強(qiáng)降雨條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力數(shù)值及新增排水系統(tǒng)分析

周煥星，劉少華，王瓏，葉忠明 ，徐安、3，錢王蘋

（1.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江交投高速公路建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

0 引言

我國正處在加快建設(shè)交通強(qiáng)國的緊要之年，江蘇、浙江等多地公布交通強(qiáng)國建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案，一大波投資千億元級(jí)別的“超級(jí)工程”將加速推進(jìn)。而江浙丘陵地帶擁有許多典型的喀斯特地貌，正是巖溶發(fā)育十分發(fā)達(dá)的區(qū)域，工程建設(shè)必然會(huì)遭遇許多巖溶地質(zhì)帶來的問題。

如張國炎等[1]對(duì)巖溶地區(qū)洞灣隧道營運(yùn)期間發(fā)生的滲漏水及涌水等病害進(jìn)行了研究，分析了隧道產(chǎn)生病害的原因，并提出了打設(shè)泄水洞和擴(kuò)建邊水溝等措施來降低涌水對(duì)運(yùn)營隧道的影響。西南交通大學(xué)鄒育麟等[2]探討了隧道滲漏水病害的特征、成災(zāi)機(jī)制，提出巖溶地區(qū)季節(jié)性富水運(yùn)營隧道水害治理應(yīng)該以排為主，封堵為輔。周卓等[3]以云南省某公路隧道穿過地質(zhì)復(fù)雜的巖溶地帶為例，對(duì)襯砌滲漏水原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，給出了排水系統(tǒng)防堵塞處治建議。也有學(xué)者認(rèn)識(shí)到排水系統(tǒng)堵塞將帶來附加水壓力引起的結(jié)構(gòu)承載力問題，段海澎[4]等指出巖溶區(qū)隧道結(jié)晶堵管帶來的附加水壓可能是導(dǎo)致巖溶隧道出現(xiàn)滲漏水、襯砌開裂的根本原因。尚海松等[5]提出了通過增加襯砌強(qiáng)度來提高隧道極限水頭是不科學(xué)且不經(jīng)濟(jì)的，必須通過排泄地下水以減小作用在襯砌上的水壓力。馬青等[6]研究了注漿圈厚度、注漿圈滲透性對(duì)隧道涌水量、襯砌水壓力、結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。李延川等[7]采用FLAC3D有限差分軟件分析了襯砌背后排水系統(tǒng)暢通性對(duì)隧道襯砌塑性區(qū)分布的影響，研究了不同排水孔失效長度下巖溶隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征。

綜合以上研究可以看出，對(duì)于巖溶隧道的附加水壓力及帶來的結(jié)構(gòu)受力特性的變化等問題目前已有學(xué)者提出，但如何優(yōu)化排水系統(tǒng)以減輕襯砌水壓負(fù)擔(dān)仍有待研究。鑒于此，本文依托在建的臨建高速公路巖溶區(qū)隧道，通過FLAC3D數(shù)值仿真模擬，還原現(xiàn)場地質(zhì)條件及具體工況，探究不同降水條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力特征，進(jìn)一步探討隧道排水系統(tǒng)優(yōu)化方案，以期為巖溶區(qū)隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

虎溪臺(tái)隧道位于浙江省杭州市桐廬縣，屬于在建的臨建高速公路，臨建高速全長85.5km，共設(shè)置隧道30座，隧道總長達(dá)33.66km，占公路全長的近40%。虎溪臺(tái)隧道為分離式雙向四車道隧道，隧道右線里程為K63+285～K66+410長3125m，左線里程為ZK63+278～ZK66+390全長3112m，為特長隧道，最大埋深約為468.6m?；⑾_(tái)隧道圍巖巖性以石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r為主，層狀地層，巖層傾角較平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性一般，隧道富水。

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程所經(jīng)地段屬漸西中山丘陵，溪溝縱橫切割，造成水系流向復(fù)雜。地表水發(fā)育，大江小河多呈樹枝狀串聯(lián)，均屬錢塘江水系。干流主要有分水江、清諸溪。

