富水山嶺隧道水壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響及應(yīng)用★

王 瓏，鮑洪韜，楊 迅，金 露，徐益康，張晨濤，徐智康

(1.浙江交投高速公路建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310000； 2.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000； 4.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與日俱增，特別是隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的提出，各種陸路交通的需求不斷增大。山嶺地形復(fù)雜，在開(kāi)挖隧道的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到高水壓力問(wèn)題[1]。隧道工程采用的排水方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓力大小等都需要進(jìn)一步的研究分析[2]。過(guò)去往往采取排放的方式來(lái)應(yīng)對(duì)地下水，但這導(dǎo)致了水環(huán)境破壞、地下水位降低、土壤固結(jié)等等一系列問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中因?yàn)闆](méi)有考慮水壓力的影響，會(huì)造成襯砌破裂，引發(fā)各種病害。富水山嶺隧道應(yīng)盡可能的通過(guò)注漿堵水來(lái)減小襯砌背后的效果，而不是一味地借用排水系統(tǒng)來(lái)排水[3]。該方法的研究可以在減小水壓力的同時(shí)盡可能的減少對(duì)地下水的破壞，起到保護(hù)水環(huán)境的一個(gè)效果。

在以往的研究的基礎(chǔ)上，本文主要概述了計(jì)算襯砌外水壓力的主要方法，然后分別研究了水頭高度、襯砌厚度、襯砌相對(duì)滲透系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，揭示了富水山嶺隧道襯砌水壓力的影響關(guān)系，最后，通過(guò)實(shí)際工程案例，對(duì)不同隧道斷面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與討論。本文的研究結(jié)果可為高水壓富水地區(qū)山嶺隧道的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 隧道襯砌水壓力計(jì)算模式概述

隧道排水方式主要包括全包、半包、排水型三種模式。20世紀(jì)，富水山嶺隧道主要是通過(guò)不斷的排水來(lái)解決水壓力過(guò)大的問(wèn)題。這種情況保證了安全因素，但是襯砌結(jié)構(gòu)背后沒(méi)有水荷載，降低了地下水位，破壞了水環(huán)境。20世紀(jì)修建的隧道大多是全包排水，對(duì)淺埋隧道影響不大，但是會(huì)導(dǎo)致深埋隧道襯砌背后水壓力增大，增加施工難度和成本。富水山嶺隧道襯砌外側(cè)的水壓力大小與眾多因素相關(guān)，主要包括隧道的埋置深度、水頭高度以及防排水模式等因素。目前，減系數(shù)法、理論解析法和數(shù)值解析法是計(jì)算襯砌外水壓力的最主要與最直接的方法。

在隧道工程條件簡(jiǎn)單的情況下，襯砌外水壓力可以通過(guò)水位線以下的水柱高度乘以折減系數(shù)得到。有學(xué)者在折減系數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)水壓力計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)三個(gè)修正系數(shù)來(lái)完善折減系數(shù)計(jì)算公式[4]。

理論解析法是對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以滲流理論為基礎(chǔ)計(jì)算襯砌外側(cè)水壓力，但是該方法的精度與實(shí)際存在一定的偏差。數(shù)值解析法利用滲流場(chǎng)分布規(guī)律計(jì)算襯砌外水壓力荷載，盡管采用滲流理論來(lái)求解襯砌外側(cè)水壓力，但是在計(jì)算過(guò)程中得到的隧道滲流場(chǎng)分布規(guī)律與實(shí)際仍然存在一定的差別。

2 富水隧道襯砌水壓力理論解析及其影響

隧道設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問(wèn)題就是地下水引起的力學(xué)作用。一般而言，可以根據(jù)排水方式，隧道結(jié)構(gòu)分為兩種類型，即全堵型和排水型結(jié)構(gòu)類型。對(duì)于全堵型隧道而言，作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力是一種表面力，等同于靜水壓力；然而，對(duì)于排水型隧道而言，由于圍巖和襯砌的透水以及地下水的流動(dòng)，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力是一種滲透體積力，近似為動(dòng)水壓力[5-6]。

在前人所做的研究基礎(chǔ)上，介紹基于采用理論解析法的隧道水壓力的計(jì)算原則和理論基礎(chǔ)，介紹作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力，介紹了隧道涌水量以及襯砌外側(cè)水壓力折減系數(shù)隨著不同因素的變化規(guī)律，即水頭高度、襯砌厚度與襯砌相對(duì)滲透性等。

隧道在水壓力作用下應(yīng)力場(chǎng)的分析應(yīng)遵循以下三個(gè)基本原則：第一，隧道外水壓力是一種滲透體積力，作用范圍為位于地下水位以下的整個(gè)空間，并且與水力梯度成正比。第二，外水壓力作用下的隧道應(yīng)力應(yīng)按照滲流荷載增量理論，如圖1所示。第三，隧道襯砌與圍巖有條件地聯(lián)合作用，若接觸面的法向應(yīng)力大于圍巖和襯砌的黏結(jié)強(qiáng)度，圍巖與襯砌呈現(xiàn)聯(lián)合作用，反之，兩者之間無(wú)聯(lián)合作用，即單獨(dú)作用。

