富水隧道基于溫度比擬法的合理注漿參數研究

邱月，何聰，鄒育麟，何 川

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031；3.四川省鐵路產業投資集團有限責任公司，四川成都610031)

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富水隧道基于溫度比擬法的合理注漿參數研究

邱月1，何聰2，鄒育麟3，何 川1

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031；3.四川省鐵路產業投資集團有限責任公司，四川成都610031)

摘要:以南大梁(南充-大竹-梁平)高速華鎣山隧道為工程背景，針對其在斷層富水區段使用的“以堵為主，限量排放”的防排水原則，采用溫度比擬法對不同注漿參數下襯砌的外水壓力、內力、安全系數以及隧道排水量進行研究。研究結果表明：注漿圈在一定施作范圍內可有效降低隧道洞內排水量、襯砌結構外水壓及其內力，從而增大襯砌結構安全系數，提高其安全儲備能力，但總體而言，注漿參數存在一個相對經濟合理的范圍。據此，以隧道設計排水量和二次襯砌結構安全性為評判標準，結合隧區生態環境等要求，提出華鎣山隧道注漿參數的設計建議值。

關鍵詞：富水區；隧道工程；溫度比擬法；注漿參數；襯砌外水壓力

隨著隧道建設技術的逐步發展，高速公路網絡不斷向山區延伸，穿越高壓富水地區的高速公路隧道也逐漸增多。而高壓富水地區地質條件復雜，斷層破碎帶、巖溶、局部高水壓等不良地質狀況十分常見，為了應對隧道建設過程中的經濟、技術、環保等一系列的問題，“以堵為主，限量排放”即“堵水限排”的設計理念廣泛采用[1-2]。渝懷鐵路圓梁山隧道和歌樂山隧道以及宜萬鐵路重點隧道等工程在穿越高壓富水區時均采用這種設計。采用“堵水限排”時，地下水荷載成為襯砌結構的主要荷載，如何確定襯砌水壓成為隧道在設計和施工時無法回避的問題[3-4]。目前，襯砌外水壓力的計算方法主要有折減系數法、理論解析法以及數值分析方法等。對于復雜的滲流場計算，通常根據實際工程建立數值模型，采用考慮流固耦合的有限差分法或有限元法進行計算[5]。但是，如果計算模型復雜，單元數目龐大的情況下，采用流固耦合計算襯砌水壓時間變長，實用性不高。溫度比擬法是利用ANSYS中的熱分析模塊，不考慮流固耦合效應情況下，采用溫度場比擬滲流場實現襯砌水壓的快速計算[6]。在“堵水限排”結構體系中，注漿圈作為防止地下水進入隧道內部的第一道防線，是控制地下水排放的主要手段。目前，國內外注漿參數設計仍以經驗為主[7]，注漿參數設計理論有待進一步的發展。張成平等[8]提出根據排水量和襯砌水壓的相互影響關系來確定合理注漿參數；劉招偉等[9]在對充填物結構和強度分析的基礎上進行注漿參數設計。本文依托南大梁(南充-大竹-梁平)高速華鎣山隧道，針對其“堵水限排”體系，以快速高效獲取襯砌水壓為目標，采用溫度比擬法，研究斷層富水區段襯砌的外水壓力、內力、安全系數以及隧道排水量隨注漿參數的變化規律，并給出注漿設計參數的建議值，為本工程合理注漿參數的選取提供理論依據。

1工程概況

華鎣山隧道是南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路重點控制性工程，隧道全長8 168 m，設計時速80 km/h。隧道按雙向4車道分離式雙洞布置，凈寬11 m，凈高8.68 m，具體設計參數見圖1。隧道穿越華鎣山背斜和區域F1斷層(圖2)，不良地質和特殊巖土包括斷層破碎帶、巖溶、采空區、煤層瓦斯、石膏及鹽溶角礫巖等。隧道通過水平循環帶，巖溶強烈發育，施工中存在突水和突泥的風險，局部地段存在軟巖變形破壞的可能。

圖1　華鎣山隧道內輪廓圖Fig.1 Internal contour of Huayingshan tunnel

2計算方法的確定

2.1溫度比擬法原理

采用溫度比擬法進行襯砌結構水壓計算，該法是基于ANSYS中溫度場與滲流場的高度相似性，在明確了兩場中對應替換的參量之后進行的等效計算。滲流場與溫度場在基礎理論、初始條件、微分控制方程以及2類邊界條件上有著高度的相似性[10]，其相關公式的對照見表1。如果把對應的參數進行替換，滲流場和溫度場則可以相應的轉換，即滲流計算可以用溫度比擬法替代完成。計算時各公式具體參量間的替換見表2。

