深埋隧洞高外水壓力研究進(jìn)展

黃 威 孫 云 張建平 王耘梓 張延杰 徐衛(wèi)亞

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所, 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;3.云南省滇中引水工程有限公司, 昆明 650051)

深埋隧洞巖體賦存條件極為復(fù)雜,常面臨高外水壓力、高溫、高地應(yīng)力等多種問(wèn)題,在地下水位較高的深埋隧洞工程中,高外水壓力問(wèn)題更為突出,對(duì)于隧洞的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不可忽視的影響.深埋隧洞指埋深大于300 m 的隧洞,20世紀(jì)50-70年代,我國(guó)隧洞工程施工方法多采用鉆爆法,遇到的主要為淺埋隧洞問(wèn)題;20世紀(jì)70-80年代,隧洞施工采用了“長(zhǎng)洞短打”的鉆爆法,隧洞長(zhǎng)度和埋深都有一定提升;20世紀(jì)80年代末至21世紀(jì)初,隨著先進(jìn)的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工管理技術(shù)及TBM 的引入,我國(guó)深埋隧洞發(fā)展進(jìn)入新階段;進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)條件道路隧道、跨流域調(diào)水工程及水電工程建設(shè),深埋隧洞工程發(fā)展迅速,在城市交通、水利和能源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,深埋隧洞施工建設(shè)難度達(dá)到了世界最高水平[1].深埋隧洞面臨著更高的地應(yīng)力及更高的地下水水頭,襯砌無(wú)法完全承受地下水水頭帶來(lái)的水壓,因此高外水壓力問(wèn)題在深埋隧洞中更加顯著,如錦屏二級(jí)引水隧洞實(shí)測(cè)水壓力超過(guò)10 MPa[2-5],嚴(yán)重威脅襯砌的安全.在挪威的海底隧道建設(shè)過(guò)程中,外水壓力高、充足的水源及勘探工作中難以避免的不確定性也使得高外水壓力問(wèn)題更加嚴(yán)重[6].

外水壓力指作用于襯砌外壁上的水壓力,其大小主要取決于地下水位,外水壓力示意圖如圖1所示.外水壓力的本質(zhì)是在圍巖中的滲透水作用在襯砌上的體積力,當(dāng)襯砌與圍巖間存在間隙時(shí),可用襯砌外緣的水壓力替代作用于襯砌上的滲流體積力,此時(shí)襯砌外緣的水壓力稱之為外水壓力.

張有天等[7-9]在20世紀(jì)80年代初提出了隧洞設(shè)計(jì)三原則:1)隧洞的外水荷載是作用于地下水位以下整個(gè)空間的滲流場(chǎng)力;2)應(yīng)按滲流荷載增量理論分析隧洞應(yīng)力;3)襯砌與圍巖有條件地聯(lián)合作用.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)外水壓力的分析處理,主要有兩類方法:第一種方法視外水壓力為作用于襯砌外緣的面力,此方法概念簡(jiǎn)單,易于分析計(jì)算;第二種方法視外水壓力為滲透體積力,采用滲流場(chǎng)理論進(jìn)行分析,進(jìn)一步使用數(shù)值模擬計(jì)算外水壓力,根據(jù)襯砌及圍巖內(nèi)滲流特性計(jì)算滲流場(chǎng),然后確定在滲流場(chǎng)作用下的襯砌應(yīng)力.

深埋隧洞外水壓力問(wèn)題仍存在巨大挑戰(zhàn),使用折減系數(shù)法進(jìn)行高地下水水頭隧洞外水壓力計(jì)算時(shí),即使采用較小的折減系數(shù)值,仍會(huì)得到相當(dāng)高的水壓力.這樣的高外水壓力給襯砌設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難,難以滿足工程要求,同時(shí)也增加了工程的施工成本和施工難度.本文對(duì)外水壓力計(jì)算方法進(jìn)行了綜述,并對(duì)外水壓力模型試驗(yàn)以及深埋隧洞的滲控措施進(jìn)行了歸納和總結(jié),進(jìn)一步提出深埋隧洞外水壓力問(wèn)題中需要關(guān)注的研究方向,為深埋隧洞工程中的外水壓力問(wèn)題提供更加深入的理解和解決方案,進(jìn)一步提升工程的安全性和可靠性.

1 典型工程案例

為應(yīng)對(duì)深埋隧洞外水壓力問(wèn)題,許多工程項(xiàng)目在實(shí)際施工過(guò)程中采取了多種措施和技術(shù)手段以降低外水壓力對(duì)隧洞的影響.表1為國(guó)內(nèi)外部分工程外水壓力統(tǒng)計(jì)表,可以看出,隨著隧洞埋深增加,外水壓力普遍呈現(xiàn)上升趨勢(shì).這一結(jié)論表明,埋深大的隧洞普遍面臨更高的外水壓力,這對(duì)于隧洞工程的設(shè)計(jì)、施工和滲控措施的選擇都帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn).本文將通過(guò)分析典型的高外水壓力工程案例,探討這些工程在應(yīng)對(duì)高外水壓力方面的方法和經(jīng)驗(yàn),為深埋隧洞工程的外水壓力管理提供有益的借鑒.

