堵排水方式對秦嶺隧洞襯砌外水壓力的影響研究

趙 力，蘇 巖，王 博，魏 軍 政，陶 磊

(1.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024； 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

目前國內(nèi)外修建的地下工程越來越多，埋深越來越大，外水壓力的應(yīng)對是深埋隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計施工中需要重點關(guān)注的難題之一，尤其是在地下水條件復(fù)雜的富水區(qū)域，外水壓力直接影響著隧洞建設(shè)和運營安全[1-2]。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)承受外水壓力時，通常有封堵和排放兩種處理方式。封堵采用固結(jié)灌漿或防水措施將地下水封堵在襯砌圈外，但當(dāng)初始水頭壓力全部作用在襯砌上時，會對襯砌結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。排放是通過設(shè)置排水孔等措施將地下水排出，但大量排放會改變區(qū)域地下水環(huán)境，易引發(fā)巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。襯砌外水壓力與灌漿圈、襯砌、排水設(shè)計等有關(guān)，影響因素復(fù)雜，因此，開展外水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響研究具有重要的現(xiàn)實意義[5-6]。

近年來，許多學(xué)者對外水壓力的確定和處理進行了深入研究。謝小帥等[7]通過對隔水層的位置高度、厚度以及與圍巖的相對滲透性開展敏感性分析，對襯砌外水壓力變化規(guī)律進行了研究。于麗等[8]采用隧道滲流模擬試驗系統(tǒng)，提出了基于圍巖滲透影響范圍的隧道外水壓力計算方法。劉立鵬等[9]對不同襯砌型式外水作用規(guī)律與外水壓力折減系數(shù)進行了分析與討論，給出了地下隧道工程襯砌外水壓力應(yīng)對處理的基本方法。吳劍疆[10]結(jié)合深埋隧洞對減小襯砌外水壓力措施進行了分析，對折減系數(shù)法、解析法和數(shù)值法等方法進行了評價。肖欣宏等[11]對復(fù)雜巖溶地區(qū)隧洞襯砌外水壓力及滲流場變化規(guī)律進行研究分析，以確定合適的設(shè)計參數(shù)。張治國等[6]對富水山嶺地區(qū)鄰近補水?dāng)鄬铀淼澜Y(jié)構(gòu)上的水頭分布進行了解析求解。郭鴻雁等[12]基于流固耦合分析，對富水隧道襯砌結(jié)構(gòu)合理的外水壓力取值和限量排放標(biāo)準(zhǔn)進行了研究。侯新文等[13]針對隧洞圍巖及灌漿圈非均質(zhì)性的特點，建立了求解其外水壓力的數(shù)值方法。高永琪[14]分析評價了泄洪洞上平段高外水壓力作用下的襯砌安全性。周亞峰等[15]分析對比了襯砌外水壓力的折減系數(shù)法、理論解析方法和數(shù)值分析方法，進行了不同滲透環(huán)境和襯砌支護條件下的襯砌外水壓力計算。王克忠等[16]分析了深部隧洞裂隙圍巖滲透特性及襯砌外水壓力變化規(guī)律。漆江等[17]分析了隧洞滲透水壓力在施工期的分布規(guī)律，并推導(dǎo)襯砌與圍巖的應(yīng)力、位移彈性解析解。

本文采用數(shù)值計算，分別對無灌漿層和有灌漿層兩類情況下襯砌完全不透水、滲透性較低、設(shè)置排水孔這3種工況進行研究，分析了不同工況下襯砌外水壓力的變化規(guī)律，揭示了灌漿層不同滲透系數(shù)、不同厚度對襯砌外水壓力、滲流量等的影響，并以引漢濟渭秦嶺隧洞典型洞段襯砌結(jié)構(gòu)灌漿排水方案為例，驗證了排水孔設(shè)計的合理性，以期為高地下水頭環(huán)境作用下襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)和借鑒。

1 工程概況

引漢濟渭工程是國家“十三五”期間172項重大水利工程之一。其中秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，洞內(nèi)縱坡1/2 500，最大埋深2 012 m，設(shè)計流量70 m3/s。隧洞鉆爆法過水?dāng)嗝娌捎民R蹄型，成洞尺寸寬6.76 m，高6.76 m；TBM法施工斷面為圓形，直徑8.02 m。工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞區(qū)整體屬于秦嶺西部山區(qū)，地貌總體受構(gòu)造控制。秦嶺隧洞通過區(qū)地下水分為嶺南、嶺北兩大水流系統(tǒng)，以秦嶺嶺脊為分界線，嶺南屬于長江流域，嶺北屬于黃河流域。并根據(jù)斷裂構(gòu)造及地形地貌條件分為若干子水流系統(tǒng)，兩大水流系統(tǒng)之間及其內(nèi)部各子水流系統(tǒng)之間水力聯(lián)系微弱，基本無統(tǒng)一的地下水面，地下水分水嶺與地形地貌分水嶺一致。

