富水環(huán)境下隧道地下水限量排放的襯砌外水壓力分析

張 進(jìn)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來，我國西部山區(qū)一大批穿越高壓富水地區(qū)的交通隧道工程建成并投入到運(yùn)營，而伴隨著的地下水問題也在隧道建設(shè)和運(yùn)營過程中越來越突出，影響施工安全和運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全性，甚至可能導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1]。

針對富水區(qū)隧道工程的襯砌外水壓力作用問題，多年來眾多學(xué)者及工程人員利用理論研究、數(shù)值計(jì)算分析、模型試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐等手段開展了一系列研究工作，取得了大量研究成果[2-4]。其中，在不斷的研究實(shí)踐中，“以堵為主，限量排放(堵水限排)”的防排水設(shè)計(jì)理念在礦山法隧道中被廣泛采用[5-6]。而在實(shí)際工程中，隧道堵水限排的標(biāo)準(zhǔn)與襯砌外水壓力的關(guān)系難以確定，運(yùn)營期隧道排水管路的堵塞也導(dǎo)致隧道排水量的減小和襯砌外水壓力的增加。鑒于此，本文結(jié)合時(shí)速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型，模擬防排水體系不同的排水能力，以研究復(fù)雜富水環(huán)境下隧道不同排水量與襯砌外水壓力作用的關(guān)系，從而為工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 數(shù)值分析模型

1.1 數(shù)值模型

本文結(jié)合時(shí)速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型，模擬半包-排水型隧道防排水體系，如圖1所示?？紤]力學(xué)和滲流場的邊界效應(yīng)影響，模型左右邊界至隧道中心長度取70 m，模型底邊界至隧道中心長度取60 m，模型上表面至隧道中心距離為實(shí)際水頭高度50 m，模型縱向長度考慮排水管的布置情況取為25 m，模型總體尺寸為(140 m)(X軸)×25m(Y軸)×110 m(Z軸)。模型力學(xué)邊界中上表面為自由面，四周及底面采用法相位移約束條件。滲流邊界條件中上表面為透水邊界(水頭為0)，底面設(shè)定為不透水邊界，四周設(shè)為水頭邊界，地下水位線在流固耦合過程中保持不變。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

模型中防排水系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示，包含隧道導(dǎo)水墊層、防水板、縱向排水管、橫向排水管、環(huán)向排水管和中心排水溝，地下水通過環(huán)向、縱向、橫向排水盲管匯至中央排水溝進(jìn)行排導(dǎo)。其中，環(huán)向排水盲管的縱向間距為8 m，導(dǎo)水墊層和防水板厚度取值為0.04 m，橫向、環(huán)向排水管和縱向排水管的管徑為0.08 m。進(jìn)行隧道防排水模擬計(jì)算時(shí)，為保證隧道模型自由滲水，將襯砌內(nèi)表面和排水管外表面水壓設(shè)為0。

圖2 模型中的防排水體系

模型中隧道圍巖、襯砌、注漿圈、防排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，并假定各結(jié)構(gòu)均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的多孔介質(zhì)，滿足FLAC3D軟件流固耦合計(jì)算模塊對于滲流場的相關(guān)準(zhǔn)則和假定條件。圍巖體為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；初次襯砌和二次襯砌取為彈性本構(gòu)模型；各結(jié)構(gòu)的流體模型根據(jù)其透水性利用FLAC3D軟件中fl-iso各向同性模型與fl-null流體空單元模型進(jìn)行模擬。圍巖及支護(hù)體系的力學(xué)參數(shù)取值如表1。通過工程類比[7-8]，流固耦合計(jì)算中注漿圈、防水板、排水管等結(jié)構(gòu)物的滲透系數(shù)取值如表2所示。

表1 各土層及材料力學(xué)參數(shù)

表2 圍巖及結(jié)構(gòu)物滲透系數(shù)取值

1.2 計(jì)算工況

計(jì)算模型中排水量的控制難以直接實(shí)現(xiàn)，因此基于“堵水限排”的理念，通過改變模型中排水管(材料)的滲透系數(shù)，以研究隧道不同控制排水量與襯砌背后水壓力作用的關(guān)系。實(shí)際工程中排水盲管由排水盲管管材、進(jìn)水孔及過濾層組成，其滲透系數(shù)難以量化確定，現(xiàn)參考相關(guān)已有文獻(xiàn)[9]，取數(shù)值模型中排水管的滲透系數(shù)k0=2×10-1cm/s，并以該滲透系數(shù)為基準(zhǔn)，對各工況下排水管的滲透系數(shù)進(jìn)行折減，共設(shè)置6種計(jì)算工況(表3)。

表3 計(jì)算工況及設(shè)置排水管滲透系數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 堵水條件下滲流場分析

利用FLAC3D軟件得到模型模擬運(yùn)營期隧道全堵防水時(shí)(設(shè)置排水管滲透系數(shù)為二次襯砌的滲透系數(shù)，等效于排水管完全堵塞)圍巖孔隙水壓力分布和襯砌外水壓力如圖3、圖4所示。由圖可知全堵防水條件下圍巖中水壓力分布沿豎向呈梯度變化，孔隙水壓力等值線為水平直線，呈靜水壓力場分布。襯砌背后孔隙水壓分布與隧道周圍巖體中的水壓分布相似，說明在全堵防水條件時(shí)，地下水穩(wěn)定滲流后，作用在襯砌上的孔隙水壓近似為圍巖初始水壓狀態(tài)，且襯砌拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處(圖4)水壓力分別約為0.442 MPa、0.46 MPa、0.5 MPa、0.524 MPa、0.534 MPa。