1)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州雅礱江干流上,利用大河灣天然落差截彎取直通過(guò)隧洞引水發(fā)電,總裝機(jī)容量4 800 MW,引水隧洞共4條,隧洞上覆巖體埋深1 500～2 000 m,最大埋深達(dá)到2 525 m.長(zhǎng)探洞實(shí)測(cè)最大外水壓力達(dá)到10.22 MPa,施工過(guò)程中的高壓涌水造成工程多次停工及重大經(jīng)濟(jì)損失,鋼筋混凝土無(wú)法承受10 MPa的外水壓力,而深埋隧洞的排水措施存在降低地下水位的可能性,因此錦屏二級(jí)水電站引水隧洞采取了以堵為主,堵排結(jié)合的滲控措施,灌漿壓力達(dá)到了10 MPa,同時(shí)布置了排水孔對(duì)外水壓力進(jìn)行控制[2-5].

2)滇中引水工程松林隧洞

滇中引水工程昆明段松林隧洞,隧洞埋深200～400 m,最大埋深606 m,開(kāi)挖至樁號(hào)SLT1+836時(shí),右邊墻至頂拱開(kāi)挖揭露一條寬約1.0～2.0 m、高大于10 m,向右側(cè)狹長(zhǎng)延伸大于15 m 的寬縫,大量地下水由寬縫涌出,工程現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示,隧洞涌水量超過(guò)40 000 m3/d,實(shí)測(cè)外水壓力1.5 MPa,最大外水壓力為2.0～2.5 MPa.原設(shè)計(jì)斷面只能滿足外水水頭50 m 工況,同時(shí)隧洞存在襲奪泉水點(diǎn)及水井風(fēng)險(xiǎn),隧洞滲控措施采取了動(dòng)態(tài)調(diào)整,通過(guò)固結(jié)灌漿和排水措施降低外水壓力,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核,結(jié)合外水壓力實(shí)測(cè)情況改變襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足工程需求.

圖2 滇中引水工程昆明段松林隧洞SLT1+826洞段突發(fā)高外水問(wèn)題

3)滇中引水工程芹河隧洞

滇中引水工程大理段芹河隧洞埋深150～450 m,最大埋深458 m,發(fā)育芹河—北衙巖溶水系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)北衙組灰?guī)r為強(qiáng)富水地層.隧洞主要問(wèn)題在于穿越軟巖和強(qiáng)富水巖溶、斷層地層段及穿過(guò)承壓含水層,樁號(hào)DLI85+020洞段初次支護(hù)后鋼拱架變形達(dá)到60～100 cm,針對(duì)鋼拱架變形及襯砌破裂問(wèn)題采取了換拱的措施,隧洞變形情況如圖3 所示.芹河隧洞3號(hào)支洞與4號(hào)支洞間巖體存在承壓結(jié)構(gòu),上部古泥石流為隔水層,承壓含水層被斷層剪切并被擠壓向上移動(dòng),地表深孔測(cè)得地下水頭高于地表近50 m,在開(kāi)挖至承壓含水層過(guò)程中出現(xiàn)高水壓,涌水量超過(guò)10 000 m3/d[10].

圖3 滇中引水工程大理段芹河隧洞4號(hào)支洞軟巖大變形導(dǎo)致鋼拱架變形

4)日本青函隧道

青函鐵路隧道位于日本津輕海峽,是世界上最長(zhǎng)的海底隧道.隧道全長(zhǎng)53.85 km,其中有23.3 km 位于津輕海峽底部,最深處位于海平面以下240 m,隧道承受240 m 水頭壓力.青函隧道在施工過(guò)程中進(jìn)行了地層加固以及止水注漿,但仍有10 m3/min 的涌水.為保證隧道的安全運(yùn)行采取了一系列測(cè)試手段,試制抗海水性的防水修補(bǔ)材料新產(chǎn)品,對(duì)止水注漿材料進(jìn)行化學(xué)分析,對(duì)回填材料中劣化的加氣砂漿進(jìn)行調(diào)查及維修[11].

2 外水壓力計(jì)算

在工程中外水壓力是隧洞的穩(wěn)定性的重要影響因素,因此工程設(shè)計(jì)階段需要確定外水壓力大小,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用折減系數(shù)法、理論解析法和數(shù)值解析法推求作用在襯砌上的外水壓力.

2.1 折減系數(shù)法

對(duì)于水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單的隧洞,可根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 279—2016[12]采用折減系數(shù)法估算外水壓力,計(jì)算方法見(jiàn)式(1).

式中:pe為外水壓力(k N/m2);βe為外水壓力折減系數(shù);γw為水的容重(k N/m3);He為地下水位線至隧洞中心的作用水頭(m).

混凝土襯砌隧洞,根據(jù)圍巖地下水活動(dòng)情況和地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響按表2選取外水壓力折減系數(shù).對(duì)于施作排水設(shè)施的水工隧洞,可根據(jù)排水結(jié)構(gòu)效果對(duì)外水壓力進(jìn)行折減,折減值可通過(guò)工程類比或滲流計(jì)算分析確定.

表2 《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的外水壓力折減系數(shù)[12]

對(duì)于巖溶地區(qū),鄒成杰[13]采用經(jīng)驗(yàn)類比法,依據(jù)圍巖巖溶發(fā)育程度確定外水壓力折減系數(shù)(β),取值見(jiàn)表3.

表3 按巖溶發(fā)育程度確定的外水壓力折減系數(shù)[13]

根據(jù)東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院有關(guān)成果[13],按圍巖的滲透系數(shù)(KR)和混凝土襯砌滲透系數(shù)(KS)比值也可確定隧洞折減系數(shù)(β),取值見(jiàn)表4.