圖1 虎溪臺(tái)隧道右線進(jìn)口段縱斷面圖

圖2 虎溪臺(tái)隧道Ⅴ級(jí)圍巖抗水壓斷面斷面襯砌結(jié)構(gòu)圖

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。逐月遞增，7月起逐月遞減。區(qū)內(nèi)洪峰流量大，流速較大，并攜帶大量砂礫，具有很強(qiáng)的沖刷力，對(duì)兩岸及構(gòu)筑物影響較大。施工預(yù)測涌水量值為3957m3/d。

1.3 溶腔發(fā)育狀況

虎溪臺(tái)隧道全段位于石炭系中統(tǒng)黃龍組灰?guī)r內(nèi)，巖溶發(fā)育。地表發(fā)育溶洞、溶蝕溝槽、巖溶洼地等。施工的5個(gè)鉆孔均遇溶洞，呈串珠狀發(fā)育，發(fā)育深度較大，以全充填溶洞為主。

目前已探明的大型溶腔有6處，與隧道相交于右線K65+372、K65+299和左線K65+240、K65+314，其中三處溶腔貫通至地表，但向地下排泄水的能力均較差。

以圖3所示的左線ZK65+314溶腔為例，開挖方向左側(cè)邊墻處揭示一溶洞，開挖方向深度約12m，溶腔寬度約7.3m，溶腔頂位于起拱線上方7.6m，溶腔底距起拱線約10m。溶腔內(nèi)多泥質(zhì)填充物，為黏性土層，呈塑性，含水率較低，該溶腔可作為依托工程穿越的典型溶腔類型代表。

圖3 左線ZK65+314溶腔示意圖

圖4 左線ZK65+314溶腔現(xiàn)場圖

2 強(qiáng)降雨條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力數(shù)值仿真分析

2.1 模型建立及簡化

本模型采用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬[8-9]，為了簡化計(jì)算，主要假定如下：

①隧道不同截面的埋深高度不同，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知隧道大多為深埋隧道，地應(yīng)力形式主要由構(gòu)造應(yīng)力形成。為了簡化模型便于統(tǒng)一計(jì)算，隧道斷面選取左線ZK65+314的溶腔斷面，埋深70m，設(shè)置仰拱，注漿圈厚度為3.5m。模型左右邊界為6倍隧道半徑（36m），下部邊界為3倍隧道半徑，隧道縱向取30m。

Lumion，中文名稱流明，是實(shí)時(shí)的3D可視化工具，沒有建模功能，該軟件開發(fā)年限較短(2010年11月)，但因其優(yōu)勢明顯，迅速被園林規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等行業(yè)廣為利用，主要優(yōu)勢是：渲染和場景創(chuàng)建時(shí)間極短，可節(jié)省大量時(shí)間和精力，擁有豐富的3D材質(zhì)和模型，支持高分辨率視頻和圖像輸出，可視化效果逼真，是對(duì)Google SketchUp軟件的良好補(bǔ)充。

②模型采用了兩種本構(gòu)模型，初期支護(hù)與二次襯砌采用各向同性彈性材料模型，圍巖采用摩爾-庫侖材料模型，能體現(xiàn)出襯砌與巖體物理特性與變形特性。

③模型力學(xué)邊界：四周水平約束，底面固定約束。滲流邊界條件：根據(jù)不同工況，設(shè)置對(duì)應(yīng)地下水面高度，固定四周孔壓，邊界能與外界發(fā)生液體交換。地下水滲流滿足Darcy定律。

④溶腔實(shí)體建模，與隧道襯砌接觸面寬度為3m，高度約為7m。根據(jù)依托工程項(xiàng)目前期不同溶腔位置對(duì)襯砌影響的研究，在相同水位下相同大小的溶腔，斷面拱肩位置出現(xiàn)溶腔對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最不利，故本次模擬選取隧道右拱肩位置建立溶腔模型。建立的模型如下圖5所示。

圖5 三維仿真模型建模效果

2.2 參數(shù)選取

依據(jù)地勘資料，計(jì)算模型范圍內(nèi)圍巖主要以灰?guī)r為主，材料參數(shù)依據(jù)地勘與類似文獻(xiàn)取值，支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)“等效剛度法”獲得，依據(jù)“以管代孔”法等效模擬考慮襯砌的滲透系數(shù)，模型各結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)列于表1。

