，可得

(1)

式中：Q為單位縱向長(zhǎng)度的排水洞涌水量；Φ為總水頭勢(shì)函數(shù)；ρ為計(jì)算點(diǎn)至排水洞圓心的距離；As(ρ)為計(jì)算半徑為ρ條件下，單位縱向長(zhǎng)度隧道滲流圓周線對(duì)應(yīng)的滲流面積。

根據(jù)計(jì)算半徑ρ與排水洞、隧道的不同位置關(guān)系，可劃分隧道滲流場(chǎng)為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，見圖4。由圖4可知，當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)時(shí)，滲流面積As(ρ)=2πρ，而當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于Ⅱ區(qū)時(shí)，滲流圓周線將被隧道截?cái)?，此時(shí)滲流圓周線對(duì)應(yīng)面積As(ρ)<2πρ，且此影響應(yīng)不能忽視。

圖4 計(jì)算模型分區(qū)

針對(duì)Ⅱ區(qū)滲流特征，單獨(dú)提?、騾^(qū)區(qū)域，見圖5。由圖5可知，當(dāng)l4>ρ>l2時(shí)，滲流圓周線對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積As(ρ)應(yīng)為

As(ρ)=2ρ[π-θ(ρ)]

(2)

圖5 Ⅱ區(qū)模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)三個(gè)分段，在無限平面滲流場(chǎng)內(nèi)對(duì)式(1)進(jìn)行積分，且相鄰區(qū)域界面處總水頭勢(shì)函數(shù)相等，解得

(3)

由于實(shí)際地下水滲流并非全無限場(chǎng)，而應(yīng)為半無限場(chǎng)。根據(jù)鏡像法原理[24]，將隧道半無限滲流場(chǎng)轉(zhuǎn)化為相互對(duì)稱但涌水量異號(hào)的實(shí)際隧道無限滲流場(chǎng)與虛擬隧道無限滲流場(chǎng)的疊加，見圖6。故總水頭勢(shì)函數(shù)為

Φ=Φ1+Φ2

(4)

式中：Φ1為僅考慮實(shí)際體外排水隧道的無限場(chǎng)水頭勢(shì)函數(shù)；Φ2為僅考慮虛擬隧道的無限場(chǎng)水頭勢(shì)函數(shù)。

同時(shí)，規(guī)定在實(shí)際半無限平面內(nèi)的任意一點(diǎn)到實(shí)際排水洞圓心與虛擬排水洞圓心的距離分別為ρ1、ρ2。

圖6 理論模型鏡像法示意圖

由圖6可知，在實(shí)際半無限場(chǎng)內(nèi)的任意點(diǎn)，均是虛擬隧道全無限滲流場(chǎng)的Ⅲ區(qū)，因此實(shí)際半無限場(chǎng)內(nèi)的總水頭勢(shì)函數(shù)僅需考慮實(shí)際隧道滲流場(chǎng)分區(qū)即可。由式(3)、式(4)得實(shí)際半無限場(chǎng)內(nèi)的總水頭勢(shì)函數(shù)Φ為

(5)

在地下水面處有ρ1=ρ2且ρ1>l4，設(shè)其總水頭Φ=H，帶入式(5)可得

2c1=H

(6)

基于水下大埋深假定，對(duì)于排水洞內(nèi)壁，有ρ1=l1，ρ2≈2l5，H=l5。聯(lián)立式(5)與式(6)，根據(jù)排水洞內(nèi)壁水頭Φ恒為0的假定，解得排水洞涌水量為

(7)

取ρ1=ρ，ρ2≈2l5-l3，即對(duì)應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)外表面時(shí)，聯(lián)合式(5)～式(7)，可解得隧道結(jié)構(gòu)背后任意點(diǎn)處的水壓力pl為

pl=Φ×γw=

(8)