表4 按圍巖滲透系數(shù)和混凝土襯砌滲透系數(shù)比值確定的外水壓力折減系數(shù)[13]

對(duì)于工程地質(zhì)和襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況以及外水壓力較大的隧洞,應(yīng)進(jìn)行專門(mén)研究.例如,在長(zhǎng)時(shí)間大降雨情況下或隧洞穿越河谷或溝谷底部時(shí),折減系數(shù)可能大于1.當(dāng)隧洞一側(cè)為河谷,一側(cè)為山體時(shí),降水從山體向河谷排泄,此時(shí)折減系數(shù)接近1.位于山脊下或橫穿山體的隧洞在山脊處地下水位最高,折減系數(shù)可取0.5～0.8;隧洞穿過(guò)孤立山體時(shí),降雨呈軸射狀滲入,水流能量消耗大,折減系數(shù)取0.3～0.6;對(duì)于巖溶發(fā)育的巖體,張有天認(rèn)為巖體中復(fù)雜的巖溶管道及暗河體系可以起到排水作用,折減系數(shù)取0.1～0.5[9];董國(guó)賢[14]則認(rèn)為在巖溶發(fā)育地區(qū)隧洞易出現(xiàn)大量涌水,折減系數(shù)應(yīng)取0.8～1.0;對(duì)此應(yīng)根據(jù)隧洞與巖溶發(fā)育位置確定巖溶對(duì)于隧洞的排水作用及儲(chǔ)水作用綜合考慮選取折減系數(shù).

劉立鵬等[15]考慮灌漿圈、襯砌滲透系數(shù)及灌漿圈厚度等參數(shù)對(duì)隧洞外水壓力的影響,提出了不同襯砌類型外水壓力折減系數(shù)取值所應(yīng)注意的問(wèn)題及相應(yīng)的取值方法.顧偉等[16]根據(jù)流體力學(xué)原理,建立隧洞排水系統(tǒng)模型,推導(dǎo)得到復(fù)合襯砌外水壓力的解析解,并提出了一種二襯外水壓力折減的新方法.

目前工程設(shè)計(jì)大多采用折減系數(shù)法進(jìn)行外水壓力估算,但折減系數(shù)法為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算方法,受地質(zhì)勘探結(jié)果等的不確定性影響,在出現(xiàn)斷層破碎帶等情況下易產(chǎn)生較大誤差.

2.2 理論解析法

理論解析法通常作以下假設(shè):①圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì),且含水介質(zhì)及流體不可壓縮;②遠(yuǎn)場(chǎng)地下水補(bǔ)給充分,地下水面不隨隧道排水而降低;③圍巖滲流處于穩(wěn)定層流狀態(tài),且服從Darcy定律.在此基礎(chǔ)上通過(guò)滲流理論即可推導(dǎo)出作用在襯砌上的外水壓力[17-20],外水壓力計(jì)算如圖4所示,其中:kl為襯砌滲透系數(shù);km為圍巖滲透系數(shù);kg為注漿圈滲透系數(shù);r為研究點(diǎn)的極距;r0為襯砌內(nèi)徑;rl為襯砌外徑;rg為注漿圈外徑;h為水力勢(shì);H為遠(yuǎn)場(chǎng)水力勢(shì).

圖4 軸對(duì)稱隧洞簡(jiǎn)化計(jì)算示意圖

在襯砌范圍(r=r0～rl)內(nèi),有Q/2πr=kldhl/dr,考慮邊界條件在r=r0處,hl=0,可得出

在注漿范圍(r=rl～rg) 內(nèi),有Q/2πr=kgdhg/dr,考慮邊界條件在r=rg處,hg=h'g,可得出

在圍巖范圍(r=rg～H)內(nèi),有Q/2πr=kmdhm/dr,考慮邊界條件在r=H處,hm=H,可得出

在灌漿圈與圍巖邊界處,即r=rg處,hg=hm,將式帶入式可得灌漿圈內(nèi)水力勢(shì)為

同理,在襯砌與灌漿圈邊界處,即r=rl處,hl=hg,可得流量為

在r=rl處,考慮H遠(yuǎn)大于rl,襯砌后的孔隙水壓力為

通過(guò)理論解析法,可以得到以下規(guī)律:襯砌滲透系數(shù)越小,作用于襯砌上的外水壓力越高;圍巖滲透系數(shù)越大,作用于襯砌上的外水壓力越高;固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)越大,作用于襯砌上的外水壓力越高;固結(jié)灌漿圈厚度越小,作用于襯砌上的外水壓力越高;若襯砌不排水,則固結(jié)灌漿圈不會(huì)降低外水壓力,外水壓力等同于襯砌距地下水位的水頭[21].

Bobet等[22-24]基于相對(duì)剛度法對(duì)小變形情況下隧洞襯砌受力進(jìn)行了系統(tǒng)推導(dǎo),并在計(jì)算中考慮體外排水[25]、補(bǔ)水?dāng)鄬覽26]等因素對(duì)于滲流場(chǎng)分布的影響,計(jì)算得到了外水壓力的大小.在日本青函隧道水壓力的設(shè)計(jì)計(jì)算中,根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)出作用于襯砌及注漿圈內(nèi)的孔隙水壓力[27].對(duì)于非圓形隧洞,可采用等效半徑的概念將隧洞斷面尺寸轉(zhuǎn)化為圓形隧洞尺寸進(jìn)行計(jì)算[28].戚海棠等[29]基于井流理論,采用了水-巖分算方法,將外部水壓力視為巖體受到的邊界力,并采用作用系數(shù)法對(duì)水頭壓力進(jìn)行修正.

2.3 數(shù)值分析法

在圍巖穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)分析方法中,解析法可用于地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的隧洞,然而在實(shí)際工程中通常有復(fù)雜的低質(zhì)構(gòu)造及不同的巖石巖性等情況,此時(shí)用數(shù)值法求解更為高效準(zhǔn)確.

