不同防排水形式下高水壓海底隧道物理場(chǎng)分布規(guī)律研究

張佑鈞， 劉志春， 孫曉邁

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司，山東 日照 276800)

過(guò)去常見(jiàn)的山嶺隧道多采用半包式防排水設(shè)計(jì)，但由于海底隧道最大的風(fēng)險(xiǎn)在于基巖裂隙水的滲流，并隨著滲流通道裂隙的不斷擴(kuò)大產(chǎn)生突涌水災(zāi)害，致使海平面與隧道開(kāi)挖區(qū)域貫通，使得海底隧道沖毀。因此海底隧道一般不適宜采用半包式防排水設(shè)計(jì)，采用全封堵的防排水設(shè)計(jì)能夠較好地防范化解突涌水等工程災(zāi)害。全封堵市防排水設(shè)計(jì)如僅從防止突涌水的理念出發(fā)，為較好的防排水設(shè)計(jì)方案，但是全封堵式排水設(shè)計(jì)無(wú)法產(chǎn)生半包式防排水設(shè)計(jì)的限量排放對(duì)襯砌背后水壓力的折減釋放作用，對(duì)襯砌的受力變形狀態(tài)控制較為不利。

以往的學(xué)者根據(jù)不同的海底隧道工程，進(jìn)行了防排水形式的研究：張鵬等[1-5]分別以廈門(mén)翔安海底隧道、青島膠州灣海底隧道和青島地鐵過(guò)海隧道為研究背景，對(duì)海底隧道不同的防排水形式進(jìn)行研究，分析了注漿圈外和襯砌背后水壓力分布和變化規(guī)律，指出海底隧道注漿圈外側(cè)水壓分布近似圓形，襯砌背后水壓分布近似“葫蘆”狀。適當(dāng)?shù)呐潘欣诎l(fā)揮注漿加固區(qū)對(duì)襯砌背后水壓的折減作用，指出注漿加固圈對(duì)于保障海底隧道安全的必要性。呂明[6]結(jié)合挪威海底隧道相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，指出采用超前帷幕注漿對(duì)開(kāi)挖區(qū)域的滲流控制效果較好。王向閣[7]通過(guò)理論解析法研究后，指出在堵水限排條件下，注漿圈厚度越大，注漿圈滲透系數(shù)越小，襯砌背后水壓力越小。其他學(xué)者[8-10]研究發(fā)現(xiàn)海底隧道穿越破碎帶區(qū)域時(shí)，破碎帶區(qū)域的應(yīng)力與位移均發(fā)生較大增長(zhǎng)。注漿加固圈對(duì)于海底隧道變形控制有顯著的效果。

綜合上述各位學(xué)者的研究成果發(fā)現(xiàn)，海底隧道防排水形式大多遵循堵水限量排放的設(shè)計(jì)理念，合理地設(shè)置注漿圈后，對(duì)于海底隧道襯砌背后水壓力的折減和變形控制均產(chǎn)生了顯著效果，據(jù)此針對(duì)汕頭灣海底隧道工程，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適用于高水壓海底隧道的防排水設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

汕頭灣海底隧道為全國(guó)第一條高速鐵路穿越高水壓密集斷裂帶區(qū)域的海底隧道。

汕頭灣海底隧道擬采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行該段海底隧道的開(kāi)挖，初期支護(hù)C25噴射混凝土厚度為28 cm，并采用0.8 m/榀的型鋼鋼架I20。C50二次襯砌厚度為60 cm。臨時(shí)仰拱采用臨時(shí)型鋼鋼架I18和25 cm厚的C25噴射混凝土。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺設(shè)置為1 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為6 m，初期支護(hù)比開(kāi)挖滯后1 m，二次襯砌按照設(shè)計(jì)要求及時(shí)施作，比初期支護(hù)滯后20 m。防排水設(shè)計(jì)分別采用不同的方式：全封堵式，半包式，限排式(拱底設(shè)置泄壓閥限壓排水)。在該3種設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超前帷幕注漿堵水，止水巖盤(pán)超前距離為3 m。

隧道最大埋深約180 m，海域段最大水壓為0.97 MPa，隧道穿越地質(zhì)從淤泥到微風(fēng)化花崗巖復(fù)雜多變，共穿越9條斷裂帶。本段海底隧道區(qū)為強(qiáng)富水區(qū)，在隧道施工過(guò)程中極易引起隧道突水、突泥。圍巖的穩(wěn)定性差，巖土體內(nèi)賦存高水壓，襯砌背后承受著較高的水頭壓力，施工風(fēng)險(xiǎn)性極高。

2 計(jì)算模型及計(jì)算工況

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)條件資料，圍巖土體采用Mohr-Column本構(gòu)模型。假定4層巖土體，由上到下分別為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖。錨桿及注漿加固等效為圍巖加固圈。噴射混凝土、二次襯砌、臨時(shí)仰拱均采用彈性本構(gòu)。結(jié)合設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，當(dāng)汕頭灣海底隧道海域礦山法V級(jí)圍巖段采用全封堵式防排水設(shè)計(jì)時(shí)，假定臨時(shí)仰拱、二次襯砌不透水。模型計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 尺寸及邊界條件