式中：ρ為隧道結(jié)構(gòu)外表面待求水壓點(diǎn)到排水洞圓心的距離；γw為地下水重度，取10 kN/m3。

2.2 解析結(jié)果驗(yàn)證

(1)退化求解驗(yàn)證

若不考慮隧道結(jié)構(gòu)，地層中僅存在排水洞時(shí)，即θ(ρ)=0，式(7)可化為

(9)

在單獨(dú)涌水工況下，本文式(7)退化所得的式(9)與文獻(xiàn)[24]中半無限平面單洞隧道涌水量簡(jiǎn)型計(jì)算公式一致，以此驗(yàn)證了計(jì)算公式(7)的正確性。

(2)基于FLAC3D的數(shù)值仿真驗(yàn)證

取地層參數(shù)ks=10-6m/s，排水特征參數(shù)r1=0.4 m，h0=0.5 m，隧道外輪廓尺寸參數(shù)r2=6.5 m，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型[25]，模型邊界條件設(shè)置見圖7。

改變地下水位高度，獲得排水洞涌水量與隧道外水壓力的計(jì)算結(jié)果(解析解與數(shù)值解)，見圖8、圖9。需要說明的是，為便于比較不同部位水壓力，將隧道結(jié)構(gòu)劃分為四等分(即拱頂、拱腳、邊墻、底部)，并求取各部分內(nèi)的多點(diǎn)均值(本文計(jì)算點(diǎn)數(shù)為20個(gè))以進(jìn)行對(duì)比[23]。由圖8、圖9可知：

①在不同水頭高度下，由式(7)、式(8)得到解析解與數(shù)值仿真解相差較小，其中涌水量、結(jié)構(gòu)外水壓力最大相差率分別為7.98%、10.71%，兩者結(jié)果互為驗(yàn)證，證明了本文理論模型的正確性。

②隨水頭高度的增長(zhǎng)，隧道結(jié)構(gòu)各處外水壓力均基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是底部結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)速率明顯小于其他部位，以hs=143.5 m時(shí)為例，底部結(jié)構(gòu)平均水壓力為422 kPa，僅是初始水頭的26.96%，底部結(jié)構(gòu)外水壓力得到明顯降低，表明體外排水方式對(duì)底部水壓力的控制效果優(yōu)越。

圖8 不同水頭高度下涌水量對(duì)比情況

圖9 不同水頭高度下隧道結(jié)構(gòu)外水壓力對(duì)比情況

3 體外排水方式特征參數(shù)影響分析

鑒于體外排水方式的布設(shè)形式及參數(shù)對(duì)隧道滲流場(chǎng)存在明顯影響，且國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)施工領(lǐng)域未有相關(guān)研究。因此基于本文所得理論模型，對(duì)排水方式的主要特征參數(shù)(排水洞半徑r1、排水洞埋設(shè)深度h0)進(jìn)行探討分析。

3.1 排水洞埋設(shè)深度的影響

取地層參數(shù)ks=10-6m/s，hs=143.5 m，取排水特征參數(shù)r1=0.4 m，取隧道尺寸參數(shù)r2=6.5 m，改變排水洞埋設(shè)深度h0，得到不同埋設(shè)深度h0下的排水洞涌水量、底部結(jié)構(gòu)水壓力變化曲線。需要說明的是，由于體外排水方式水壓控制作用在隧道底部最為突出，因此影響探討中著重于分析底部結(jié)構(gòu)的水壓力變化規(guī)律，見圖10。

圖10 不同埋設(shè)深度下結(jié)構(gòu)水壓力與涌水量變化曲線

由圖10可知：

(1)隨埋設(shè)深度h0的增加(0～1.5 m)，排水洞涌水量從10.26 m3/d增至11.82 m3/d，增長(zhǎng)幅度為15.2%，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)涌水量增速呈現(xiàn)逐漸放緩的趨勢(shì)，分析增速放緩的原因，這應(yīng)是由于：當(dāng)埋設(shè)深度h0較小時(shí)不透水的隧道結(jié)構(gòu)對(duì)排水洞附近圍巖滲流存在較大的阻隔作用，致使涌水量相較于排水洞單獨(dú)排水情況出現(xiàn)一定降低，而隨著埋設(shè)深度h0逐步增加，隧道結(jié)構(gòu)的阻隔作用逐漸降低，排水洞的排水模式趨向于單獨(dú)排水情況，而單獨(dú)排水情況下涌水量基本保持不變。