2.1 水頭與埋深的問(wèn)題

水頭與埋深的問(wèn)題主要有兩類：一是水頭小于埋深問(wèn)題；二是水頭大于埋深問(wèn)題。根據(jù)彈性力學(xué)的知識(shí)，可有以下結(jié)論：襯砌的水壓力可以進(jìn)行軸對(duì)稱簡(jiǎn)化[7-8]。兩類問(wèn)題的簡(jiǎn)化示意圖如圖2，圖3所示。

根據(jù)彈性力學(xué)及前人的研究[9]，可以分別推導(dǎo)出隧道開(kāi)挖后施作襯砌前的圍巖水力勢(shì)、圍巖滲流力，施作襯砌后的注漿圈范圍的水力勢(shì)、施作后的流量、施作后襯砌范圍內(nèi)水力勢(shì)、襯砌背后空隙水壓力以及襯砌范圍內(nèi)的滲流力與合力，如表1所示。

表1 不同類型條件下圍巖水力勢(shì)、圍巖滲流力公式

對(duì)于第一類問(wèn)題，可以得出以下結(jié)論：襯砌效應(yīng)使得滲透力增量與隧道中心呈反向狀態(tài)；對(duì)于復(fù)合式襯砌，由于在隧道襯砌和圍巖之間鋪設(shè)了防水板等防排水設(shè)施，襯砌滲透力指向隧道中心。這時(shí)的滲流體積力合力可以近似簡(jiǎn)化為襯砌外邊緣表面力。因此，對(duì)于復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，用簡(jiǎn)單的“荷載-結(jié)構(gòu)”模型來(lái)計(jì)算分析[10]。

2.2 水頭高度對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

水頭高度在涌水量、水壓力折減系數(shù)方面，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的影響，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4分析可得，整體上，涌水量與作用水頭高度呈正相關(guān)，作用水頭增加，涌水量也增加；當(dāng)n=1 000時(shí)，襯砌滲透系數(shù)很小，接近于不透水，作用水頭高度對(duì)涌水量的影響不是特別大，涌水量不超過(guò)2 m3/(m·d)。水頭高度越小，水壓力折減系數(shù)也越小。水頭高度在100 m時(shí)，水頭高度對(duì)水壓力折減系數(shù)是一個(gè)分界狀態(tài)。隨著水頭高度的增加，作用水頭對(duì)水壓力折減系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，水壓力可近似認(rèn)為是靜水壓力。

2.3 襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

同樣，襯砌厚度對(duì)水壓力折減系數(shù)和涌水量方面具有一定的影響，進(jìn)而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可得，在涌水量方面，當(dāng)襯砌厚度在0.6 m時(shí)，襯砌厚度對(duì)涌水量的影響呈一個(gè)分界狀態(tài)，所以在控制涌水量時(shí)，不能一味地加大襯砌厚度。當(dāng)值處于中間值時(shí)，即襯砌的滲透系數(shù)處于中間值時(shí)，涌水量的變化也介于中間情況。同時(shí)，當(dāng)襯砌厚度小于0.6 m時(shí)，隨著襯砌厚度的增大，水壓力折減系數(shù)增大較明顯。

2.4 襯砌相對(duì)滲透系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

同樣，襯砌相對(duì)滲透系數(shù)也對(duì)涌水量和水壓力折減系數(shù)方面有一定的影響，進(jìn)而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其結(jié)果如圖6所示。

由圖6分析可得，在涌水量方面，隨圍巖滲透系數(shù)與襯砌滲透系數(shù)的比值n的增大，隧道的涌水量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且當(dāng)滲透系數(shù)與襯砌滲透系數(shù)的比值n超過(guò)某一定值時(shí)，此時(shí)隧道的涌水量趨近于0，這就意味著隧道襯砌表現(xiàn)為不透水。在水壓力折減系數(shù)方面，水壓力折減系數(shù)隨襯砌相對(duì)滲透性的增大而增大，襯砌相對(duì)滲透性在小于某一值時(shí)，壓力折減系數(shù)變化幅度較大，而當(dāng)該值后，壓力折減系數(shù)的幅度基本保持不變。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

臨(安)建(德)高速起自浙江與安徽兩省交界的千秋關(guān)隧道，終點(diǎn)與杭新景高速相接，路線全長(zhǎng)約85 km[11]。共設(shè)置隧道30座，隧道總長(zhǎng)達(dá)接近34 km，約占公路全長(zhǎng)的40%。隧道穿越的巖性以泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r和侵入的花崗巖等巖性為主，其中千秋關(guān)隧道、中臺(tái)山隧道、石柱山隧道、虎溪臺(tái)隧道和大巖山隧道等眾多隧道穿越灰?guī)r地層，以石柱山隧道、虎溪臺(tái)隧道為代表的部分隧道溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，隧道內(nèi)的溶孔、溶洞及巖溶水發(fā)育為甚，為施工期地下水突水突泥等災(zāi)害提供明顯的地下水來(lái)源。