模型計(jì)算參數(shù)表 表1

根據(jù)現(xiàn)場地勘情況顯示，在強(qiáng)降雨條件下巖溶發(fā)育地層將會(huì)出現(xiàn)地下水位驟升，同時(shí)參考相關(guān)研究案例成果[10]（暴雨后實(shí)測地層水位上升超過50m），設(shè)定本計(jì)算中因暴雨引發(fā)的地層水位最高點(diǎn)（距離初支拱頂）為50m。具體工況設(shè)置如下：工況1，枯水季節(jié)溶腔無積水，地下水位在隧道水平面以下；工況2，常態(tài)水位工況，雨后地下水位上升至拱頂上方10m；工況3，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升至30m；工況4，雨后最大地下水位上升至50m。各工況詳見于表2。

本次模擬采用流固耦合的計(jì)算方法，即力學(xué)計(jì)算子步與滲流計(jì)算子步交替進(jìn)行，較為真實(shí)地還原隧道開挖與運(yùn)營期間滲流場的變化與對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響。

2.3 襯砌背后的水壓力分析

由于在隧道橫斷面上，襯砌不同位置水壓力的變化基本按照水力梯度呈線性變化，故本文選取拱頂位置的孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)為例。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，二襯背后拱頂位置孔隙水壓力隨地下水位的變化如表2所示。

工況及二襯拱頂孔隙水壓力統(tǒng)計(jì)表 表2

由表中數(shù)據(jù)可知，拱頂孔隙水壓力與地下水位高度呈正相關(guān)，并且在水位較低時(shí)滲流效應(yīng)對(duì)襯砌孔隙水壓力的折減效果明顯。但隨著水位增高后，即使排水系統(tǒng)順暢，工作襯砌結(jié)構(gòu)仍會(huì)承受較大的水壓力。因此在實(shí)際工程中十分有必要關(guān)注強(qiáng)降雨時(shí)段，水壓力驟升可能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，提前采取防范措施。

2.4 基于襯砌水壓分析的現(xiàn)場施工建議

在現(xiàn)場條件允許的情況下，對(duì)于較大的溶腔盡量進(jìn)行超前支護(hù)及注漿回填，使圍巖共同承擔(dān)溶腔內(nèi)驟增的水壓，減小襯砌結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。底層注漿亦有助于減小地下水排放的流量，實(shí)現(xiàn)限量排放或控制排放。

在隧道穿越巖溶區(qū)域的段落，建議以加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增加混凝土厚度、提高結(jié)構(gòu)配筋率等方式，提升襯砌的整體承載能力，即使圍巖完整性較好的地層也應(yīng)當(dāng)考慮足夠的安全儲(chǔ)備，提高襯砌等級(jí)。

但盲目以增加襯砌強(qiáng)度方式來抵抗水壓是不科學(xué)、不合理的，應(yīng)合理結(jié)合防、排水系統(tǒng)將襯砌背后可能達(dá)到的靜水壓力壓轉(zhuǎn)化為滲流場，進(jìn)而降低襯砌所承擔(dān)的水壓力。如在隧道上方揭露的較大溶腔內(nèi)埋設(shè)排水管，將溶腔內(nèi)積水盡快疏導(dǎo)至隧道的排水系統(tǒng)中。

建議通過增大管徑、增設(shè)環(huán)向盲管與橫向排水管等方式提升隧道排水能力，如巖溶發(fā)育發(fā)達(dá)的區(qū)域可以每10m～15m設(shè)置一組橫向排水管，以減緩在強(qiáng)降雨條件下地層水位上升的速度。

3 現(xiàn)場施工方案

對(duì)巖溶水的治理應(yīng)遵循“宜疏不宜堵”的原則，因此，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)巖溶水采取“截、引、排”結(jié)合的處理措施。

①縱向矩形排水渠

經(jīng)計(jì)算原有的D400鋼筋混凝土中央排水管，坡度 0.5%，泄水能力為8270m2/d，小于預(yù)測的最大24544m2/d涌水量。由于揭示的溶洞距最近的出洞口距離1035m，根據(jù)巖溶水量的大小以及考慮施工、圍護(hù)的可行性，采用在左側(cè)行車道下方增設(shè)一道矩形排水溝來專門排除巖溶水。排水溝橫斷面布置詳見下圖。

