高壓富水地區(qū)巖溶隧道防排水設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

胡 煒 譚信榮 李 奎 蔣 堯

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

我國(guó)是巖溶分布區(qū)域最廣的國(guó)家，尤以西南山區(qū)巖溶分布最為集中。在巖溶地層中修建隧道，施工難度較高，若對(duì)地下水處理不當(dāng)，會(huì)給隧道的運(yùn)營(yíng)埋下安全隱患。

目前，巖溶地區(qū)的山嶺隧道主要采用“以堵為主，限量排放”的原則[1-2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者們?cè)凇耙远聻橹鳌鼻疤嵯氯绾螌?shí)現(xiàn)地下水的“限量排放”方面開(kāi)展了大量的科研工作。王秀英等人從理論上推導(dǎo)了隧道注漿圈、襯砌水壓和隧道排水量的解析公式[3-6]；謝興華等人采用數(shù)值計(jì)算分析了不同排水孔布置方案對(duì)滲流場(chǎng)的影響規(guī)律[7]；陶偉明論述了“堵水限排”結(jié)構(gòu)體系中注漿圈、排水系統(tǒng)、抗水壓襯砌等在“堵水”和“限排”中所扮演的角色及方案優(yōu)化問(wèn)題[8]；張煒等人分析了巖溶隧道的突水機(jī)制及防治技術(shù)，通過(guò)實(shí)際工程案例強(qiáng)調(diào)了“堵水限排”的基本原則[9-10]。

但上述防排水方案仍未能很好地處理隧道底部的高水壓?jiǎn)栴}。近年來(lái)，由于隧底高水壓導(dǎo)致隧底上鼓、軌道變形的情況屢有發(fā)生，嚴(yán)重危害了隧道的運(yùn)營(yíng)安全。如貴廣鐵路高天隧道、襄渝二線新大巴山隧道、武廣鐵路紅橋隧道、滬昆鐵路小高山隧道、云桂鐵路那吉隧道等均出現(xiàn)過(guò)由高水壓導(dǎo)致的仰拱變形及破壞，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)數(shù)值分析和模型試驗(yàn)，探明了高壓富水地區(qū)隧道仰拱的破壞機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了4種針對(duì)隧底高水壓的防排水方案。通過(guò)求解滲流場(chǎng)，對(duì)比分析了不同方案的排水效果，確定了最優(yōu)方案。

2 計(jì)算模型

溫度比擬法具有計(jì)算時(shí)間快、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，且計(jì)算精度也滿足工程要求[11-12]。故本次計(jì)算采用溫度比擬法，利用溫度場(chǎng)模擬滲流場(chǎng)，計(jì)算只考慮滲流場(chǎng)。計(jì)算模型選取solid70單元來(lái)模擬實(shí)體單元?？v向設(shè)置3根環(huán)向排水盲管，每?jī)森h(huán)的間距為 5 m，隧道縱向總長(zhǎng)15 m，隧道中心向左右、上下邊界的距離均取為 50 m，拱頂上方水頭高 43 m。襯砌為速度 350 km/h雙線鐵路隧道Ⅳb型復(fù)合式襯砌。透水層和防水板厚3 mm，排水盲管直徑均為10 cm。中央排水溝的尺寸為0.6 m×0.8 m，模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖(m)

本文分別對(duì)4種防排水方案的排水效果進(jìn)行研究，如圖2所示。

注：圖中的防水層只繪制了左半部分圖2 4種防排水方案計(jì)算模型圖

(1)方案1

為常規(guī)半包半排方案，該方案僅在拱墻范圍內(nèi)設(shè)置防水層和排水系統(tǒng)，襯砌拱部背后的地下水可通過(guò)環(huán)向排水管導(dǎo)入縱向排水管排出隧道，也可通過(guò)橫向排水管匯入中央排水溝排出隧道。

(2)方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，在隧底施作一縱向排水管，用以排放隧底的地下水。該方案在巖溶發(fā)育地段有所應(yīng)用。

