堵排水方式對秦嶺隧洞襯砌外水壓力的影響研究

趙 力，蘇 巖，王 博，魏 軍 政，陶 磊

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024； 2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

目前國內外修建的地下工程越來越多，埋深越來越大，外水壓力的應對是深埋隧洞襯砌結構設計施工中需要重點關注的難題之一，尤其是在地下水條件復雜的富水區域，外水壓力直接影響著隧洞建設和運營安全[1-2]。當襯砌結構承受外水壓力時，通常有封堵和排放兩種處理方式。封堵采用固結灌漿或防水措施將地下水封堵在襯砌圈外，但當初始水頭壓力全部作用在襯砌上時，會對襯砌結構的安全構成嚴重威脅[3-4]。排放是通過設置排水孔等措施將地下水排出，但大量排放會改變區域地下水環境，易引發巖溶塌陷等地質災害。襯砌外水壓力與灌漿圈、襯砌、排水設計等有關，影響因素復雜，因此，開展外水壓力對襯砌結構的影響研究具有重要的現實意義[5-6]。

近年來，許多學者對外水壓力的確定和處理進行了深入研究。謝小帥等[7]通過對隔水層的位置高度、厚度以及與圍巖的相對滲透性開展敏感性分析，對襯砌外水壓力變化規律進行了研究。于麗等[8]采用隧道滲流模擬試驗系統，提出了基于圍巖滲透影響范圍的隧道外水壓力計算方法。劉立鵬等[9]對不同襯砌型式外水作用規律與外水壓力折減系數進行了分析與討論，給出了地下隧道工程襯砌外水壓力應對處理的基本方法。吳劍疆[10]結合深埋隧洞對減小襯砌外水壓力措施進行了分析，對折減系數法、解析法和數值法等方法進行了評價。肖欣宏等[11]對復雜巖溶地區隧洞襯砌外水壓力及滲流場變化規律進行研究分析，以確定合適的設計參數。張治國等[6]對富水山嶺地區鄰近補水斷層隧道結構上的水頭分布進行了解析求解。郭鴻雁等[12]基于流固耦合分析，對富水隧道襯砌結構合理的外水壓力取值和限量排放標準進行了研究。侯新文等[13]針對隧洞圍巖及灌漿圈非均質性的特點，建立了求解其外水壓力的數值方法。高永琪[14]分析評價了泄洪洞上平段高外水壓力作用下的襯砌安全性。周亞峰等[15]分析對比了襯砌外水壓力的折減系數法、理論解析方法和數值分析方法，進行了不同滲透環境和襯砌支護條件下的襯砌外水壓力計算。王克忠等[16]分析了深部隧洞裂隙圍巖滲透特性及襯砌外水壓力變化規律。漆江等[17]分析了隧洞滲透水壓力在施工期的分布規律，并推導襯砌與圍巖的應力、位移彈性解析解。

本文采用數值計算，分別對無灌漿層和有灌漿層兩類情況下襯砌完全不透水、滲透性較低、設置排水孔這3種工況進行研究，分析了不同工況下襯砌外水壓力的變化規律，揭示了灌漿層不同滲透系數、不同厚度對襯砌外水壓力、滲流量等的影響，并以引漢濟渭秦嶺隧洞典型洞段襯砌結構灌漿排水方案為例，驗證了排水孔設計的合理性，以期為高地下水頭環境作用下襯砌結構的設計提供依據和借鑒。

1 工程概況

引漢濟渭工程是國家“十三五”期間172項重大水利工程之一。其中秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，洞內縱坡1/2 500，最大埋深2 012 m，設計流量70 m3/s。隧洞鉆爆法過水斷面采用馬蹄型，成洞尺寸寬6.76 m，高6.76 m；TBM法施工斷面為圓形，直徑8.02 m。工程地質條件和水文地質條件復雜，隧洞區整體屬于秦嶺西部山區，地貌總體受構造控制。秦嶺隧洞通過區地下水分為嶺南、嶺北兩大水流系統，以秦嶺嶺脊為分界線，嶺南屬于長江流域，嶺北屬于黃河流域。并根據斷裂構造及地形地貌條件分為若干子水流系統，兩大水流系統之間及其內部各子水流系統之間水力聯系微弱，基本無統一的地下水面，地下水分水嶺與地形地貌分水嶺一致。