(2)隨埋設(shè)深度h0的增加，底部結(jié)構(gòu)平均水壓力以h0=0.2 m為分界，呈現(xiàn)先降低后增長(zhǎng)的變化態(tài)勢(shì)。同時(shí)，底部水壓力的變化并非呈現(xiàn)往往所認(rèn)為的“排水洞越靠近隧道，底部結(jié)構(gòu)平均水壓力越小”的變化規(guī)律。分析該現(xiàn)象：埋深的增加，對(duì)排水洞及底部結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)包括排水洞排水量提升(進(jìn)而增加底部結(jié)構(gòu)降壓能力)的正面影響，亦包括因距離增加導(dǎo)致的水壓控制效果降低的負(fù)面影響；當(dāng)埋設(shè)深度較小時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)排水洞滲流場(chǎng)的阻隔作用較為明顯，此時(shí)埋深的增加使得排水量存在較大提升，正面影響起主導(dǎo)作用，最終表現(xiàn)為底部結(jié)構(gòu)水壓力的降低；當(dāng)埋設(shè)深度較大時(shí)，埋深的進(jìn)一步增加對(duì)排水洞排水量的提升不甚明顯，此時(shí)埋深增長(zhǎng)帶來的負(fù)面影響應(yīng)起主導(dǎo)作用。

3.2 排水洞半徑的影響

取地層參數(shù)ks=10-6m/s，hs=143.5 m，取排水特征參數(shù)h0=0.4 m，取隧道尺寸參數(shù)r2=6.5 m，改變排水洞半徑r1，得到不同半徑r1下的排水洞涌水量、底部結(jié)構(gòu)水壓力變化曲線，見圖11。由圖11可知：

圖11 不同排水洞半徑下結(jié)構(gòu)水壓力與涌水量變化曲線

(1)隨半徑r1的增加(0.1～1.0 m)，排水洞涌水量從8.94 m3/d增至13.14 m3/d，增長(zhǎng)幅度為46.98%，相比于埋設(shè)深度h0，半徑變化對(duì)排水洞涌水量的影響更為顯著。同時(shí)，隨著半徑增加，涌水量增速亦出現(xiàn)了逐漸放緩的變化規(guī)律，分析該現(xiàn)象，應(yīng)與隨排水洞半徑逐漸變大，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)排水洞滲流場(chǎng)的阻隔作用逐漸增強(qiáng)有關(guān)。

(2)隨著半徑r1的增加(0.1～1.0 m)，底部結(jié)構(gòu)平均水壓力從582.37 kPa降至290.22 kPa，降幅達(dá)50.16%，對(duì)比圖10可知，半徑r1的變化對(duì)底部結(jié)構(gòu)水壓力的影響更為顯著，同時(shí)由于排水量增速減緩的影響，當(dāng)半徑r1逐步增加時(shí)底部結(jié)構(gòu)水壓的降速亦有降緩。

3.3 合理特征參數(shù)的確定

對(duì)于埋設(shè)深度h0，因其對(duì)排水量的影響相對(duì)較小，需確定取值時(shí)應(yīng)更多的從方便現(xiàn)場(chǎng)施工、保證排水效果、利于隧底穩(wěn)定性等方面進(jìn)行考慮。當(dāng)埋設(shè)深度較小時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)排水洞滲流場(chǎng)的阻隔作用較為明顯，不利于體外排水方式充分發(fā)揮其降壓效果；而埋設(shè)深度較大時(shí)，不僅排水管溝的開挖成型難度加大，大大增加開挖面積，耗費(fèi)人力、財(cái)力，而且在圍巖條件較差時(shí)不利于隧底圍巖穩(wěn)定。因此，綜合上文及3.1節(jié)分析結(jié)果，筆者認(rèn)為埋設(shè)深度h0取0.2～0.5 m較為合理，既能保證降壓效果，又能控制開挖成本、節(jié)約開挖時(shí)間、保障隧底穩(wěn)定。