在外水壓力數(shù)值解析法中,有限元法運(yùn)用最為廣泛,其優(yōu)點(diǎn)是可以考慮巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到巖體應(yīng)力、變形及滲流場(chǎng)的大小和分布,可以進(jìn)一步分析隧洞的變形破壞機(jī)制.張繼勛等[30]為研究獲取合理的灌漿圈深度和滲透系數(shù)降低的數(shù)量級(jí),對(duì)不同灌漿圈深度、不同滲透系數(shù)進(jìn)行組合,通過(guò)有限元方法獲得了隧洞外水壓力分布規(guī)律.伍國(guó)軍等[31]基于多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理,得到了改進(jìn)后的飽和巖體孔隙率、滲透系數(shù)的動(dòng)態(tài)演化模型,通過(guò)考慮滲透性動(dòng)態(tài)演化的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)引水隧洞穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.Liu等[32-33]在考慮隧洞滲流場(chǎng)時(shí)基于巖體完整性和滲透性及裂隙的發(fā)育程度,采用了等效連續(xù)介質(zhì)-裂隙網(wǎng)絡(luò)耦合滲流模型對(duì)隧洞滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了隧洞外水壓力,驗(yàn)證了現(xiàn)有排水體系的合理性.對(duì)于非圓形隧洞,在解析解中通常采用等效半徑進(jìn)行計(jì)算,而在數(shù)值計(jì)算中,可直接建立隧洞斷面模型分析隧洞周邊滲流場(chǎng)及外水壓力,同時(shí)可對(duì)等效半徑方法進(jìn)行驗(yàn)證[34].Shin 等[35]通過(guò)有限元計(jì)算分析了外水壓力對(duì)襯砌受力的影響,考慮到隧洞排水條件惡化時(shí)襯砌的受力變化,提出了襯砌外水壓力荷載計(jì)算設(shè)計(jì)曲線.Arjnoi等[36]對(duì)曼谷藍(lán)線南延線地鐵隧道進(jìn)行了有限元分析,分析了不同排水條件下外水壓力分布、滲流場(chǎng)分布及襯砌受力,認(rèn)為雙隧道采用全排水措施最大壓應(yīng)力可降低30%,最大拉應(yīng)力可降低55%.

有限元法分析成果的可靠性主要取決于以下兩個(gè)條件:一是地質(zhì)條件模擬準(zhǔn)確,包括巖體的巖性分界、斷層以及節(jié)理裂隙的分布規(guī)律;二是巖體參數(shù)描述準(zhǔn)確,包括在復(fù)雜應(yīng)力和滲流條件下的變形、強(qiáng)度、滲流特性以及破壞規(guī)律[37].在實(shí)際施工時(shí),由于地下硐室的開(kāi)挖所出現(xiàn)超挖、欠挖等作用,圍巖與隧洞支護(hù)之間會(huì)出現(xiàn)很多貫通和半貫通的空隙,有時(shí)甚至?xí)谝r砌外緣形成一個(gè)滲水通道,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響[38].因此,在數(shù)值解析法中,圍巖與隧洞間的接觸關(guān)系對(duì)外水壓力的計(jì)算至關(guān)重要,當(dāng)不考慮圍巖與襯砌之間的接觸關(guān)系時(shí),會(huì)夸大襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)外壓的能力.考慮圍巖與襯砌之間的接觸關(guān)系時(shí),圍巖與襯砌不是一個(gè)整體,不能給襯砌提供拉力,而不考慮圍巖與襯砌之間的接觸關(guān)系,圍巖可以分擔(dān)一部分外壓,得到的安全系數(shù)較實(shí)際情況高[21].

在巖體較為破碎的情況下也可采用顆粒流法進(jìn)行分析,倪小東等[39]結(jié)合顆粒流法與流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的有限體積法,模擬了儲(chǔ)水?dāng)鄬铀矶撮_(kāi)挖引起的滲透破壞現(xiàn)象,能夠反映開(kāi)挖過(guò)程中微裂隙的擴(kuò)展及滲透張量的變化.

3 外水壓力物理模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)是地下工程圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題的研究的重要方法,模型試驗(yàn)?zāi)芊穹从彻こ虒?shí)際情況的關(guān)鍵在于模型與實(shí)際工程的相似性.在進(jìn)行外水壓力理論計(jì)算時(shí),通常會(huì)對(duì)工程條件進(jìn)行一定簡(jiǎn)化和假定,且分析中所用參數(shù)的精度和可靠度有限,因此理論分析結(jié)果與工程實(shí)際狀況可能存在一定偏差.針對(duì)理論分析中存在的缺陷和不足,模型試驗(yàn)研究可以很好的補(bǔ)充理論計(jì)算成果,驗(yàn)證理論計(jì)算得到的外水壓力.

3.1 相似理論

由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全同比例的模型,因此需要考慮流固耦合情況下的材料相似比.為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的相似性,可以將試驗(yàn)相似材料視為均勻連續(xù)介質(zhì),并采用流固耦合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)流固耦合的相似理論[40-45],其流固耦合方程可由以下公式表示:

式中:Kx、Ky和Kz分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的滲透系數(shù);p為水壓力;S為儲(chǔ)水系數(shù);e為體積應(yīng)變;W為源匯項(xiàng).

平衡方程為

式中:CG為剪切彈性模量相似比尺;Cu為位移相似比尺;Cl為幾何模型尺寸相似比尺;Cλ為拉梅常數(shù)相似比尺;Cγ為容重相似比尺;Ce為體積應(yīng)變相似比尺;Cρ為密度相似比尺;Ct為時(shí)間相似比尺.