由于山區大氣降水充沛，植被茂密，為地下水的形成提供了良好的補給條件。基巖山區的大氣降水及冰雪消融水通常以風化裂隙、構造裂隙作為主要通道，滲透于基巖層間，形成基巖裂隙水，經短暫的徑流匯集以泉的形式排泄于溝谷中，匯成地表徑流，補給溝谷地下水。地下水受季節性控制明顯，雨季循環交替積極，泉水出露較多，水量較大，枯水期，泉水水量小，甚至干枯。

引漢濟渭秦嶺隧洞自開工建設以來，區內共出現過不同程度突涌水超過600處，其中涌水量大于1 000 m3/d的有128處，對施工生產帶來諸多不利影響。其中鉆爆段最大一次突涌水發生于2013年6月17日椒溪河主洞區K2+706.9處，涌水量達23 600 m3/d；TBM段最大一次突涌水發生于2016年2月28 日嶺南TBM主洞區K30+382.6處，涌水量達20 640 m3/d，該工區涌水量達46 000 m3/d。

2 堵排設計對襯砌外水壓力的影響分析

2.1 計算模型

襯砌外水壓力受灌漿層、二次襯砌等不同部分的滲透系數影響。以秦嶺輸水隧洞典型斷面為例，模型從內向外依次為襯砌層、灌漿層和巖層，上邊界為700 m全水頭，前后左右及下部均為不透水邊界，模型如圖1所示。襯砌厚度0.4 m，襯砌滲透系數為1.4×10-9m/s，其余參數隨分析工況而定。坐標原點和坐標的方向規定為：以(0，0，0)為坐標原點，沿隧洞軸向為X軸，垂直洞軸向為Y軸，豎直方向為Z軸，向上為正。將該區域進行有限元單元劃分，劃分為24 000個六面體單元，節點26 624個。

圖1 隧洞模型示意Fig.1 The tunnel model schematic diagram

2.2 洞段無灌漿層

在圍巖滲透性較低的隧洞環境中，不考慮灌漿層，研究襯砌透水性與外水壓力的作用關系。在數值模型中，圍巖滲透系數取1.0×10-8m/s，襯砌透水性分為3種工況：① 完全不透水；② 襯砌未設置排水孔，具有一定滲透性，滲透系數較低，數值計算取1.0×10-9m/s；③ 襯砌設置排水孔，滲透系數較大，數值計算取1.0 m/s。3種工況下的壓力水頭等值線分布如圖2所示。

圖2 不同襯砌透水性下壓力水頭等值線分布Fig.2 The contour of pressure water head of lining with different permeability

由圖2(a)可以看出：襯砌完全不透水時，外水壓力全部作用于二次襯砌上，壓力水頭等于700 m左右，即外水壓力約7.0 MPa，此時對于襯砌安全極為不利。由圖2(b)可見：在圍巖滲透性較低的隧洞環境中，當襯砌具有一定透水性而不加設排水孔時，襯砌壓力水頭為150 m左右，即外水壓力約1.5 MPa，較圖2(a)會有一定降低，但仍然承受較高的外水壓力，對襯砌安全性造成不利影響。圖2(c)中，加設排水孔時，作用于襯砌結構上的外水壓力值降低至0，即襯砌不承受外水壓力作用。

由此可見，對于較高外水壓力的環境條件，排水孔是復合襯砌設計中不可忽略的措施，采用完全封堵方式會使襯砌結構承受較大的外水壓力，容易導致后期運行期出現襯砌破壞。

2.3 洞段有灌漿層

在圍巖滲透性較高的隧洞環境下，考慮灌漿層，研究襯砌透水性與外水壓力的作用關系。在數值模型中，圍巖滲透系數取1.0×10-6m/s，襯砌透水性分為完全不透水、具有一定滲透性、設置排水孔3種工況。

2.3.1襯砌不透水

在數值模型中，圍巖滲透系數取1.0×10-6m/s，襯砌完全不透水，灌漿層厚度1.0 m，灌漿層滲透系數取1.0×10-8m/s，計算得到的壓力水頭等值線分布如圖3所示。