(3)方案3

為全包全排方案，該方案在襯砌全環(huán)設(shè)置防水層和環(huán)向排水管，并在隧道底部增加了縱向排水管，通過(guò)設(shè)置豎向排水管將隧底縱向排水管、環(huán)向排水管及中央排水溝連通，從而形成1個(gè)完整循環(huán)的排水系統(tǒng)。襯砌拱部的水通過(guò)環(huán)向排水管、橫向排水管匯入中央排水溝排出，隧底的地下水可直接通過(guò)隧底縱向排水管排出，也可通過(guò)環(huán)向排水管及豎向排水管匯入中央排水溝排出。

(4)方案4

在方案3的基礎(chǔ)上，取消了橫向排水管，使拱墻的部分地下水通過(guò)環(huán)向排水管匯入隧底，然后通過(guò)豎向排水管匯入中央排水溝排出。

本文分別求解4種方案的滲流場(chǎng)，分析襯砌水壓力分布規(guī)律，并對(duì)比4種方案對(duì)二次襯砌的排水泄壓效果，確定最優(yōu)方案。

3 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算模型的幾何參數(shù)根據(jù)襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)如 表1所示。圍巖滲透系數(shù)取k=2×10-4cm/s，其余材料的滲透系數(shù)可參考文獻(xiàn)[13-14]，如表2所示。為更清晰地明確不同排水方案的排水泄壓效果，本次計(jì)算不考慮注漿圈，以排除注漿圈對(duì)結(jié)果的影響。

表1 結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)表

表2 圍巖及結(jié)構(gòu)物滲透系數(shù)相對(duì)比值表

4 計(jì)算分析

4.1 襯砌水壓分布云圖

4種防排水方案的襯砌水頭分布云圖如圖3～圖6所示。

圖3 方案1二襯水壓分布圖(m)

圖4 方案2二襯水壓分布圖(m)

圖5 方案3二襯水壓分布圖(m)

圖6 方案4二襯水壓分布圖(m)

由圖3～圖6可知：

(1)4種方案的拱部水壓均表現(xiàn)為同樣的規(guī)律：由于排水管的排水泄壓作用，水壓在環(huán)向排水管位置處最低，兩環(huán)排水管之間的襯砌水壓較高。

(2)由于隧底排水管的排水泄壓作用，方案3與方案4的仰拱水壓分布與拱部水壓分布規(guī)律相似，在環(huán)向排水管及隧底縱向排水管附近水壓較低，其他部位水壓較高；方案2只存在隧底縱向排水管，故只有縱向排水管附近的水壓降低；方案1仰拱部位的水壓基本保持不變，無(wú)泄壓效果。

4.2 襯砌水壓縱向分布

為進(jìn)一步明確襯砌水壓的縱向分布規(guī)律，本文根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，繪制了4種方案襯砌拱頂、邊墻、拱腳及拱底位置水壓沿隧道縱向的分布曲線，如圖7～圖10所示。

圖7 拱頂水壓分布曲線圖

圖8 邊墻水壓分布曲線圖

圖9 拱腳水壓分布曲線圖

圖10 拱底水壓分布曲線圖

由圖7可看出，4種方案的拱頂水壓縱向分布規(guī)律相同，即在環(huán)向排水管位置(Z=0，Z=5，Z=10)水壓接近0，兩環(huán)排水管之間的水壓較高，整體呈波浪形分布。方案2～4的襯砌拱頂水壓大小基本相同，拱頂控制水壓(最大水壓)相對(duì)方案1下降18%。同樣，從圖8、圖9可看出，4種方案邊墻及拱腳位置的水壓與拱頂水壓表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

從圖10可看出，4種方案拱底水壓的分布規(guī)律有明顯區(qū)別。由于隧底排水管的泄壓作用，方案2～4的水壓相較于方案1大幅度下降。方案2～4的隧底控制水壓相近，相較于方案1下降85%，但由于仰拱部位環(huán)向排水管卸壓作用，方案3和方案4仰拱環(huán)向排水管附近的水壓要低于方案1。