由于山區(qū)大氣降水充沛，植被茂密，為地下水的形成提供了良好的補給條件?；鶐r山區(qū)的大氣降水及冰雪消融水通常以風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙作為主要通道，滲透于基巖層間，形成基巖裂隙水，經(jīng)短暫的徑流匯集以泉的形式排泄于溝谷中，匯成地表徑流，補給溝谷地下水。地下水受季節(jié)性控制明顯，雨季循環(huán)交替積極，泉水出露較多，水量較大，枯水期，泉水水量小，甚至干枯。

引漢濟渭秦嶺隧洞自開工建設(shè)以來，區(qū)內(nèi)共出現(xiàn)過不同程度突涌水超過600處，其中涌水量大于1 000 m3/d的有128處，對施工生產(chǎn)帶來諸多不利影響。其中鉆爆段最大一次突涌水發(fā)生于2013年6月17日椒溪河主洞區(qū)K2+706.9處，涌水量達(dá)23 600 m3/d；TBM段最大一次突涌水發(fā)生于2016年2月28 日嶺南TBM主洞區(qū)K30+382.6處，涌水量達(dá)20 640 m3/d，該工區(qū)涌水量達(dá)46 000 m3/d。

2 堵排設(shè)計對襯砌外水壓力的影響分析

2.1 計算模型

襯砌外水壓力受灌漿層、二次襯砌等不同部分的滲透系數(shù)影響。以秦嶺輸水隧洞典型斷面為例，模型從內(nèi)向外依次為襯砌層、灌漿層和巖層，上邊界為700 m全水頭，前后左右及下部均為不透水邊界，模型如圖1所示。襯砌厚度0.4 m，襯砌滲透系數(shù)為1.4×10-9m/s，其余參數(shù)隨分析工況而定。坐標(biāo)原點和坐標(biāo)的方向規(guī)定為：以(0，0，0)為坐標(biāo)原點，沿隧洞軸向為X軸，垂直洞軸向為Y軸，豎直方向為Z軸，向上為正。將該區(qū)域進行有限元單元劃分，劃分為24 000個六面體單元，節(jié)點26 624個。

圖1 隧洞模型示意Fig.1 The tunnel model schematic diagram

2.2 洞段無灌漿層

在圍巖滲透性較低的隧洞環(huán)境中，不考慮灌漿層，研究襯砌透水性與外水壓力的作用關(guān)系。在數(shù)值模型中，圍巖滲透系數(shù)取1.0×10-8m/s，襯砌透水性分為3種工況：① 完全不透水；② 襯砌未設(shè)置排水孔，具有一定滲透性，滲透系數(shù)較低，數(shù)值計算取1.0×10-9m/s；③ 襯砌設(shè)置排水孔，滲透系數(shù)較大，數(shù)值計算取1.0 m/s。3種工況下的壓力水頭等值線分布如圖2所示。

圖2 不同襯砌透水性下壓力水頭等值線分布Fig.2 The contour of pressure water head of lining with different permeability

由圖2(a)可以看出：襯砌完全不透水時，外水壓力全部作用于二次襯砌上，壓力水頭等于700 m左右，即外水壓力約7.0 MPa，此時對于襯砌安全極為不利。由圖2(b)可見：在圍巖滲透性較低的隧洞環(huán)境中，當(dāng)襯砌具有一定透水性而不加設(shè)排水孔時，襯砌壓力水頭為150 m左右，即外水壓力約1.5 MPa，較圖2(a)會有一定降低，但仍然承受較高的外水壓力，對襯砌安全性造成不利影響。圖2(c)中，加設(shè)排水孔時，作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力值降低至0，即襯砌不承受外水壓力作用。

由此可見，對于較高外水壓力的環(huán)境條件，排水孔是復(fù)合襯砌設(shè)計中不可忽略的措施，采用完全封堵方式會使襯砌結(jié)構(gòu)承受較大的外水壓力，容易導(dǎo)致后期運行期出現(xiàn)襯砌破壞。

2.3 洞段有灌漿層

在圍巖滲透性較高的隧洞環(huán)境下，考慮灌漿層，研究襯砌透水性與外水壓力的作用關(guān)系。在數(shù)值模型中，圍巖滲透系數(shù)取1.0×10-6m/s，襯砌透水性分為完全不透水、具有一定滲透性、設(shè)置排水孔3種工況。