采用溫度比擬法進行滲流場計算分析時，需對計算做以下假設：

1)假設隧道圍巖為均質、連續、各項同性介質，不考慮地層構造應力；

2)滲流屬于恒定流且滿足達西定律；

3)地下水位恒定，不因隧道開挖排水、排水管排水而改變。

2.2計算模型

計算模型由隧道中心點向兩側及上下表面各取約5倍洞徑寬度，為50 m(圖3)。縱向建立3環環向排水管，相鄰兩環構成一個排水區間，地下水通過環向和縱向排水盲管以及中央排水溝進行排導(圖4)。選取solid70單元模擬圍巖、初期支護、二次襯砌、注漿層、中央排水溝、透水層、防水板等。由于隧道斷層富水區的圍巖并不滿足“均質、連續、各項同性”的計算假設，因此，根據地質勘測資料及相關文獻，取圍巖的綜合滲透系數，將破碎巖體等效為滲透系數較大的均質巖體，以滿足計算假設[11-14]，圍巖及結構物的滲透系數取值見表3。

采用溫度比擬法求得襯砌外水壓力并將其施加在二次襯砌表面，利用荷載-結構模型計算襯砌結構內力和安全系數，荷載結構模型及荷載組合如圖5所示。襯砌結構采用梁單元進行模擬，并通過單向受壓土彈簧進行約束。土壓荷載按照《公路隧道設計規范》[13]規定選取。

表2　滲流場與溫度場參量替換表

3結算結果分析

3.1注漿參數對隧道排水量的影響

由圖6可得如下結論：

1)注漿材料滲透系數相同時，注漿圈厚度越大，排水量越小；注漿圈厚度相同時，注漿材料滲透系數越小，排水量越小。表明增強注漿參數能夠有效降低隧道排水量。

圖3　模型整體示意Fig.3 Whole model diagram

圖4　防排水系統示意圖Fig.4 Waterproofing and drainage system

圖5　荷載結構模型及荷載組合Fig.5 Load-structure model and load combination

圍巖初襯二砌防水板透水墊層排水管滲透系數/(cm·s-1)2×10-41×10-51×10-64×10-94×10-44

圖6　隧道排水量隨注漿參數的變化規律Fig.6 Change law between discharge and grouting parameter

2)當h≥5 m或n≥50時，繼續增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數，隧道排水量的降低不再明顯。可見，注漿參數存在一個相對合理、經濟的范圍，并不是注漿材料的滲透系數越低、注漿圈的厚度越大，對排水量的控制效果越好。

3.2注漿參數對襯砌水壓的影響

在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計算h=1～10 m，n=10～100時襯砌的外水壓力。由于各工況下襯砌水壓的分布規律基本一致，本文僅給出h=5 m且n=50時的襯砌水壓分布(圖7)。拱頂和仰拱水壓隨注漿圈厚度與注漿材料滲透系數的變化規律見圖8～9。

單位：m圖7　h=5 m且n=50時襯砌外水壓分布圖Fig.7 Water pressure of lining under h=50 m and n=50

圖8　拱頂水壓隨注漿參數的變化規律Fig.8 Change law between vault’s water pressure and grouting parameter

圖9　仰拱水壓隨注漿參數的變化規律Fig.9 Change law between invert’s water pressure and grouting parameter

由圖7～9可得如下結論：

1)拱部水壓沿縱向周期性分布，在排水節間中部最大，在環向排水管處最小，故選取排水節間中部斷面作為襯砌內力及安全系數的計算斷面。

2)注漿材料滲透系數相同時，注漿圈厚度越大，襯砌結構水壓越小；注漿圈厚度相同時，注漿材料滲透系數越小，襯砌結構水壓越小。表明注漿圈的施作能夠阻擋地下水向隧道內部匯集，使襯砌外水壓力大幅減小。

3)當h≥5 m或n≥50時，繼續增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數，拱頂和仰拱水頭值的減小不再明顯。可見，注漿參數存在一個相對合理、經濟的范圍，并不是注漿材料的滲透系數越低、注漿圈的厚度越大，對襯砌水壓的折減效果越好。

3.3注漿參數對襯砌內力的影響

二次襯砌的邊墻和仰拱間采用小半徑隅角過渡，其拱腳容易產生應力集中。在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計算h=1～10 m，n=10～100時襯砌的軸力和彎矩分布。h=5 m且n=50時的襯砌軸力和彎矩分布見圖10。襯砌的最大軸力和最大彎矩隨注漿圈厚度與注漿材料滲透系數的變化規律如圖11～12。

(a)軸力分布(單位：N)；(b)彎矩分布(單位：N·m)圖10　h=5 m且n=50時襯砌內力分布圖Fig.10 Internal force of the lining under h=50 m and n=50

圖11　最大軸力隨注漿參數的變化規律Fig.11 Change law between maximum axial force and grouting parameter

圖12　最大彎矩隨注漿參數的變化規律Fig.12 Change law between maximum bending moment and grouting parameter

由圖10～12可得如下結論：

1)襯砌的軸力在拱頂處最小，在拱腳處最大；彎矩也在拱腳處最大。

2)注漿材料滲透系數相同時，注漿圈厚度越大，襯砌的最大軸力和彎矩越小；注漿圈厚度相同時，注漿材料滲透系數越小，襯砌的最大軸力和彎矩也越小。表明施作注漿圈可使襯砌的內力分布更均勻，有利于結構受力。