圖3 有灌漿層且襯砌不透水時壓力水頭等值線分布Fig.3 The contour of pressure head with grouting layer and impervious lining

由圖3可知，襯砌完全不透水、設置徑厚1 m的灌漿層時，外水壓力全部作用于二次襯砌上，此時所作用的外水壓力水頭等于700 m左右，折合外水壓力約7.0 MPa，即此時灌漿層并未起到降低襯砌外水壓力的作用，即有無灌漿層對襯砌外水壓力基本無影響。

2.3.2襯砌具有一定滲透性

襯砌本身具有一定的滲透性，但襯砌上未設置排水孔等排水措施，滲透系數較低，取1.0×10-9m/s，此種模擬工況對應為：復合襯砌設計中，采用圍巖灌漿措施，而未設置排水系統，分析此工況下灌漿層不同滲透系數、不同厚度對襯砌外水壓力的影響。

(1) 灌漿層滲透系數的影響。灌漿層厚度取5 m，當滲透系數分別取1.0×10-7，1.0×10-8m/s兩種不同情況下，襯砌外水壓力分布情況如圖4所示。

圖4 不同灌漿層滲透系數時壓力水頭等值線分布局部放大圖Fig.4 The contour distribution detail view of pressure head with different permeability coefficient of grouting layer

由圖4可知：襯砌具有一定透水能力，即灌漿層滲透系數為1.0 ×10-7m/s時，襯砌壓力水頭為500～510 m；當灌漿層滲透系數為1.0 ×10-8m/s時，襯砌外水壓力水頭顯著降低，減小至160～170 m。可以看出，灌漿層滲透系數越小，作用于襯砌上的外水壓力越小；由于未設置排水孔，襯砌僅具有自身一定的透水能力，因此襯砌上仍然受到一定的外水壓力作用。

(2)灌漿層厚度的影響。灌漿層滲透系數取1.0×10-8m/s，當灌漿層厚度分別取1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m，襯砌外水壓力等值線分布如圖5所示，引水隧洞單寬滲流量隨灌漿層厚度變化如圖6所示。

圖5 不同灌漿層厚度時壓力水頭等值線分布Fig.5 The contour distribution of pressure head with different thicknesses of grouting layer

由圖5可知，襯砌不設置排水孔時，襯砌自身滲透系數較低，圍巖灌漿情況下，隨著灌漿層厚度增加，襯砌外水壓力不斷減小，當灌漿層厚度為1.0 m時，襯砌外水壓力水頭為550 m；當灌漿層厚度增加至5.0 m時，襯砌外水壓力水頭減小為370 m。然而，即使灌漿層厚度增加至5.0 m，并不能很好地削減作用于襯砌上的外水壓力，襯砌依然承受較大外水壓力。

由圖6可知，隨著灌漿層厚度增加，隧洞單寬滲流量逐漸降低，但降低幅度有限，在灌漿層厚度為5.0 m時，仍保持一定的滲流流量。因此，工程中采用圍巖灌漿而襯砌中不設置排水孔時，隨著灌漿層厚度的變化，作用于襯砌上的外水壓力雖有變化但降低較少，即在較高的地下水頭作用環境下，僅單獨采用圍巖灌漿，而未設置襯砌排水孔時，襯砌外水壓力控制效果不明顯，襯砌安全性仍面臨較大威脅。

圖6 沒有排水孔時襯砌滲流量隨灌漿層厚度變化Fig.6 The seepage discharge of lining of no drainage hole with the thickness of grouting layer

2.3.3襯砌設置排水孔

襯砌上設置排水孔時，襯砌滲透系數增大，取1.0 m/s，灌漿層滲透系數取1.0×10-8m/s，此種模擬工況對應為：復合襯砌設計中，采用灌漿層措施的同時設置較好的排水系統，用于疏導灌漿層滲水量。當灌漿層厚度分別取1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m，襯砌外水壓力等值線分布如圖7所示，引水隧洞單寬滲流量隨灌漿層厚度變化如圖8所示。