綜合以上分析，4種方案的排水泄壓效果為方案 3=方案4≈方案2>方案1。

4.3 襯砌水壓環(huán)向分布

選取兩環(huán)向排水管中間斷面(Z=2或Z=8)為監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，繪制該斷面水壓沿襯砌環(huán)向的分布曲線，并與不排水情況(即襯砌承受靜水壓力)對(duì)比，如圖11所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，方案2～4的監(jiān)測(cè)斷面水壓基本相同，故可近似為同一條曲線。

圖11 襯砌環(huán)向水壓分布(m)

由圖11可以看出，方案1的襯砌環(huán)向水壓分布大致可分為3個(gè)區(qū)域，即拱部水壓累積區(qū)、排水管泄壓區(qū)和仰拱恒壓區(qū)。拱部水壓累積區(qū)指拱頂至邊墻區(qū)域，水壓逐漸增大；排水管泄壓區(qū)指拱腳位置區(qū)域，由于縱向排水管的排水作用，水壓急劇降低，趨近于0；仰拱恒壓區(qū)指拱腳至仰拱底區(qū)域，由于無(wú)排水管的排水泄壓作用，水壓幾乎保持不變。由于隧底排水管的泄壓作用，方案2～4的仰拱區(qū)域?yàn)樾箟簠^(qū)，而非恒壓區(qū)，仰拱水壓相對(duì)方案1有明顯下降。

4個(gè)方案相對(duì)于不排水情況下，襯砌拱部水壓均有所降低。方案1拱頂水壓較不排水情況下的降幅為35%，方案2和方案3的降幅為45%，這表明相較于方案1～4對(duì)拱墻的泄水降壓效果更好。方案1仰拱部位的水壓和不排水情況下的水壓基本相同，方案2～4對(duì)仰拱附近水壓有明顯的降低效果，降幅達(dá)到85%。這表明方案1無(wú)法對(duì)仰拱泄水降壓，方 案2～4對(duì)仰拱的降壓效果明顯。

綜上，對(duì)比方案1和方案2可知，采用半包半排時(shí)，可在隧底設(shè)排水管以降低隧底水壓；對(duì)比方案3和方案4可知，全包全排方案并在隧底設(shè)置縱向排水管時(shí)，可取消橫向排水管，并通過(guò)豎向排水管將環(huán)向排水管的水引至中央排水溝；對(duì)比方案2和方案4可知，隧底縱向排水管對(duì)隧道底部的排水卸壓起主要作用，仰拱部位環(huán)向排水管的卸壓效果不明顯。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)以上研究，可得到以下主要結(jié)論：

(1)半包半排方案(方案1)可有效降低拱部水壓，拱頂控制水壓相對(duì)靜水壓降幅達(dá)35%，但對(duì)隧底水壓幾乎無(wú)降低效果。

(2)采用半包半排方案時(shí)，在隧底增設(shè)縱向排水管可進(jìn)一步降低襯砌水壓(方案2)，拱頂控制水壓相對(duì)靜水壓力降幅為45%，相對(duì)半包半排方案降幅為18%，拱底控制水壓相對(duì)靜水壓和半包半排方案降幅達(dá)85%。

(3)采用全包全排方案，并在隧底增設(shè)排水管時(shí)，取消橫向排水管不影響排水系統(tǒng)的排水能力。環(huán)向排水管中的水可通過(guò)豎向排水管引至中央排水溝。

(4)隧底縱向排水管對(duì)隧道底部的排水卸壓起主要作用。當(dāng)設(shè)置隧底縱向排水管時(shí)，半包半排和全包全排兩種方案的排水效果基本相同。

(5)當(dāng)隧道底部水壓低于襯砌所能承受的最大水壓時(shí)，可考慮采用方案1；當(dāng)隧道底部水壓高于襯砌所能承受的最大水壓時(shí)，方案2～4的排水效果基本相同。但方案2無(wú)論是從施工工藝的便捷性，還是從經(jīng)濟(jì)性來(lái)講，均優(yōu)于方案3和方案4，因此優(yōu)先推薦采用方案2。