由3.2節(jié)分析可知，排水洞半徑r1對(duì)降壓效果、涌水量均存在較大影響，同時(shí)相對(duì)于埋設(shè)深度h0，半徑r1對(duì)開挖面積及成型難度的影響更大(排水洞面積隨半徑r1的二次方增長(zhǎng))。因此，排水洞半徑r1的取值應(yīng)當(dāng)兼具較好的水壓力控制效果、較低的涌水量值(過大涌水量易導(dǎo)致水資源浪費(fèi))、較小的開挖成型面積，綜合上述各因素，筆者認(rèn)為半徑r1取0.3～0.5 m為宜。以圖11為例，當(dāng)r1取0.3～0.5 m時(shí)，涌水量為10.43～11.40 m3/d，底部結(jié)構(gòu)水壓力為457～388 kPa(初始水頭的29.2%～24.83%)，排水洞開挖面積為0.28～0.79 m2，上述量值基本合理，可以認(rèn)為能夠滿足前文所提需求。

綜上所述，體外排水方式較為合理的特征參數(shù)取值應(yīng)為埋設(shè)深度0.2～0.5 m、半徑0.3～0.5 m。同時(shí)，在具體工程中應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件，當(dāng)巖質(zhì)較差時(shí)特征參數(shù)可作適當(dāng)調(diào)整，以盡可能控制排水洞開挖帶來的隧底圍巖穩(wěn)定性不利影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道概況及水文地質(zhì)特征

南陽隧道建設(shè)于江西省境內(nèi)，隧道里程DK169+267—DK174+998，隧道全長(zhǎng)5 731 m，最大埋深193 m，隧道采用人字形坡設(shè)計(jì)。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧道穿越圍巖主要為灰?guī)r、白云巖，巖溶特征較發(fā)育，隧道主要涌水區(qū)段屬于強(qiáng)透水、強(qiáng)富水溶隙溶洞含水地層，見圖12。同時(shí)，該地區(qū)地表降雨豐富，多處分布有落水洞、巖溶洼地，地下水具備較好的補(bǔ)給條件。此外，在勘測(cè)階段發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)存在多條地下暗河，且暴雨季節(jié)流量明顯增大。

鑒于上述復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，尤其是斷層、裂隙密集等區(qū)段可能出現(xiàn)地下水頭高、涌水量大的問題，若未采用適宜防排水方式，極易導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期隧道水害的發(fā)生，危及行車安全。因此，設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新性的于全隧采用了前文所述的體外排水方式。

圖12 隧道典型區(qū)段地質(zhì)縱斷面圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及測(cè)試斷面的選取

參考前文已得的“埋設(shè)深度0.2～0.5 m、半徑0.3～0.5 m”合理特征參數(shù)，結(jié)合隧道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員選取了較為適宜的0.4 m排水洞半徑，而對(duì)于埋設(shè)深度，根據(jù)圍巖級(jí)別的不同，分梯度設(shè)置(Ⅲ級(jí)0.5 m、Ⅳ級(jí)0.4 m、Ⅴ級(jí)0.2 m)。埋設(shè)深度梯度設(shè)置的主要原因包括：①巖質(zhì)較好時(shí)，隧底開挖易造成超挖嚴(yán)重，稍大的埋設(shè)深度值方便現(xiàn)場(chǎng)成型作業(yè)；②巖質(zhì)較差時(shí)，0.2 m的埋設(shè)深度能夠充分發(fā)揮排水洞降壓能力(見3.1節(jié))，更重要的是，較小的埋設(shè)深度能夠降低對(duì)隧底圍巖的擾動(dòng)，利于隧道圍巖穩(wěn)定及底部結(jié)構(gòu)安全。