3.2 氣象與水文條件

據(jù)區(qū)域氣象與水文資料[12-13]，該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)對(duì)沿線氣候影響顯著，雨水充沛。年平均降水量為1 552 mm～1 613.9 mm，年際間差異較大。該區(qū)域所經(jīng)地段大都屬浙西中山丘陵，沿線峰巒起伏延綿，溪溝縱橫切割，造成水系流向復(fù)雜。區(qū)內(nèi)河流多為山區(qū)性河流，均屬雨源型，河谷深切，峽谷眾多，河床縱坡降大。河流水位、流量受大氣降水的季節(jié)性變化影響顯著，具有暴漲暴落的特點(diǎn)，最大流量常出現(xiàn)在梅雨期和臺(tái)風(fēng)雨期。綜上隧道所處的環(huán)境，可以看出區(qū)域隧道是典型的富水山嶺隧道，且存在明顯性的季節(jié)性暴雨特性，故水壓力對(duì)區(qū)域隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力存在明顯的影響。因此，在設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)不同水壓條件，對(duì)區(qū)域隧道設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的劃分。

3.3 不同區(qū)段隧道設(shè)計(jì)

臨建高速公路隧道工程隧道暗洞襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。臨建高速公路隧道工程的初期支護(hù)以錨桿和鋼筋網(wǎng)噴混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用模筑混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間設(shè)防水排水夾層。根據(jù)隧道襯砌防水和耐久性要求，臨建高速公路隧道工程二次襯砌采用C30泵送混凝土結(jié)構(gòu)，抗?jié)B等級(jí)應(yīng)達(dá)到P8。一般條件下，圍巖等級(jí)越好，圍巖滲透系數(shù)越低。典型地質(zhì)條件與斷面條件下的具體支護(hù)參數(shù)詳見(jiàn)表2，圖7所示。

表2 臨建高速典型斷面隧道斷面襯砌支護(hù)參數(shù)

由表2可以看出，臨建高速公路隧道工程Ⅴ級(jí)圍巖中，深埋區(qū)段超前支護(hù)采用管棚(φ108×6 mm)或超前小導(dǎo)管(φ42 mm)，初期支護(hù)采用φ25×5 mm先錨后灌式中空注漿錨桿長(zhǎng)3.5 m，25 cm厚C25噴混凝土加A6定型鋼筋焊接網(wǎng)，14號(hào)工字鋼拱架(縱向間距0.75 m)，二次襯砌采用45 cm厚C30模筑鋼筋混凝土二次襯砌。臨建高速公路隧道工程Ⅳ級(jí)圍巖中，深埋區(qū)段超前支護(hù)必要時(shí)采用拱部超前錨桿長(zhǎng)4.5 m，初期支護(hù)采用φ25×5 mm 先錨后灌式中空注漿錨桿長(zhǎng)3.0 m，20 cm厚C25噴混凝土加A6定型鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋格柵拱架(縱向間距1.0 m)，二次襯砌采用35 cm厚C30模筑混凝土二次襯砌。臨建高速公路隧道工程Ⅲ級(jí)圍巖中，一般段無(wú)超前支護(hù)，初期支護(hù)采用φ25×5 mm先錨后灌式中空注漿錨桿長(zhǎng)2.5 m，10 cm厚C25噴混凝土加A6定型鋼筋焊接網(wǎng)，二次襯砌采用35 cm厚C30模筑混凝土二次襯砌，不設(shè)置仰拱。同時(shí)，針對(duì)不同圍巖條件下淺埋工況，不同斷面的初期支護(hù)中注漿錨桿分布與長(zhǎng)度、噴射混凝土的厚度存在一定的變化，二次襯砌拱圈厚度適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

隧道地下水處治方式具有差異性，所以會(huì)帶來(lái)不同的襯砌水壓力問(wèn)題。如何確定襯砌水壓力值，合理快捷的估算襯砌水壓力以及對(duì)降低襯砌水壓力方法的研究在富水區(qū)山嶺隧道的設(shè)計(jì)和建設(shè)方面都具有重要的指導(dǎo)作用。本文通過(guò)介紹水頭與埋深、水頭高度、襯砌厚度與襯砌滲透系數(shù)等方面對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，揭示了富水區(qū)山嶺隧道襯砌水壓力的影響關(guān)系，并通過(guò)實(shí)際工程案例，對(duì)不同隧道斷面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。這些研究方法與成果對(duì)于高水壓富水地區(qū)山嶺隧道在設(shè)計(jì)方面均具有一定的指導(dǎo)意義，為隧道的安全施工與運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)與方法幫助。