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)
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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:
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。