需要說明的是，出于對(duì)水文地質(zhì)復(fù)雜性以及體外排水方式首次應(yīng)用能否達(dá)到預(yù)期效果的考慮，設(shè)計(jì)人員最終對(duì)于常規(guī)排水方式仍然保留，采取新增隧底排水管溝的方式，即聯(lián)合常規(guī)排水、體外排水兩種方式共同排水。以Ⅳ級(jí)圍巖為例，隧道結(jié)構(gòu)斷面最終設(shè)計(jì)情況，見圖13。

圖13 隧道結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：cm)

南陽隧道修建過程中，數(shù)次出現(xiàn)掌子面涌水量較大等問題，其中在穿越3#異常區(qū)時(shí)也發(fā)生了掌子面涌水，見圖14(a)。開挖過程中的涌水情況說明了隧道穿越地層地下水量確實(shí)較為豐富，也表明了采用體外排水方式的必要性。由于南陽隧道巖質(zhì)相對(duì)較好、隧底封閉及時(shí)，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中排水洞溝槽成型總體順利，見圖14(b)。隧底穩(wěn)定性問題未有發(fā)生。但是總的來說，排水洞開挖可能引發(fā)的隧底相關(guān)問題是不應(yīng)忽視的，尤其是今后在軟弱地層中采用體外排水方式時(shí)，應(yīng)注重隧底圍巖穩(wěn)定性影響，必要時(shí)可采取一定加固措施，并盡可能做到底部結(jié)構(gòu)的及時(shí)封閉。

為進(jìn)一步了解隧道外水壓力實(shí)際分布特征，于3#異常區(qū)內(nèi)選?、艏?jí)圍巖條件下典型斷面DK171+250(見圖12)，對(duì)隧道底部水壓力進(jìn)行了測(cè)試，水壓力測(cè)試點(diǎn)位共計(jì)7處。

圖14 南陽隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

4.3 測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證與討論

經(jīng)過為期2年的水壓力測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)該斷面底部水壓力受天氣影響較大，旱季時(shí)水壓普遍較小，而雨季時(shí)水壓增長(zhǎng)明顯。基于某次降雨過后底部水壓力的分布情況，結(jié)合本文所得理論模型，采用試算方法對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了擬合，并對(duì)參數(shù)取值予以簡(jiǎn)要說明：基于面積等效法，將開挖面積為133.32 m2的隧道等效為邊界半徑為r2=6.5 m的圓形隧道；根據(jù)地勘資料，取ks=2×10-6m/s；基于圖13參數(shù)，取h0=0.4 m、r1=0.4 m；根據(jù)1～4號(hào)點(diǎn)埋設(shè)位置，分別取對(duì)應(yīng)ρ1為0.8、1.97、3.65、5.33 m(5～7號(hào)點(diǎn)對(duì)稱取值)；并經(jīng)多次試算擬合，取hs=38 m；具體擬合情況見圖15，由圖15可知：

圖15 水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及解析擬合(單位：kPa)

(1)底部結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)水壓力呈現(xiàn)“W”式分布，即隧底及邊墻較小、仰拱半寬中點(diǎn)處(2、6號(hào)點(diǎn))較大，最大水壓力位于6號(hào)測(cè)點(diǎn)處，其值為212 kPa。分析上述分布特征，應(yīng)是受排水洞和邊墻出水口的排水作用，隧底、邊墻處作為泄水點(diǎn)，泄水降壓能力較強(qiáng)，水壓力值相對(duì)較小，而距離泄水點(diǎn)均較遠(yuǎn)的2、6號(hào)點(diǎn)，降壓能力較弱，易形成相對(duì)較高的水壓力。此外，右半斷面實(shí)測(cè)水壓力稍大于左半斷面，可能是由于地下水徑流方向從右向左導(dǎo)致的。