3.2 相似材料選取

相似材料的選取是物理模型試驗(yàn)的關(guān)鍵,只有在相似材料關(guān)鍵參數(shù)滿足相似關(guān)系時(shí)模型試驗(yàn)結(jié)果才能反映工程現(xiàn)場(chǎng)情況.然而實(shí)際試驗(yàn)中相似材料往往難以完全滿足相似原理,在深埋隧洞外水壓力試驗(yàn)中,研究對(duì)象為外水壓力大小、巖體應(yīng)力應(yīng)變特征及滲流場(chǎng)分布等,因此相似材料的密度、彈性模量及滲透系數(shù)應(yīng)優(yōu)先滿足相似關(guān)系,而其他參數(shù)可以適當(dāng)放寬限制以提升試驗(yàn)的可行性.

在外水壓力模型試驗(yàn)中,通常選取砂、滑石粉等材料作為骨料,水泥、凡士林、硅油等材料作為膠結(jié)劑,通過(guò)夯實(shí)、澆筑等方式制作相似材料,部分學(xué)者在模型試驗(yàn)中采用的相似材料成分及主要材料參數(shù)見(jiàn)表5.

表5 外水壓力模型試驗(yàn)相似材料成分及參數(shù)

李利平[41]通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在相似材料中,通過(guò)調(diào)節(jié)某一材料的含量可以改變材料的特性.例如,增加石蠟含量可以提高材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度.然而,當(dāng)石蠟含量超過(guò)7%后,進(jìn)一步增加石蠟含量并不能顯著提高材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度.增加砂的含量可以增強(qiáng)材料的摩擦力,從而提高材料的彈性模量.滑石粉的添加可以提升材料的密實(shí)度.如果增加砂的含量而相對(duì)降低滑石粉含量,則會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度.此外,石蠟含量越高,材料的滲透系數(shù)會(huì)降低.最后,材料的成型溫度也會(huì)影響材料的強(qiáng)度和彈性模量,成型溫度越高,材料的強(qiáng)度和彈性模量越高.

3.3 外水壓力影響因素

外水壓力大小和分布受到多種因素的影響,這些影響因素包括但不限于地下水位、圍巖滲透性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水流動(dòng)速度等.厘清這些影響因素對(duì)外水壓力的影響程度,對(duì)于設(shè)計(jì)合理的滲控措施和確保隧洞工程的穩(wěn)定和安全具有重要意義.在試驗(yàn)中,可以設(shè)定不同的地下水位條件、調(diào)整圍巖滲透性、模擬特定的地質(zhì)構(gòu)造等,并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,各個(gè)影響因素的作用程度,確定對(duì)外水壓力具有主導(dǎo)影響的因素,從而為制定有效的滲控措施提供科學(xué)依據(jù).

深埋隧洞滲流場(chǎng)分布是高外水壓力模型試驗(yàn)的重要研究目標(biāo),通過(guò)模型試驗(yàn)研究不同因素對(duì)滲流場(chǎng)分布的影響,可準(zhǔn)確地評(píng)估影響因素的重要性,確定必要的滲控措施.高新強(qiáng)等[48]以圓梁山隧道毛壩向斜高水壓地段為工程背景開(kāi)展高外水壓力模型試驗(yàn),模型試驗(yàn)結(jié)果表明,隧洞開(kāi)挖后滲壓等值線以隧洞為中心呈圓形分布,即靠近隧洞處滲壓較低,灌漿圈處等值線較密,表明滲壓在灌漿圈處明顯降低,襯砌處外水壓力也會(huì)因灌漿圈的施作明顯減小.相懋龍等[49-50]基于3D 打印技術(shù)建立了高鐵隧道及排水結(jié)構(gòu)模型,研究了在不同排水涉及程度和排水管堵塞情況下襯砌外水壓力的分布.在0～0.8 m 管徑工況下,隨著管徑增加,深埋水溝的排水量明顯增加.襯砌水壓的分布形式從原先的“扇貝型”,即隧底最大、拱頂和拱腰次之、墻腳最小的分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤倚汀?底部結(jié)構(gòu)從整體顯著隆起逐步轉(zhuǎn)為輕微沉降狀態(tài);在排水管堵塞后,水壓分布如圖5所示,結(jié)構(gòu)的外水壓力逐漸從“扇貝型”分布轉(zhuǎn)變?yōu)椤办o水壓型”分布.

圖5 高鐵隧道60 m 水頭下排水管堵塞后水壓分布[50]

外水壓力影響因素及排水措施對(duì)隧洞外水壓力的影響研究有助于深入了解外水壓力的成因和變化規(guī)律.于麗等[46]采用大型隧道滲流模擬試驗(yàn)系統(tǒng),分析圍巖滲流場(chǎng)分布和隧道外水壓力的影響因素.研究結(jié)果表明,圍巖滲透影響范圍與圍巖滲透系數(shù)和隧道排水率呈正相關(guān)關(guān)系,滲透系數(shù)對(duì)于圍巖滲透影響范圍的影響較大,并得到了隧道外水壓力的計(jì)算公式.丁浩等[51]通過(guò)相似模型試驗(yàn)研究公路隧道的外水壓力問(wèn)題,分析了水頭高度、圍巖滲透系數(shù)、隧道排水量等因素對(duì)外水壓力折減系數(shù)的影響,研究結(jié)果表明,水頭高度越高、圍巖滲透系數(shù)及排水量越低,外水壓力折減系數(shù)越小,且在進(jìn)行相似類比時(shí),水頭的高度的相似應(yīng)采用平方關(guān)系.