圖6 有仰拱段排水溝設(shè)置橫斷面圖

圖7 無仰拱段排水溝設(shè)置橫斷面圖

考慮到溶洞的巖溶水含泥沙，因此適當(dāng)加大排水溝斷面，排水溝凈寬1.2m，凈高1.1m～1.25m，坡度同隧道縱坡。經(jīng)計(jì)算，矩形排水溝的泄水能力為201573m2/d，遠(yuǎn)大于預(yù)測的最大涌水量，可以滿足排水需求，富余的斷面可以滿足一定時(shí)間的泥沙淤積能力。

②沉砂池

自第一個(gè)溶腔打開，經(jīng)過2～4個(gè)月的觀察，大部分溶洞不間斷出水，且?guī)r溶水中含有一定比例的泥沙。為方便施工及后期運(yùn)營，避免泥沙與巖溶結(jié)晶在排水渠內(nèi)日益堆積，在左側(cè)路面下設(shè)置沉沙池（見圖8），右幅路面下仍為中央排水管及仰拱填充。沉沙池寬375cm，高139cm～207cm，橫截面積為6.5m2。

圖8 沉砂池設(shè)置橫斷面圖

根據(jù)排水溝的水力計(jì)算，排水溝內(nèi)平均流速為2.5m/s，若溶水排至隧道出洞口外的時(shí)間約7分鐘。巖溶水中的泥沙在沉沙池、矩形排水溝及排出洞外的比例約2：2：6。

③檢修池

為方便沉砂池的清淤工作，在較大溶洞位置以及沉砂池最低處均設(shè)置檢修池，如圖9所示。對(duì)側(cè)壁檢修池外側(cè)及上方溶腔采用混凝土回填，再施作噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)初期支護(hù)等。

圖9 檢修池設(shè)置橫斷面圖

溶洞水以排為主，堵排結(jié)合，檢修池側(cè)壁回填時(shí)預(yù)留泄水管，直通溶腔內(nèi)部，將巖溶水引入檢修池，尤其在雨季強(qiáng)降水條件下可以快速排空溶腔內(nèi)積水，緩解隧道襯砌所受水壓力驟升的情況。

④清淤頻率計(jì)算

由于沉砂池與檢修池需要根據(jù)地下水位及隧道涌水量變化及時(shí)調(diào)整清淤間隔，避免泥沙等沉積物過度堆積而影響排水效果，而浙江梅雨季節(jié)較長，故將需考慮的工況大致分為兩種，即晴天-小雨時(shí)段和暴雨時(shí)段。

晴天-小雨時(shí)段清淤頻率計(jì)算：

暴雨時(shí)段清淤頻率計(jì)算：

4 結(jié)語

依托浙江臨建高速虎溪臺(tái)隧道灰?guī)r巖溶區(qū)段案例，通過數(shù)值仿真分析，揭示了不同降雨條件下襯砌背后水壓力與地下水位之間的關(guān)聯(lián)，低水位下滲流場的存在能有效減少襯砌孔隙水壓，但強(qiáng)降雨時(shí)段仍有較大水壓力，證明了依托工程襯砌抗水壓設(shè)計(jì)的必要性。

基于工程實(shí)際，提出了“截、引、排”結(jié)合的處理措施，建議依托工程在提高襯砌強(qiáng)度、溶腔注漿回填的同時(shí)，在巖溶發(fā)育區(qū)段增設(shè)橫向排水管加大管徑、溶腔內(nèi)埋設(shè)排水管提高排水系統(tǒng)的排水能力，將靜水壓力場轉(zhuǎn)化為滲流場，并減緩強(qiáng)降雨時(shí)地下水位上升速度。

整理了依托工程現(xiàn)場采取的排水系統(tǒng)優(yōu)化方案，闡釋了新增縱向排水渠、沉砂池以及檢修井的作用，并通過理論計(jì)算確定了新增排水系統(tǒng)的最大排水能力以及晴雨期沉沙池清淤周期。