圖3 堵水條件下圍巖水壓力

圖4 堵水條件下襯砌外水壓力(單位:MPa)

2.2 隧道排水量分析

以排水管處滲透系數(shù)kr=0.0001k0工況為例，根據(jù)排水系統(tǒng)水壓力分布云圖中不同位置的水壓力大小，得到地下水排水路徑如圖5所示。在水壓力(水力梯度)的作用下地下水沿環(huán)、縱、橫向水管匯集到中心排水溝以起到地下水排放的作用。

圖5 防排水系統(tǒng)地下水排水路徑

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取模型中水量監(jiān)測斷面的過水量，得到下中心溝的排水量如表4，排水量與排水管滲透系數(shù)的關(guān)系如圖6。各工況下中心溝的最大排水量為2.23 m3/(d·m)，最小排水量為0.057 m3/(d·m)，說明本文通過改變排水管滲透系數(shù)模擬隧道不同排水量的方法是合理的。由圖6可知，隨著排水管滲透系數(shù)的增大，隧道防排水體系的排水量逐漸增大。

2.3 排水量與襯砌外水壓力關(guān)系分析

為研究不同工況下襯砌外水壓力的作用規(guī)律，以模型中部的襯砌單元(y=12.88m)為對象，提取其外水壓力如圖7所示。針對同一種防排水形式，隧道排水量不影響襯砌外側(cè)水壓力的作用狀態(tài)；對于半包-排水型隧道結(jié)構(gòu)，襯砌外水壓力呈“倒葫蘆形”分布。結(jié)合如圖5中所示的地下水排水路徑分析可知，受拱腳處縱向和橫向排水管的影響，地下水向拱腳匯集并由排水管排出，因此襯砌外水壓力在拱腰和拱底處水壓力較大，在拱腳處最小，形成了較為明顯的水壓力降曲線型勢。

表4 各工況下中心溝排水量

圖6 排水量與排水管滲透系數(shù)關(guān)系曲線

圖7 襯砌外側(cè)橫斷面水壓力分布(單位:MPa)

由圖7可知，“堵水限排”條件下隧道防排水體系的排水量越大，襯砌外水壓力越小。為了更好的對排水量與水壓力的關(guān)系進(jìn)行討論，現(xiàn)考慮排水量對襯砌水壓力的折減作用，利用水壓力折減系數(shù)β(襯砌外水壓力P與堵水條件下水壓力值P0的比值)來表示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算得到不同排水量下模型中部的襯砌單元拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處的水壓力作用系數(shù)，具體如表5所示。

結(jié)合圖5和表5可知，防排水體系(環(huán)、縱、橫向排水管及防水墊層)設(shè)置在拱腳以上部位，拱腳處排水管為地下水排出的通路，拱腰處存在一定的匯水，拱底的排水能力較小，因此防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出，對拱底排水效果較弱，同一排水量下襯砌拱底的水壓力作用折減系數(shù)最大。

表5 不同排水量時(shí)襯砌外側(cè)水壓力作用系數(shù)

同時(shí)，選取襯砌拱頂、拱腳和拱底處水壓力研究不同排水量對襯砌外側(cè)水壓力作用系數(shù)的影響，如圖8所示?？梢钥闯?，隨著隧道控制排水量的不斷增加，襯砌外側(cè)的水壓力作用系數(shù)不斷減小。當(dāng)隧道排水量小于0.2 m3/(m·d)時(shí)，排水量的增減對襯砌水壓力作用系數(shù)的大小影響顯著；當(dāng)隧道排水量大于0.2 m3/(m·d)時(shí)，增大排水量時(shí)襯砌外水壓力逐漸減小，但折減效果不明顯。

圖8 排水量對外水壓力作用系數(shù)的影響

此外，上文排水量與襯砌外水壓力的關(guān)系說明，隧道排水系統(tǒng)的通暢與否，對于控制襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力有著重要的作用。排水管一旦堵塞出現(xiàn)排水不暢問題時(shí)，襯砌外水壓力將顯著增大，影響運(yùn)營期隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全。因此，保障排水系統(tǒng)的施工質(zhì)量以及運(yùn)營期間的疏通維護(hù)至關(guān)重要。

3 結(jié)論

本文建立含有隧道防排水系統(tǒng)的三維精細(xì)化數(shù)值模型，研究了復(fù)雜富水環(huán)境下隧道不同排水量與襯砌背后水壓力作用的關(guān)系，得出如下結(jié)論：

(1)全堵防水條件下襯砌外水壓力分布近似為圍巖初始水壓狀態(tài)，襯砌承擔(dān)的外水壓力值較大。

(2)對于半包-排水型隧道結(jié)構(gòu)，襯砌外側(cè)水壓力受拱腳處縱向和橫向排水管的影響，呈“倒葫蘆形”分布，拱底處水壓力最大，拱腳處最小。

(3)同一排水量下防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出，對拱底排水效果較弱。逐步增大隧道控制排水量，襯砌外水壓力作用系數(shù)不斷減小，且隧道控制排水量小于0.2 m3/(m·d)時(shí)，控制排水量的增減對襯砌水壓 力作用系數(shù)的大小影響顯著。

(4)隧道防排水體系具有將地下水排出的作用，隨排水管滲透系數(shù)增大，隧道排水量逐漸增大。隧道排水系統(tǒng)的通暢與否，對于控制襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力有著重要的作用。