2.3.1襯砌不透水

在數(shù)值模型中，圍巖滲透系數(shù)取1.0×10-6m/s，襯砌完全不透水，灌漿層厚度1.0 m，灌漿層滲透系數(shù)取1.0×10-8m/s，計算得到的壓力水頭等值線分布如圖3所示。

圖3 有灌漿層且襯砌不透水時壓力水頭等值線分布Fig.3 The contour of pressure head with grouting layer and impervious lining

由圖3可知，襯砌完全不透水、設(shè)置徑厚1 m的灌漿層時，外水壓力全部作用于二次襯砌上，此時所作用的外水壓力水頭等于700 m左右，折合外水壓力約7.0 MPa，即此時灌漿層并未起到降低襯砌外水壓力的作用，即有無灌漿層對襯砌外水壓力基本無影響。

2.3.2襯砌具有一定滲透性

襯砌本身具有一定的滲透性，但襯砌上未設(shè)置排水孔等排水措施，滲透系數(shù)較低，取1.0×10-9m/s，此種模擬工況對應(yīng)為：復(fù)合襯砌設(shè)計中，采用圍巖灌漿措施，而未設(shè)置排水系統(tǒng)，分析此工況下灌漿層不同滲透系數(shù)、不同厚度對襯砌外水壓力的影響。

(1) 灌漿層滲透系數(shù)的影響。灌漿層厚度取5 m，當(dāng)滲透系數(shù)分別取1.0×10-7，1.0×10-8m/s兩種不同情況下，襯砌外水壓力分布情況如圖4所示。

圖4 不同灌漿層滲透系數(shù)時壓力水頭等值線分布局部放大圖Fig.4 The contour distribution detail view of pressure head with different permeability coefficient of grouting layer

由圖4可知：襯砌具有一定透水能力，即灌漿層滲透系數(shù)為1.0 ×10-7m/s時，襯砌壓力水頭為500～510 m；當(dāng)灌漿層滲透系數(shù)為1.0 ×10-8m/s時，襯砌外水壓力水頭顯著降低，減小至160～170 m?？梢钥闯觯酀{層滲透系數(shù)越小，作用于襯砌上的外水壓力越小；由于未設(shè)置排水孔，襯砌僅具有自身一定的透水能力，因此襯砌上仍然受到一定的外水壓力作用。

(2)灌漿層厚度的影響。灌漿層滲透系數(shù)取1.0×10-8m/s，當(dāng)灌漿層厚度分別取1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m，襯砌外水壓力等值線分布如圖5所示，引水隧洞單寬滲流量隨灌漿層厚度變化如圖6所示。

圖5 不同灌漿層厚度時壓力水頭等值線分布Fig.5 The contour distribution of pressure head with different thicknesses of grouting layer

由圖5可知，襯砌不設(shè)置排水孔時，襯砌自身滲透系數(shù)較低，圍巖灌漿情況下，隨著灌漿層厚度增加，襯砌外水壓力不斷減小，當(dāng)灌漿層厚度為1.0 m時，襯砌外水壓力水頭為550 m；當(dāng)灌漿層厚度增加至5.0 m時，襯砌外水壓力水頭減小為370 m。然而，即使灌漿層厚度增加至5.0 m，并不能很好地削減作用于襯砌上的外水壓力，襯砌依然承受較大外水壓力。

由圖6可知，隨著灌漿層厚度增加，隧洞單寬滲流量逐漸降低，但降低幅度有限，在灌漿層厚度為5.0 m時，仍保持一定的滲流流量。因此，工程中采用圍巖灌漿而襯砌中不設(shè)置排水孔時，隨著灌漿層厚度的變化，作用于襯砌上的外水壓力雖有變化但降低較少，即在較高的地下水頭作用環(huán)境下，僅單獨采用圍巖灌漿，而未設(shè)置襯砌排水孔時，襯砌外水壓力控制效果不明顯，襯砌安全性仍面臨較大威脅。

圖6 沒有排水孔時襯砌滲流量隨灌漿層厚度變化Fig.6 The seepage discharge of lining of no drainage hole with the thickness of grouting layer

2.3.3襯砌設(shè)置排水孔

襯砌上設(shè)置排水孔時，襯砌滲透系數(shù)增大，取1.0 m/s，灌漿層滲透系數(shù)取1.0×10-8m/s，此種模擬工況對應(yīng)為：復(fù)合襯砌設(shè)計中，采用灌漿層措施的同時設(shè)置較好的排水系統(tǒng)，用于疏導(dǎo)灌漿層滲水量。當(dāng)灌漿層厚度分別取1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m，襯砌外水壓力等值線分布如圖7所示，引水隧洞單寬滲流量隨灌漿層厚度變化如圖8所示。