3.4 襯砌受力及隧洞穩(wěn)定性

灌漿及排水措施的施作決定了外水壓力的大小及滲流場(chǎng)分布,而外水壓力又影響了襯砌的受力.外水壓力作用于襯砌上,外水壓力過(guò)高引起的襯砌開(kāi)裂嚴(yán)重影響工程安全,因此高外水壓力條件下襯砌的受力特征是外水壓力模型試驗(yàn)研究的重點(diǎn).Fang等[52-53]設(shè)計(jì)了非圓形隧道外水壓力試驗(yàn)系統(tǒng),研究了外水壓力對(duì)非圓形隧道襯砌的受力情況.試驗(yàn)結(jié)果表明,較低的外水壓力可以降低隧洞偏心受壓情況,而更高的外水壓力會(huì)導(dǎo)致隧道邊墻襯砌開(kāi)裂,降低隧洞的穩(wěn)定性.在外水壓力條件下,襯砌與圍巖之間的空腔也會(huì)一定程度上降低襯砌的承載能力.凌永玉等[54]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)水工隧洞承壓過(guò)程中圍巖與襯砌聯(lián)合受力變化等問(wèn)題進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,水工隧洞襯砌在承受外水壓力作用時(shí),襯砌環(huán)向和徑向始終處于受壓狀態(tài).隨著外水壓力的增加,隧洞襯砌各位置的壓應(yīng)力也相應(yīng)增加.在1 MPa外水壓力條件下,襯砌最大環(huán)向應(yīng)力達(dá)到-3.894 MPa.李璐等[55]利用大型組合式三維均勻梯度加載試驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了高地應(yīng)力、高外水壓力作用下深埋隧洞三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),通過(guò)多個(gè)千斤頂施加豎直地應(yīng)力及水平地應(yīng)力,利用3層超彈力乳膠管進(jìn)行滲流梯度模擬,研究在地應(yīng)力、外水壓力超載條件下兩相鄰隧洞開(kāi)裂破壞過(guò)程,在加載至1.3倍地應(yīng)力情況下,隧洞出現(xiàn)裂紋張開(kāi)和部分大面積脫落現(xiàn)象,但未出現(xiàn)裂紋大面積貫通.研究指出,在高地應(yīng)力和高外水壓力條件下,該工程中相鄰隧洞開(kāi)挖的影響范圍小于1倍洞徑的范圍內(nèi),驗(yàn)證了隧洞間距選取的合理性.

4 深埋隧洞滲控措施研究

4.1 深埋隧洞滲控問(wèn)題

滲控措施作為解決深埋隧洞外水壓力問(wèn)題的重要手段,對(duì)于保障隧洞工程的穩(wěn)定和安全具有不可替代的作用.然而,在實(shí)踐中,滲控措施面臨著一系列復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題.

1)地質(zhì)條件復(fù)雜.深埋隧洞巖體賦存條件復(fù)雜,不同的地質(zhì)條件如巖層滲透性、地下水位、斷層破碎帶等因素會(huì)導(dǎo)致外水壓力的變化,使得滲控措施的選擇和設(shè)計(jì)必須充分考慮地質(zhì)特征的多樣性.

2)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題.在采取排水措施降低外水壓力時(shí),還需考慮排水措施對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,但過(guò)量排水會(huì)導(dǎo)致地下水位降低,襲奪泉水點(diǎn)及水井,影響民眾生活并造成經(jīng)濟(jì)損失[56-57].

3)滲控技術(shù)難度.采取有效的滲控措施需要具備相應(yīng)的技術(shù)和工程能力,包括工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和監(jiān)測(cè)手段等方面的要求.

4)經(jīng)濟(jì)成本.滲控措施在降低外水壓力的同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致較高的經(jīng)濟(jì)成本,包括設(shè)備投資、施工費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用等,選取滲控措施方案時(shí)應(yīng)在效果和成本之間進(jìn)行平衡考慮.

5)可持續(xù)性.深埋隧洞全生命周期一般為50年甚至100年,滲控措施應(yīng)具有一定的可持續(xù)性及可維護(hù)性,保證隧洞工程全生命周期的穩(wěn)定和安全.

面對(duì)這些挑戰(zhàn),科學(xué)合理地選擇和實(shí)施滲控措施,采用綜合性的工程管理和監(jiān)測(cè)手段,以及持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新是確保滲控措施能夠有效解決外水壓力問(wèn)題、確保深埋隧洞工程的穩(wěn)定和安全的關(guān)鍵.只有通過(guò)克服各種挑戰(zhàn),才能確保滲控措施在實(shí)際工程中取得可靠且持久的效果.

4.2 深埋隧洞滲控措施

對(duì)工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),外水壓力研究主要集中在兩個(gè)方面:確定外水壓力的大小以及如何降低外水壓力以確保圍巖的穩(wěn)定性.為了減小外水壓力,通常存在兩種觀點(diǎn):一種是采用堵的方法,通過(guò)減少固結(jié)灌漿圈和襯砌的滲透性,將外水壓力隔離在固結(jié)灌漿圈之外,或者增強(qiáng)襯砌材料的強(qiáng)度,使其能夠承受外水壓力;另一種是采用排的方法,將水引入隧洞中并排出,可采取透水襯砌、排水孔、排水洞等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)[21].