2.2.1 位移及應(yīng)力邊界條件

根據(jù)下穿主航道的汕頭灣海域礦山法V級(jí)圍巖地段相關(guān)地質(zhì)條件資料，以及Vha型復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)相關(guān)資料，為減少邊界效應(yīng)的不良影響，本文采用模型尺寸：160 m×30 m×150 m，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分

模型前后左右與底部邊界設(shè)置了位移邊界條件，約束邊界上所有節(jié)點(diǎn)法向的位移，并按巖土體重度隨深度方向設(shè)置梯度分布的初始豎向應(yīng)力場(chǎng)，并設(shè)置側(cè)壓力系數(shù)為0.6。

2.2.2 滲流邊界條件

由于本工程位于海底，另設(shè)置滲流邊界條件，模型頂部即為海底，汕頭灣主航道此處水深為18.7 m，因此滲流邊界條件設(shè)定應(yīng)符合海底孔隙水壓力初始應(yīng)力場(chǎng)特征，在模型頂部固定水頭壓力為0.187 MPa，模型的前、后、左、右、底部均設(shè)置為不透水邊界。

泄壓閥區(qū)域邊界條件的設(shè)置：當(dāng)拱底孔隙水壓力大于0.5 MPa時(shí)，泄壓閥打開(kāi)，此時(shí)通過(guò)將泄壓閥處實(shí)體網(wǎng)格的孔隙水壓力降至0.5 MPa，模擬泄壓閥打開(kāi)泄水時(shí)的狀態(tài)，由于泄壓閥的泄水符合堵水限量排放的理念，即當(dāng)泄壓閥排水降低拱底襯砌背后水壓力為0.5 MPa時(shí)停止排水。圖2所示為泄壓閥的網(wǎng)格處理。

圖2 泄壓閥網(wǎng)格處理

2.3 防排水形式及工況設(shè)計(jì)

汕頭灣海底隧道防排水設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3、圖4，工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

圖3 汕頭灣海底隧道防排水輔助措施(單位：mm)

圖4 海底隧道防排水形式

表2 海底隧道不同防排水設(shè)計(jì)工況

(1) 半包式防排水設(shè)計(jì)：防水層僅拱墻位置處設(shè)置，仰拱處不設(shè)防水層，除初期支護(hù)具有透水性能以外，允許仰拱處襯砌透水，釋放拱底較高的水頭壓力，拱底襯砌(透水處)滲透系數(shù)為5.12×10-7cm/s。

(2) 限排式防排水設(shè)計(jì)：防水層全環(huán)布置，僅在拱底設(shè)置泄壓閥，當(dāng)隧道拱底的水壓力達(dá)到泄壓閥臨界壓力0.5 MPa以上時(shí)，泄壓閥打開(kāi)，開(kāi)放泄水通道，釋放拱底水壓力，直到拱底水壓力小于或等于0.5 MPa時(shí)關(guān)閉泄壓閥，封閉泄水通道，使拱底水壓力始終不超過(guò)0.5 MPa。

(3) 全封堵式防排水設(shè)計(jì)：防水層全環(huán)設(shè)置，除初期支護(hù)具有透水性能以外，不允許二襯襯砌透水，不允許仰拱處襯砌透水，拱底有較高的水頭壓力。

3 滲流場(chǎng)分布規(guī)律

如圖5所示，全封堵式防排水設(shè)計(jì)時(shí)，不論有無(wú)加固區(qū)孔壓分布均相同，拱頂襯砌背后水壓為0.79 MPa，拱底襯砌背后水壓為0.94 MPa。

圖5 全封堵式滲流場(chǎng)分布(單位:MPa)

通過(guò)對(duì)比有無(wú)加固區(qū)的限排式(拱底設(shè)置泄壓閥)兩種防排水設(shè)計(jì)條件下的滲流場(chǎng)(如圖6所示)，發(fā)現(xiàn)滲流場(chǎng)的分布形態(tài)表現(xiàn)為：有加固圈時(shí)，因加固圈較低的透水性，海底隧道周?chē)畨鹤兓^為緩慢，但泄壓閥在拱底附近區(qū)域所產(chǎn)生的泄壓效應(yīng)影響范圍更廣；無(wú)加固圈時(shí)，海底隧道周?chē)畨河捎谛箟洪y的存在，且由于海床下基巖較高的透水性，使其呈現(xiàn)出更明顯的漏斗狀分布形態(tài)，但對(duì)拱底附近區(qū)域所產(chǎn)生的水壓折減影響范圍更小。由于固定了拱底的泄壓閥臨界壓力為0.5 MPa，因此不論是否設(shè)置加固區(qū)，拱底襯砌背后水壓力均為0.5 MPa，拱頂襯砌背后水壓均為0.75 MPa，有加固區(qū)時(shí)，洞周拱底附近區(qū)域的襯砌背后水壓折減效果更佳。