由圖7可知，采用灌漿層的同時設(shè)置排水孔，作用于襯砌上的外水壓力均為0，實現(xiàn)了較好控制外水壓力的目的。與圖5對比可以看出，只有當(dāng)具有排水功能后，灌漿層才能較好地發(fā)揮作用。

圖7 襯砌設(shè)置排水孔時不同灌漿層厚度壓力水頭等值線分布Fig.7 The contour distribution of pressure head with different thicknesses of grouting layer while setting drainage hole on lining

由圖8可知：隨著灌漿層厚度的增加，滲流量逐漸降低，即采用灌漿層和排水系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可使作用于襯砌上的外水壓力為0，同時可有效降低地下水滲流量，進而達(dá)到保證襯砌安全、降低對山體地下水影響的目的。

圖8 設(shè)置排水孔時襯砌滲流量隨灌漿層厚度變化Fig.8 The seepage discharge of lining with the thickness of grouting layer while setting drainage hole

3 典型洞段外水壓力計算

3.1 灌漿排水方案

在秦嶺隧洞選取K15+345洞段進行外水壓力計算。該段圍巖為Ⅲ類大理巖，埋深約567 m，隧洞洞軸線處的地下水位高度395 m，監(jiān)測到壓力水頭為4.6 m，Ⅲ類大理巖滲透系數(shù)為4×10-5cm/s。隧洞的堵排設(shè)計如圖9～11所示。襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計外水壓力不大于5 m，排水孔為星形3 m×3 m布置，每延米排水孔數(shù)量為0.83個，每個排水孔的有效孔徑取塑料排水盲溝的內(nèi)徑45 mm，根據(jù)工程經(jīng)驗，排水孔內(nèi)水的流速為0.5～1.0 m/s。

圖9 排水孔展示示意Fig.9 The schematic diagram of drainage holes

圖10 排水孔橫向布置示意Fig.10 The schematic diagram of transverse drainage holes

圖11 灌漿孔橫向布置示意Fig.11 The schematic diagram of transverse grouting holes

3.2 外水壓力計算

K15+345洞段沿洞軸線長度取3 m，建立三維滲流模型，如圖12所示。圖12(a)為垂直于洞軸線剖面的網(wǎng)格劃分圖，模型周邊選取洞軸線向外延伸200 m范圍。

圖12 三維滲流數(shù)值模型Fig.12 The three dimensional seepage numerical model

隧洞開挖前的初始滲流場如圖13所示，圍巖區(qū)的滲透性按均質(zhì)等效滲透考慮，可以看出，初始滲流場接近于靜水壓力分布特征。

圖13 隧洞初始滲流場(單位：cm/s)Fig.13 The initial seepage field of tunnel

隧洞經(jīng)開挖、襯砌、灌漿及排水孔施工后，隧洞滲流場如圖14所示?？梢钥闯?，在灌漿區(qū)內(nèi)地下水壓力水頭還是比較高的，由于排水孔的作用，作用在二襯結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力水頭基本接近于零，外水壓力較低，因此目前的堵排措施完全達(dá)到了設(shè)計要求。

圖14 隧洞采用堵排措施后的滲流場Fig.14 The seepage field of tunnel after water blocking and drainage

4 結(jié) 論

(1) 隨著襯砌結(jié)構(gòu)透水性的增強，作用于二次襯砌上的外水壓力逐漸降低；當(dāng)襯砌滲透系數(shù)是圍巖滲透系數(shù)的萬分之一時，外水壓力接近于初始圍巖水壓，灌漿對襯砌外水壓力基本沒有影響；當(dāng)襯砌具有一定滲透性而未設(shè)置排水孔，灌漿層滲透系數(shù)越小，作用于襯砌上的外水壓力越小，隨著灌漿層厚度增加，襯砌外水壓力不斷減小，滲流量不斷降低，灌漿層厚度達(dá)到一定程度后，襯砌外水壓力值雖有變化但降幅明顯趨緩。因此無限制增加灌漿層厚度并不可取，僅單獨采用圍巖灌漿而未設(shè)置排水孔時，襯砌依然會承受較大外水壓力，安全性仍面臨較大威脅。

(2) 采用圍巖灌漿并設(shè)置排水孔，可使作用于二襯上的外水壓力大幅度減小，有效降低滲流量。因此，在較高地下水頭作用環(huán)境下，設(shè)置排水孔對于保障襯砌安全是十分必要的。

(3) 對秦嶺隧洞典型洞段采取的堵排水方案進行了外水壓力復(fù)核。復(fù)結(jié)果核表明，在排水孔作用下，二襯結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力水頭基本接近于零，達(dá)到了設(shè)計要求。