4.2.1 堵水措施

圍巖承載設(shè)計(jì)思想的原理是通過(guò)支護(hù)控制圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)力重分布,以圍巖為主體,圍巖-支護(hù)共同承載開(kāi)挖引起的應(yīng)力變化[5],對(duì)此,可以采用固結(jié)灌漿的方式提高圍巖的承載能力,同時(shí)固結(jié)灌漿可以封堵圍巖中的裂隙,增強(qiáng)圍巖的抗?jié)B能力.李林毅等[25]推導(dǎo)了考慮注漿圈作用的體外排水隧道涌水量及結(jié)構(gòu)外水壓力解析解,理論解析結(jié)果表明,增大圍巖滲透比值可以顯著降低涌水量,但同時(shí)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的外水壓力;增加注漿圈厚度可以加強(qiáng)對(duì)底部外水壓力的控制效果.

襯砌本身也具有一定承受外水壓力的能力,若襯砌結(jié)構(gòu)滿足要求,改善襯砌設(shè)計(jì)使其足以承受外水壓力可顯著加快工程進(jìn)度、降低工程造價(jià).丁浩等[58]研究了襯砌在外水壓力作用下的力學(xué)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)襯砌的邊墻和底板存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.為了優(yōu)化襯砌設(shè)計(jì),引入了下半斷面矢跨比的概念,增大半斷面矢跨比是襯砌優(yōu)化的主要策略.在高外水壓力條件下,隧洞長(zhǎng)期服役過(guò)程中灌漿圈的力學(xué)性能逐漸劣化是影響高外水隧洞長(zhǎng)效服役的主要因素之一.徐磊等[59]基于飽和多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理,綜合考慮圍巖、灌漿圈和襯砌混凝土的動(dòng)態(tài)演化和時(shí)變劣化,提出了滲流-應(yīng)力-損傷-劣化耦合模型,分析結(jié)果表明,隨著時(shí)間的推移,灌漿圈的力學(xué)性能逐漸劣化,塑性屈服區(qū)會(huì)從自開(kāi)挖邊界逐漸向深部擴(kuò)展,導(dǎo)致襯砌壓損程度增加,并可能引發(fā)混凝土襯砌的壓潰現(xiàn)象,從而導(dǎo)致高外水隧洞結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和安全性下降.

4.2.2 排水措施

若隧洞埋深較大、地下水面線高,工程則面臨高外水、高涌水量等問(wèn)題,此時(shí)通過(guò)堵的方式難以保證隧洞安全[60],通常需要結(jié)合透水襯砌、排水孔等措施降低外水壓力.傅睿智等[47]開(kāi)展了不同高水頭環(huán)境下復(fù)合襯砌堵水與排水系統(tǒng)對(duì)襯砌上水壓力的影響規(guī)律研究,結(jié)果表明:在全封堵情況下,襯砌上水頭高度與地下水位高度相同,外水壓力折減系數(shù)為1,而對(duì)于具有排水能力的襯砌結(jié)構(gòu),灌漿層厚度的增加或灌漿層的滲透系數(shù)的減小可明顯降低外水壓力大小,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了不同排水面積占比時(shí)的外水壓力折減系數(shù).還有許多學(xué)者進(jìn)行了排水方案的優(yōu)化[61-62]以改善滲流場(chǎng)分布,降低襯砌外水壓力,提高隧洞施工期及運(yùn)行期的安全性.Yan等[63-65]研究了襯砌排水孔布置對(duì)于外水壓力及滲流場(chǎng)的影響,提出襯砌排水孔的孔壓消散效果在孔左右15°范圍內(nèi),因此排水孔的布置在15°～30°范圍內(nèi)時(shí)可有效降低外水壓力.排水孔對(duì)于降低襯砌外水壓力有明顯效果,但降壓范圍較小,可在襯砌與圍巖間采用毛細(xì)排水帶等匯水材料,擴(kuò)大排水孔降壓范圍[66].

4.2.3 錦屏二級(jí)水電站滲控實(shí)例

以錦屏二級(jí)水電站為例進(jìn)行外水壓力滲控分析,錦屏二級(jí)水電站覆蓋層達(dá)2 525 m,最大主應(yīng)力接近50 MPa,最大外水壓力超過(guò)10 MPa,掘進(jìn)過(guò)程中的高地應(yīng)力和高外水壓力問(wèn)題導(dǎo)致了多次停工及重大經(jīng)濟(jì)損失.若采用全封堵式的襯砌支護(hù)方式,則襯砌將完全承擔(dān)地應(yīng)力、外水壓力,高地應(yīng)力、高外水壓力及變動(dòng)的內(nèi)水壓力對(duì)襯砌要求高,在工程建設(shè)過(guò)程中經(jīng)濟(jì)性也較差,因此在深埋隧洞中全封堵式襯砌結(jié)構(gòu)的可行性較低,而過(guò)高的排水量會(huì)降低隧洞區(qū)域的地下水位影響隧洞區(qū)域的生態(tài)環(huán)境.任旭華等[1]針對(duì)錦屏二級(jí)水電站隧洞進(jìn)行了多種滲控措施計(jì)算方案的求解,考慮工程對(duì)地下水環(huán)境的影響,提出了最優(yōu)滲控方案,采取“以堵為主、堵排結(jié)合”的滲控設(shè)計(jì)原則,在預(yù)注漿基礎(chǔ)上采取高壓注漿的方式充填巖體孔隙,降低圍巖滲透率,利用圍巖灌漿圈與襯砌聯(lián)合承載,保證隧洞安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,有效降低工程施工難度.

