富水區(qū)隧道排水網(wǎng)絡(luò)體系卸壓能力研究

李化云， 周偉， 尚明源， 張志強(qiáng)

(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 成都 610039; 2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610061; 3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

中國大部分鐵路和公路隧道要求不滲、不漏，且滿足一定防水性標(biāo)準(zhǔn)[1]；不過偏遠(yuǎn)山區(qū)長大深隧道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，地下水位高，在無有效排水情況下，其水力作用會對隧道產(chǎn)生水害，如隧道突水突泥、滲透水等，會引發(fā)一定安全問題。

顧偉等[2]依托實(shí)際隧道工程建立排水系統(tǒng)，提出了新的二次襯砌外水壓力的折減方法。楊武策等[3]對隧道中傳統(tǒng)防排水分區(qū)理論所存在的不足之處進(jìn)行了分析,提出了隧道新型分區(qū)式防排水技術(shù)研究方法。彭琛等[4]通過仿真軟件建立隧道模型，提高了水力計(jì)算精度，得到了系統(tǒng)的動水壓力分布。包德勇[5]在研究過程中結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)而分析了富水隧道在裂隙密集帶突涌水的成因，且提出了應(yīng)對方案。袁海清等[6]則針對性地提出“以堵為主，限量排放”防排水方案，且做了實(shí)證分析；張素磊等[7]提出在二次襯砌和防水板間加一層排水板，可以有效改善傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)滲漏水的不足。侯本申[8]對比了不同環(huán)境下隧道的防排水體系，建立了針對淺埋隧道的噴涂防水方案，接著檢驗(yàn)了這種方案的應(yīng)用價(jià)值。金建偉[9]則具體分析了海底隧道結(jié)構(gòu)防排水相關(guān)的要求，且在實(shí)例分析基礎(chǔ)上給出相關(guān)參考建議。李曉軍等[10]提出環(huán)向盲管間距越大，復(fù)合式襯砌滲透系數(shù)越小。采用修正后的初期支護(hù)滲透系數(shù)來表征復(fù)合式襯砌的滲透性。陳向紅等[11]應(yīng)用了改良注漿材料對地層內(nèi)滲流場狀態(tài)進(jìn)行改善，發(fā)現(xiàn)這樣可降低地下水產(chǎn)生的影響。鄭波等[12]則具體討論了富水隧道水害防治相關(guān)要求，且綜合考慮到各方面因素，而建立了“嚴(yán)堵+暢排”的應(yīng)對策略。鞏江峰等[13]則對不同階段滲漏水病害特征和要求進(jìn)行分析，而提出了相關(guān)應(yīng)對策略，如排水板可采取釘射、強(qiáng)化無砟道床仰拱防排水。

綜上所述，針對富水區(qū)隧道的防排水結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)開展了眾多研究，并取得了系列成果，但很少有學(xué)者深入研究排水網(wǎng)絡(luò)體系對地下水的卸壓能力。基于此，現(xiàn)依托峨漢高速公路豹貍崗隧道工程實(shí)際，采用理論分析結(jié)合有限元方法討論水頭高度和環(huán)向盲管間距對隧道排水體系卸壓性能的影響規(guī)律，并確定出最佳環(huán)向盲管間距。

1 工況設(shè)置及物理力學(xué)參數(shù)

采用有限差分?jǐn)?shù)值軟件Flac3D，對隧道傳統(tǒng)的環(huán)縱向盲管網(wǎng)絡(luò)的排水能力進(jìn)行模擬分析研究。圖1為建立的模型，圖2為排水盲管設(shè)施示意圖，網(wǎng)格劃分采用六面體單元，單元個(gè)數(shù)為74 280，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為79 527。表1和表2列出了圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)及滲透系數(shù)。豹貍崗隧道排水網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的盲管直徑為100 mm，具體分析盲管間距和水頭高度確定出工況如表3所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of model

圖2 排水盲管設(shè)施示意圖Fig.2 Schematic diagram of blind pipe facility

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameter

表2 滲透系數(shù)Table 2 Coefficient of permeability

表3 計(jì)算工況Table 3 Calculation condition

2 不同水頭高度對襯砌背后水壓力分析

為探明不同水頭高度對襯砌背后水壓力的影響，在保持環(huán)向盲管間距不變的情況下，對不同水頭高度下二次襯砌背后水壓力進(jìn)行了模擬研究，揭示影響規(guī)律。以6 m盲管間距為例，討論了30、40、50、60 m 4種水位條件下盲管網(wǎng)絡(luò)體系的卸壓效果。二次襯砌外側(cè)水壓力分布特點(diǎn)如圖3～圖6所示。

圖3 30 m水頭二次襯砌外側(cè)孔隙水壓力分布特點(diǎn)Fig.3 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 30 meters secondary lining

圖4 40 m水頭二次襯砌外側(cè)孔隙水壓力分布特點(diǎn)Fig.4 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 40 meters secondary lining

通過分析不同水頭高度下二襯拱部背后孔隙水壓力分布云圖可得如下結(jié)論。

(1)環(huán)、縱向盲管可顯著降低二次襯砌拱部水壓力，環(huán)向盲管間距大小與孔隙水壓力大小呈正比關(guān)系；地下水位在30、40、50、60 m 4種情況下，對應(yīng)的孔隙水壓力峰值都位于環(huán)向盲管中間的墻腳附近。

(2)仰拱區(qū)域未進(jìn)行排水處理，因而仰拱部分的水壓力較高。同樣的4種水頭條件下，仰拱部分孔隙水壓力的峰值分別為277、349、429、500 kPa。

圖5 50 m水頭二次襯砌外側(cè)孔隙水壓力分布特點(diǎn)Fig.5 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 50 meters secondary lining

圖6 60 m水頭二次襯砌外側(cè)孔隙水壓力分布特點(diǎn)Fig.6 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 60 meters secondary lining

3 盲管合理間距的確定

為確定環(huán)向排水盲管最優(yōu)間距，研究了不同水頭條件下二次襯砌拱部水壓力和各盲管間距的關(guān)系，圖7為二次襯砌拱部水壓力沿隧道方向的變化情況。

圖7 不同盲管間距下水壓力沿隧道縱向分布特征Fig.7 Distribution characteristics of water pressure along the longitudinal direction of the tunnel with a distance of different blind pipe

(1)

(2)

基于以上分析獲得不同工況下的平均水壓力和平均減壓系數(shù)，分別如表4和表5所示，并繪制出平均水壓力和平均減壓系數(shù)隨盲管間距的變化曲線如圖8和圖9所示。

表4 平均水壓力表Table 4 Average water pressure gauge table

表5 平均減壓系數(shù)表Table 5 Table of average pressure relief coefficient

由圖8和圖9可知，在各盲管間距、4種水位情況下，平均水壓力和平均減壓系數(shù)沿隧道方向變化關(guān)系如下

圖8 平均水壓力曲線Fig.8 Average water pressure curve

圖9 平均減壓系數(shù)曲線Fig.9 Average pressure relief coefficient curve

基于各環(huán)向盲管間距和卸壓效果的相關(guān)性討論，結(jié)果表明排水盲管間距為5 m時(shí)對二次襯砌拱部卸壓效果最好，但環(huán)向盲管對仰拱部分的削減作用不明顯。

4 結(jié)論

結(jié)合豹貍崗工程實(shí)際，對隧道排水網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行研究，分析了水頭高度、環(huán)向盲管間距和排水網(wǎng)絡(luò)卸壓性能的相關(guān)性，得出如下結(jié)論。

(1)環(huán)向盲管可顯著降低二襯上部背后的水壓，但對仰拱部分水壓力基本無影響。