(2)對(duì)比實(shí)測(cè)值與解析值可以發(fā)現(xiàn)，2、6號(hào)點(diǎn)擬合程度較高，而1、7號(hào)點(diǎn)相差較大，分析上述原因，應(yīng)是由于：2、6號(hào)點(diǎn)距離排水洞較近，其水壓力主要受到排水洞滲流場(chǎng)影響，因此反映排水洞滲流場(chǎng)特征的解析值能夠與實(shí)測(cè)水壓力吻合較好；而1、7號(hào)點(diǎn)距離邊墻出水口較近，水壓力分布主要受到邊墻出水口影響，而非排水洞滲流場(chǎng)，故出現(xiàn)解析值與實(shí)測(cè)值存在一定差異的情況。

(3)若將解析值視為僅考慮體外排水方式下的底部水壓力分布，對(duì)比實(shí)測(cè)值可知：體外排水方式下底部結(jié)構(gòu)平均水壓力為188.57 kPa，而采用聯(lián)合體外排水、常規(guī)排水的共同排水方式時(shí)，底部水壓力僅為124.57 kPa，相比于hs+2r1=51 m的初始水頭，兩種排水方式的水壓降幅分別為63.03%、75.58%。因此，增加邊墻泄水點(diǎn)的共同排水方式較體外排水方式能夠更好的控制底部結(jié)構(gòu)水壓力。

(4)進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)于富水高壓且地下水允許排放量較高的隧道而言，聯(lián)合體外排水、常規(guī)排水的共同排水方式不失為一種隧底水壓力降壓能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)安全性保障作用優(yōu)的新型排水方式。

5 結(jié)論與展望

(1)由于體外排水方式與常規(guī)排水方式在排水路徑、排導(dǎo)能力、水壓分布方面均存在較大差異，現(xiàn)有隧道滲流場(chǎng)理論體系已無法反映體外排水方式的有關(guān)特征。因此，基于鏡像法和滲流力學(xué)理論，提出了體外排水隧道滲流場(chǎng)理論模型，推導(dǎo)了半無限場(chǎng)體外排水隧道滲流場(chǎng)及涌水量解析解，并通過解析退化、數(shù)值仿真、實(shí)測(cè)比對(duì)三種方法共同驗(yàn)證了公式的正確性。公式的提出對(duì)于完善隧道滲流場(chǎng)理論體系具有顯著的理論意義。

(2)基于本文理論模型，探討了排水洞埋深、半徑對(duì)體外排水方式隧道結(jié)構(gòu)水壓力、涌水量的影響，改變了“埋設(shè)深度越小越利于底部水壓力控制”的普遍認(rèn)知，并結(jié)合工程實(shí)際，制定了“埋深0.2～0.5 m、半徑0.3～0.5 m”的合理排水特征參數(shù)。該參數(shù)的提出對(duì)于優(yōu)化體外排水隧道設(shè)計(jì)并進(jìn)一步指導(dǎo)施工實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)意義。

(3)依托水文地質(zhì)條件復(fù)雜的南陽隧道，開展了體外排水方式的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用情況表明隧底排水洞的設(shè)置能夠有效降低底部結(jié)構(gòu)外水壓力，對(duì)于隧底隆起、軌道變形甚至隧底結(jié)構(gòu)破壞等病害的發(fā)生可以起到有力的防治作用，此外，聯(lián)合常規(guī)排水、體外排水的共同排水方式亦為富水高壓隧道防排水體系設(shè)計(jì)提供了新思路?？梢灶A(yù)見，體外排水方式以及共同排水方式在今后的富水隧道建設(shè)中具有廣泛應(yīng)用前景。

(4)體外排水具有排水能力強(qiáng)、降壓效果優(yōu)等特點(diǎn)，適用于富水高壓地層，然而在長(zhǎng)期排水降壓的同時(shí)，對(duì)地下水資源可能存在一定影響，因此如何結(jié)合隧址區(qū)地下水情況制定合理限排標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步優(yōu)化體外排水設(shè)計(jì)將作為筆者后續(xù)研究的方向。