圖6 限排式滲流場(chǎng)分布(單位:MPa)

如圖7所示，通過(guò)對(duì)比半包式防排水有無(wú)加固區(qū)工況的滲流場(chǎng)分布形態(tài)可知，當(dāng)有加固區(qū)時(shí)，由于加固區(qū)較低的透水性，對(duì)仰拱附近區(qū)域的水壓折減影響范圍更廣；無(wú)加固區(qū)時(shí)，海底隧道周?chē)畨河捎谘龉暗耐杆阅埽矣捎诤４蚕禄鶐r較高的透水性，使其呈現(xiàn)出明顯的漏斗狀分布形態(tài)，但對(duì)仰拱附近區(qū)域所產(chǎn)生的水壓折減影響范圍更小。

圖7 半包式滲流場(chǎng)分布(單位:MPa)

不同防排水形式襯砌背后水壓力分布如圖8所示。可知采用全封堵式防排水設(shè)計(jì)時(shí)襯砌背后的水壓力分布按照初始狀態(tài)的滲流場(chǎng)分布，不論是否施作加固區(qū)，都無(wú)法折減襯砌背后的水壓力，因此該種設(shè)計(jì)的水壓力最大，對(duì)于襯砌的受力狀態(tài)與支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性十分不利；半包式防排水設(shè)計(jì)條件下，襯砌背后的水壓力最小，加固區(qū)可以提高水壓力的折減效應(yīng)影響范圍；限排式(拱底設(shè)置泄壓閥)設(shè)計(jì)條件下，襯砌背后的水壓力較小，加固區(qū)同樣可以提高水壓力的折減效應(yīng)影響范圍。結(jié)合海底隧道的排水成本，從不同防排水形式的襯砌背后水壓分布規(guī)律出發(fā)，限排式(有加固區(qū))為最佳的防排水設(shè)計(jì)。

圖8 不同防排水形式襯砌背后水壓力分布(單位：MPa)

4 位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

不同工況下的位移與結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如表3所示。可知在高水壓海底隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，限排式設(shè)計(jì)的變形控制效果最好，半包式設(shè)計(jì)次之，全封堵式設(shè)計(jì)的變形控制效果最差，施作加固圈能夠顯著提高圍巖強(qiáng)度，并使變形控制的效果顯著。與全封堵式防排水設(shè)計(jì)相比，半包式防水設(shè)計(jì)更有利于控制洞周的變形，說(shuō)明進(jìn)行排水折減襯砌背后水壓力有利于變形的控制，由于拱底襯砌的透水性能，折減襯砌背后水壓力后，使得拱底的隆起值較小。與不設(shè)置加固區(qū)相比，加固區(qū)能有效控制半包式防排水設(shè)計(jì)的變形，改善襯砌的受力變形狀態(tài)。限排式防排水設(shè)計(jì)也能產(chǎn)生類(lèi)似半包式防水設(shè)計(jì)的變形控制效果，拱底受泄壓閥的水壓折減影響區(qū)域所產(chǎn)生的位移較小，說(shuō)明高水壓海底隧道開(kāi)挖過(guò)程中，進(jìn)行排水有利于變形控制，在進(jìn)行排水的基礎(chǔ)上，再輔以合理的注漿加固，能提高變形控制效果。

表3 不同防排水設(shè)計(jì)工況的位移及應(yīng)力值

由表3分析不同的防排水形式襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，其中應(yīng)力值的負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力，正號(hào)代表拉應(yīng)力。就應(yīng)力水平而言，加固區(qū)能夠有效降低高水壓海底隧道的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，且通過(guò)排水有利于折減襯砌背后的水壓力，但綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等相關(guān)因素，半包式防排水形式的排水量相較于限排式的防排水形式，排水量過(guò)大，且限排式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)已得到較好改善，因此就襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與變形控制效果而言，最佳的防排水設(shè)計(jì)為限排式(防水層全環(huán)設(shè)置但拱底設(shè)置泄壓閥)。

5 結(jié)論

(1)高水壓海底隧道的防排水設(shè)計(jì)理念應(yīng)遵循堵水限量排放原則，與全封堵式防排水設(shè)計(jì)相比，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐潘欣谝r砌背后水壓力的折減，改善襯砌的受力狀態(tài)，再輔以合理的注漿加固，更有利于海底隧道開(kāi)挖時(shí)穿越密集斷裂帶區(qū)域軟弱圍巖的變形控制。

(2)注漿加固區(qū)能夠顯著增強(qiáng)高水壓海底隧道的變形控制效果，同時(shí)也能提高襯砌背后水壓力的折減效果，因此海底隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中進(jìn)行注漿加固很有必要。

(3)從改善海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與變形控制的角度出發(fā)，應(yīng)力狀態(tài)最佳且變形控制效果最佳的防排水設(shè)計(jì)方案為限排式(防水層全環(huán)設(shè)置但拱底設(shè)置泄壓閥)。