由圖7可知，采用灌漿層的同時設置排水孔，作用于襯砌上的外水壓力均為0，實現了較好控制外水壓力的目的。與圖5對比可以看出，只有當具有排水功能后，灌漿層才能較好地發揮作用。

圖7 襯砌設置排水孔時不同灌漿層厚度壓力水頭等值線分布Fig.7 The contour distribution of pressure head with different thicknesses of grouting layer while setting drainage hole on lining

由圖8可知：隨著灌漿層厚度的增加，滲流量逐漸降低，即采用灌漿層和排水系統的設計，不僅可使作用于襯砌上的外水壓力為0，同時可有效降低地下水滲流量，進而達到保證襯砌安全、降低對山體地下水影響的目的。

圖8 設置排水孔時襯砌滲流量隨灌漿層厚度變化Fig.8 The seepage discharge of lining with the thickness of grouting layer while setting drainage hole

3 典型洞段外水壓力計算

3.1 灌漿排水方案

在秦嶺隧洞選取K15+345洞段進行外水壓力計算。該段圍巖為Ⅲ類大理巖，埋深約567 m，隧洞洞軸線處的地下水位高度395 m，監測到壓力水頭為4.6 m，Ⅲ類大理巖滲透系數為4×10-5cm/s。隧洞的堵排設計如圖9～11所示。襯砌結構設計外水壓力不大于5 m，排水孔為星形3 m×3 m布置，每延米排水孔數量為0.83個，每個排水孔的有效孔徑取塑料排水盲溝的內徑45 mm，根據工程經驗，排水孔內水的流速為0.5～1.0 m/s。

圖9 排水孔展示示意Fig.9 The schematic diagram of drainage holes

圖10 排水孔橫向布置示意Fig.10 The schematic diagram of transverse drainage holes

圖11 灌漿孔橫向布置示意Fig.11 The schematic diagram of transverse grouting holes

3.2 外水壓力計算

K15+345洞段沿洞軸線長度取3 m，建立三維滲流模型，如圖12所示。圖12(a)為垂直于洞軸線剖面的網格劃分圖，模型周邊選取洞軸線向外延伸200 m范圍。

圖12 三維滲流數值模型Fig.12 The three dimensional seepage numerical model

隧洞開挖前的初始滲流場如圖13所示，圍巖區的滲透性按均質等效滲透考慮，可以看出，初始滲流場接近于靜水壓力分布特征。

圖13 隧洞初始滲流場(單位：cm/s)Fig.13 The initial seepage field of tunnel

隧洞經開挖、襯砌、灌漿及排水孔施工后，隧洞滲流場如圖14所示。可以看出，在灌漿區內地下水壓力水頭還是比較高的，由于排水孔的作用，作用在二襯結構外表面的地下水壓力水頭基本接近于零，外水壓力較低，因此目前的堵排措施完全達到了設計要求。

圖14 隧洞采用堵排措施后的滲流場Fig.14 The seepage field of tunnel after water blocking and drainage

4 結 論

(1) 隨著襯砌結構透水性的增強，作用于二次襯砌上的外水壓力逐漸降低；當襯砌滲透系數是圍巖滲透系數的萬分之一時，外水壓力接近于初始圍巖水壓，灌漿對襯砌外水壓力基本沒有影響；當襯砌具有一定滲透性而未設置排水孔，灌漿層滲透系數越小，作用于襯砌上的外水壓力越小，隨著灌漿層厚度增加，襯砌外水壓力不斷減小，滲流量不斷降低，灌漿層厚度達到一定程度后，襯砌外水壓力值雖有變化但降幅明顯趨緩。因此無限制增加灌漿層厚度并不可取，僅單獨采用圍巖灌漿而未設置排水孔時，襯砌依然會承受較大外水壓力，安全性仍面臨較大威脅。

(2) 采用圍巖灌漿并設置排水孔，可使作用于二襯上的外水壓力大幅度減小，有效降低滲流量。因此，在較高地下水頭作用環境下，設置排水孔對于保障襯砌安全是十分必要的。

(3) 對秦嶺隧洞典型洞段采取的堵排水方案進行了外水壓力復核。復結果核表明，在排水孔作用下，二襯結構外表面的地下水壓力水頭基本接近于零，達到了設計要求。