兩種防排水模式對富水隧道襯砌水壓力影響分析

尚明源， 張志強， 代超龍

(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)

[定稿日期]2017-09-07

在富水地層中修建隧道一直是難點工程。在隧道施工過程中，一方面由于地下水的對圍巖的軟化作用，降低了圍巖物理力學參數；另一方面隧道施工中，對圍巖應力場和地下水滲流場都有很大的擾動，圍巖應力場的改變將導致圍巖體應變的發生，從而引起孔隙水壓力的變化，反過來孔隙水壓力的變化也會導致應力場的變化，滲流場與應力場耦合作用的結果會加劇地層變形。富水地區，隧道的施工和運營階段均面臨眾多“涉水”問題，如施工階段突水涌水、運營階段襯砌滲漏水侵蝕等，建立行之有效的防排水體系成為工程建設的重點內容。

隧道處理地下水以“防、排、截、堵，因地制宜，綜合治理，以排為主”為原則，即采取排水措施，將滲入洞室內的地下水悉數排出，從而達到降低襯砌外水壓、減小襯砌厚度、節省投資的目的。

本文以四川省雅安市大相嶺隧道為背景，研究全排放與全封堵兩種防排水體系對初期支護、二次襯砌的影響，探明不同防排水體系下的支護結構斷面的關鍵控制點，并對兩種防排水體系進行評價，為富水軟巖隧道的施工提供指導意見。

1 隧道施工過程滲流場數值分析

1.1 工程概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區，左線長9 946m，進口高程約為1 526.54m，出口高程為1 540.41m；右線長10 007m，進口高程為1 525.88m，出口高程為1 540.21m。隧道穿越段最大埋深約1 660m，屬于深埋特長越嶺公路隧道，其交通布置如圖1所示。隧道修建過程中巖體破碎、涌水現象嚴重，在修建過程中洞壁發生坍方，期間基本處于停滯狀態，掌子面涌水較大。

圖1 大相嶺隧道位置

1.2 計算模型及參數

隧道工程概況如前所述，圍巖、初期支護和襯砌計算參數見表1，計算整體模型如圖2所示。

通過使用等效巖體水力學參數將其概化為等效連續介質模型，對隧道周圍滲流場進行數值模擬。計算模型選取兩側邊界至隧道中心線距離為50m，底部邊界至隧道距離約為30m，上部取離拱頂60m，縱向120m。初支、加固圈和圍巖緊密接觸，聯合作用。有限元分析計算模型共有1 858個4節點四邊形單元，共有節點數1 956個。

圍巖E/GPa1．2泊松比ν0．35φ/°39．0c/MPa0．9重度/(kN·m-3)2000滲透系數/(m·d-1)0．008初期支護E/GPa3．4泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2200滲透系數/(m·d-1)5．63×10-5厚度/cm25二次襯砌E/GPa29．8泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2500滲透系數/(m·d-1)2．61×10-9厚度/cm50

1.3 模擬工況

由于季節性降雨和山體內部水系分布的影響，本文取大相嶺隧道的最高水位60m，重點分析在固定的水位、不同排放方式對初期支護、二次襯砌背后水荷載的作用形式和大小。具體數值模擬工況為全封堵和全排兩種排放方式。

該隧道采用三臺階開挖工法，臺階長度3m，高度約2m，初期支護滯后掌子面3m，二次襯砌滯后初期支護15.0m(圖3)。

圖3 開挖步驟示意

1.4 滲流力學計算結果分析

1.4.1 初期支護背后水壓力分布規律

為了研究支護孔隙水壓力分布情況，提取初期支護背后孔隙水壓力云圖(圖4)。

(a) 全封堵

(b) 全排放圖4 施工完成后初期支護外水壓力

從圖4可以看出：施工期間距離掌子面越近，襯砌背后孔隙水壓力越小，越遠則相反，且距離掌子面較遠處，襯砌結構背后水壓力云圖等值線接近水平，近似收斂。不同排水邊界時，襯砌背后的水壓力值有所不同，如在全封堵排水邊界時，襯砌結構背后最大孔隙水壓力為24.99m水頭；全排水邊界相應的最大值為22.79m水頭，并且支護控制關鍵點(墻腳)水位大幅度降低，結構的安全性提高很多。

初期支護水壓力沿縱向分布曲線中的橫坐標為初期支護到最前端的距離，拱頂孔隙水壓力沿隧道縱向變化曲線如圖5～圖7所示。

圖5 初期支護拱頂水壓力沿縱向分布曲線

圖6 初期支護墻角水壓力沿縱向分布曲線

圖7 初期支護仰拱水壓力沿縱向分布曲線

無論何種排水邊界以及目標點位置為襯砌背后的何處，襯砌背后目標點的孔隙水壓力均在其所在斷面被開挖后而迅速降低，并且后續開挖步的進行會使其孔隙水壓力逐漸回升，直至收斂。