5 研究展望

目前,對(duì)于隧洞高外水壓力的研究主要集中于計(jì)算方法及模型試驗(yàn)方面,高外水壓力計(jì)算方法主要為折減系數(shù)法、解析法和數(shù)值法,主要研究了圍巖、灌漿圈、襯砌的滲透率等參數(shù)對(duì)于外水壓力的影響,模型試驗(yàn)則主要研究外水壓力大小、圍巖及襯砌參數(shù)等對(duì)于隧洞穩(wěn)定性的影響.通過(guò)梳理和分析近年來(lái)深埋隧洞高外水壓力相關(guān)成果,展望需進(jìn)一步研究的幾個(gè)問(wèn)題:

1)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋隧洞巖溶導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行劃分,明確地下水流動(dòng)形式.巖溶地區(qū)的介質(zhì)通常包括裂隙、溶隙和管道介質(zhì),在孔徑較小的裂隙、溶隙中,水流通常以層流形式流動(dòng),而在巖溶含水層的主要通道中,流動(dòng)通常表現(xiàn)為紊流,水流流動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)隧洞工程的水文地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及維護(hù)需求產(chǎn)生不同的影響.因此,在研究深埋隧洞高外水問(wèn)題時(shí),首先需確定該隧洞工程的導(dǎo)水構(gòu)造,并劃分地下水流動(dòng)形式,以更好地理解和解釋隧洞的水文地質(zhì)特征.

2)考慮隧洞周?chē)乃牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水動(dòng)力特征,建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型.有助于深入理解隧洞周?chē)乃牡刭|(zhì)過(guò)程,通過(guò)分析和模擬水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水動(dòng)力特征,可以揭示隧洞周?chē)乃牡刭|(zhì)現(xiàn)象和機(jī)制,如地下水補(bǔ)給和排泄路徑、水文地質(zhì)參數(shù)的空間分布等,為制定科學(xué)合理的滲控措施和應(yīng)對(duì)策略提供基礎(chǔ).

3)建立深埋隧洞的水文地質(zhì)觀測(cè)體系.基于水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行更大范圍的水文地質(zhì)觀測(cè);借助地表深孔監(jiān)測(cè)不同巖層的水壓力,研究不同巖層間的水力聯(lián)系特征,并探究地下水動(dòng)力機(jī)制,為深埋隧洞外水壓力大小的選取提供更可靠的依據(jù),通過(guò)收集更多的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證和完善水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性.

4)根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)條件,建立針對(duì)深埋隧洞外水壓力的巖體分類.在深埋隧洞工程中,巖體的滲流和力學(xué)特性通常存在差異.綜合考慮工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)條件建立針對(duì)深埋隧洞外水壓力的巖體分類,可以更好地理解和解釋深埋隧洞的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu).

5)引入巖體參數(shù)場(chǎng)描述隧洞巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型.根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果,不同位置巖體在滲流和力學(xué)特性上存在差異,但整體上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性.通過(guò)引入巖體參數(shù)場(chǎng),使得巖體的滲流和力學(xué)特性在整體上呈現(xiàn)出一定的趨勢(shì)性,并在局部上具有隨機(jī)性,可更準(zhǔn)確描述隧洞巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型.

6)開(kāi)展深埋長(zhǎng)隧洞圍巖-灌漿圈-襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)與外水壓力的相互作用機(jī)理研究.在實(shí)際工程中,圍巖、灌漿圈和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)與外水壓力相互影響.外水壓力變化會(huì)改變圍巖-灌漿圈-襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和滲流狀態(tài),而圍巖、灌漿圈和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響外水壓力及圍巖滲流場(chǎng)分布.通過(guò)深入研究圍巖-灌漿圈-襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)與外水壓力的相互作用機(jī)理,可揭示深埋長(zhǎng)隧洞施工期堵排措施與地下水的交互影響機(jī)理,并優(yōu)化深埋隧洞的滲控技術(shù)和堵排方案.

7)在滲控措施的選擇過(guò)程中,綜合考慮排水對(duì)生態(tài)環(huán)境、周?chē)w和地下水環(huán)境的影響.隧洞排水可能導(dǎo)致地下水位下降,進(jìn)而對(duì)周?chē)叵滤Y源和相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響.此外,排水也可能直接或間接地進(jìn)入地表水庫(kù)和河渠水體,改變水文特性,對(duì)水質(zhì)和水量產(chǎn)生影響.因此,應(yīng)建立深埋隧洞的水文地質(zhì)觀測(cè)體系以深入理解隧洞排水對(duì)地下水位和地表水體的影響機(jī)制,制定有效的滲控策略,以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展.

8)加強(qiáng)深埋隧洞工程施工期及運(yùn)行期的外水壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并基于數(shù)字孿生技術(shù)建立智能化、數(shù)字化的外水壓力監(jiān)測(cè)體系.加強(qiáng)深埋隧洞工程外水壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立數(shù)字孿生模型,利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),收集大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)外水壓力的變化進(jìn)行精確建模和預(yù)測(cè),可實(shí)現(xiàn)滲控措施和堵排方案的優(yōu)化,提高工程效率保障工程安全.

9)加強(qiáng)深埋隧洞高外水壓力的風(fēng)險(xiǎn)防控研究,開(kāi)展隧洞安全不確定性分析.在深埋隧洞工程中,巖體參數(shù)的獲取通常受到多種因素的限制,這些不確定性因素會(huì)對(duì)外水壓力的預(yù)測(cè)和評(píng)估產(chǎn)生影響.因此,應(yīng)進(jìn)行深埋隧洞外水壓力的不確定性分析,通過(guò)敏感性分析、參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析和蒙特卡羅模擬等方法來(lái)量化巖體參數(shù)對(duì)外水壓力的影響程度,得到關(guān)于隧洞安全可靠性的可靠性指標(biāo),用于評(píng)估深埋隧洞高外水壓力的風(fēng)險(xiǎn)水平.