3)當h≥5 m或n≥50時，繼續增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數，最大軸力和彎矩的減小不再明顯。可見，注漿參數存在一個相對合理、經濟的范圍，并不是注漿材料的滲透系數越低、注漿圈的厚度越大，對襯砌內力的減小效果越好。

3.4注漿參數對襯砌安全系數的影響

安全系數是結構安全性能的直觀體現，在拱頂靜水頭H=40 m工況下，分別計算h=1～10 m，n=10～100時襯砌的安全系數。h=5 m且n=50時襯砌的安全系數分布見圖13。襯砌安全系數最小值隨注漿參數的變化規律見圖14。

由圖13～14可得如下結論：

1)襯砌的安全系數在拱腳處最小，為橫截面上控制部位。

圖13　h=5 m且n=50時襯砌安全系數分布圖Fig.13 Safety factor of lining under h=50 m and n=50

圖14　安全系數隨注漿參數的變化規律Fig.14 Change law between safety factor and grouting parameter

2)注漿材料滲透系數相同時，注漿圈厚度越大，襯砌的安全系數越大；注漿圈厚度相同時，注漿材料滲透系數越小，襯砌的安全系數也越大。表明施作注漿圈可使襯砌的安全儲備提高，滿足規范的要求。

3)當h≥5 m或n≥50時，繼續增加注漿圈厚度或減小注漿圈滲透系數，安全系數的增大不再明顯。可見，注漿參數存在一個相對合理、經濟的范圍，并不是注漿材料的滲透系數越低、注漿圈的厚度越大，對安全系數的提高越大。

4合理注漿參數的確定

由前述分析可知，注漿參數h與n共同決定了隧道排水量和襯砌的外水壓力、內力以及安全系數，且存在一個相對合理、經濟的范圍。在隧道建設過程中，為了有效地保護地下水和生態環境，需要確定地下水排放標準，即設計排水量。在滿足設計排水量的同時，隧道結構的安全性能需要達到規范的要求。因此，本文通過隧道設計排水量和襯砌結構安全性兩方面綜合考慮進行合理注漿參數的確定。

鑒于目前的注漿技術水平，注漿圈滲透系數降低為注漿前圍巖滲透系數的1/20～1/50是比較可行和經濟的[15]。因此，綜合以上兩點要求，建議華鎣山斷層富水區的注漿參數選取注漿圈厚度h=4 m，注漿材料滲透性能n=50，即注漿圈滲透系數kg=4×10-6cm/s，為圍巖滲透系數的1/50，其確定步驟如圖15所示。該注漿參數可以滿足設計要求，在現場應用時，可通過帷幕注漿的方式實現。

圖15　合理注漿參數確定步驟Fig.15 Program of determining appropriate parameters of grouting circle

5結論

1)基于有限元計算軟件ANSYS中溫度場和滲流場在基礎理論、微分控制方程、初始條件和邊界條件等四方面的相似性，明確了溫度場和滲流場進行置換的相應參量，為ANSYS溫度比擬法計算滲流問題的可行性提供了理論依據。

2)由于排水系統的影響，二次襯砌水壓在縱向呈現周期性分布，隧道縱向最大水壓出現在兩環向排水管中部，最小水壓出現在環向排水管處。

3)施作注漿圈可以降低隧道排水量、襯砌水壓與內力，增大襯砌安全系數，提高結構安全儲備。然而，其值的變化不隨注漿圈厚度和注漿材料滲透系數的改變線性變化，注漿參數存在一個相對經濟合理的范圍。

4)本工程的合理注漿參數選取是以隧道設計排水量和二次襯砌結構安全性為判斷標準，并結合華鎣山隧道現場資料，建議其注漿參數取值為：隧道斷層富水區拱頂靜水壓力H=40 m地段，注漿圈厚度為4 m，注漿圈滲透系數為圍巖滲透系數的1/50，即4×10-6cm/s。

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Study on the appropriate parameters of grouting circle for tunnel base on temperature analogy method in water-enriched regionQIU Yue1, HE Cong2, ZOU Yulin3，HE Chuan1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China；3. Sichuan Railway Investment Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

Abstract：This paper is based on huayingshan tunnel in Nandaliang highway, which connects Nanchong and Dazhu and Liangping. In view of the controlled drainage system in water-enriched fault region, temperature analogy method was adopted to discuss discharge, internal force and safety factor of tunnel lining under different grouting parameters. The results show that grouting circle can reduce discharge and internal force effectively, at the same time increase safety factor of lining. However, there exists a reasonable and economic range of grouting parameters. Taking designed discharge and structure safety as judgment criterion, reasonable grouting parameter for recommendation of Huayingshan tunnel through proposed on the basis of the field data.

Key words：water-enriched region; tunnel engineering; temperature analogy method; grouting parameter; water pressure of lining

中圖分類號：U455.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0723-07

通訊作者：邱月(1990-)，女，四川成都人，博士研究生，從事隧道與地下工程設計理論研究工作；E-mail：849362131@qq.com

基金項目：國家自然基金煤炭聯合基金重點項目(U1361210)；國家科技支撐計劃課題(2013BAB10B04)；四川省交通科技項目(110109066)

收稿日期：2015-07-29