兩種排水方式對初期支護(未施加二襯)段背后水壓力有所影響，但是差別不大，全封堵時在0～29kPa之間，全排放時在0～27kPa之間。目標點水壓曲線在沿縱向15m(二襯最前端)開始突然增大，主要原因是二次襯砌起到“堵水”作用，“阻止”水自由流出，從而增大了初支外水壓力。

結合圖5～圖7和表2，可以看出：不同排水邊界的條件下，襯砌背后目標點孔隙水壓力均有明顯差別(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置為墻腳和仰拱位置。而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，墻腳往往是整個斷面結構的關鍵控制點，此處水壓降低53.70 %，可見排水方案可以大幅度提高整個結構的安全性。

1.4.2 二次襯砌背后水壓力分布規律

為了便于分析不同排水設施對襯砌背后不同位置孔隙水壓力分布規律的影響，在襯砌結構背后設置孔隙水壓力目標點，各目標點沿縱向襯砌外水壓力曲線如圖8～圖10所示。

二次襯砌目標點水壓力沿縱向分布曲線分布規律與初期支護類似。隨著距離襯砌最前端距離的增大，水壓越高；影響范圍大約為20m左右，即20m時水頭分布極不穩定。

但是，兩種排水方式對二次襯砌背后水壓力非常明顯，結合二次襯砌目標點水壓力沿縱向分布曲線圖與表可以看出：不同排水邊界的條件下，襯砌背后目標點孔隙水壓力均有明顯差別，其中降低幅度最大的位置為拱腰、墻腳和仰拱位置，而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，這些關鍵部位往往是整個斷面結構的關鍵控制點，可見排水方案可以大幅度提高整個結構的安全性(圖11、圖12、表3)。

表2 初期支護目標面不同位置外水壓力

圖8 二次襯砌拱頂水壓力沿縱向分布曲線

圖9 二次襯砌邊墻水壓力沿縱向分布曲線

圖10 二次襯砌仰拱水壓力沿縱向分布曲線

襯砌兩側墻腳處設置排水路徑時，以增加相對較小的排水量，降低支護外水壓力效果明顯。結合隧道運營使用方便要求，兩側墻腳設置排水孔易于與隧道底部排水溝銜接，是相對最好的襯砌排水位置。綜上所述，當排水系統完全堵死時，襯砌為完全透水，在墻腳處設置排水孔方案是比較合理的。因為對于水壓隧道，失穩破壞的關鍵部位在墻腳處，此處設排水孔可以有效地降低墻腳處的水荷載具有重要的意義。

2 結論

(1)針對抗水壓襯砌，通過水壓力對結構影響的敏感性分析可知：考慮全水頭時，結構受力最大部位在仰拱和邊墻腳處；不考慮水壓力時彎矩較大部位在結構拱部，結構設計時應取不利工況的最大值作為配筋依據。抵抗水壓力，仰拱的結構厚度比結構拱部的厚度大，且仰拱的配筋增加較多。

(2)隧道的開挖引起洞周孔隙水壓力急劇降低，從而造成洞周附近滲流場發生了改變，洞周流體有向洞內流動的趨勢。隨著支護和開挖的繼續向前進行，之前襯砌背后孔隙水壓力會由于支護的施設而逐漸恢復。掌子面前后范圍內，滲流場變化明顯，前方影響距離大約50m，襯砌段大約30m基本穩定。

表3 二次襯砌目標面不同位置外水壓力

(a)全封堵

(b)全排放

(a)無水壓襯砌彎矩

(b)抗水壓襯砌彎矩

(3)全封堵和全排方式隧道區周圍滲流場分布規律有所差別，全封堵時隧道周邊圍巖滲流場降低相對較小，主要水頭差由隧道支護結構來承擔，因此不利于施工和運營安全。而全排方式下最大周邊滲流場梯度降低較多，水頭差主要由圍巖來承擔，支護結構相對安全。二襯滯后掌子面12m，已襯砌區段只有前8m左右水壓有一定變化，襯砌段8m范圍后水壓穩定。

(4)封堵方式和全排方式下，襯砌背后目標點孔隙水壓力均有明顯差別(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置為墻腳和仰拱位置。而對于三車道大斷面高速公路隧道而言，墻腳往往是整個斷面結構的關鍵控制點，此處水壓降低53.70 %，可見排水方案可以大幅度提高整個結構的安全性。

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