富水區隧道排水網絡體系卸壓能力研究

李化云， 周偉， 尚明源， 張志強

(1.西華大學建筑與土木工程學院， 成都 610039; 2.核工業西南勘察設計研究院有限公司， 成都 610061; 3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031)

中國大部分鐵路和公路隧道要求不滲、不漏，且滿足一定防水性標準[1]；不過偏遠山區長大深隧道的地質結構相對復雜，地下水位高，在無有效排水情況下，其水力作用會對隧道產生水害，如隧道突水突泥、滲透水等，會引發一定安全問題。

顧偉等[2]依托實際隧道工程建立排水系統，提出了新的二次襯砌外水壓力的折減方法。楊武策等[3]對隧道中傳統防排水分區理論所存在的不足之處進行了分析,提出了隧道新型分區式防排水技術研究方法。彭琛等[4]通過仿真軟件建立隧道模型，提高了水力計算精度，得到了系統的動水壓力分布。包德勇[5]在研究過程中結合工程經驗而分析了富水隧道在裂隙密集帶突涌水的成因，且提出了應對方案。袁海清等[6]則針對性地提出“以堵為主，限量排放”防排水方案，且做了實證分析；張素磊等[7]提出在二次襯砌和防水板間加一層排水板，可以有效改善傳統防排水系統滲漏水的不足。侯本申[8]對比了不同環境下隧道的防排水體系，建立了針對淺埋隧道的噴涂防水方案，接著檢驗了這種方案的應用價值。金建偉[9]則具體分析了海底隧道結構防排水相關的要求，且在實例分析基礎上給出相關參考建議。李曉軍等[10]提出環向盲管間距越大，復合式襯砌滲透系數越小。采用修正后的初期支護滲透系數來表征復合式襯砌的滲透性。陳向紅等[11]應用了改良注漿材料對地層內滲流場狀態進行改善，發現這樣可降低地下水產生的影響。鄭波等[12]則具體討論了富水隧道水害防治相關要求，且綜合考慮到各方面因素，而建立了“嚴堵+暢排”的應對策略。鞏江峰等[13]則對不同階段滲漏水病害特征和要求進行分析，而提出了相關應對策略，如排水板可采取釘射、強化無砟道床仰拱防排水。

綜上所述，針對富水區隧道的防排水結構體系已經開展了眾多研究，并取得了系列成果，但很少有學者深入研究排水網絡體系對地下水的卸壓能力。基于此，現依托峨漢高速公路豹貍崗隧道工程實際，采用理論分析結合有限元方法討論水頭高度和環向盲管間距對隧道排水體系卸壓性能的影響規律，并確定出最佳環向盲管間距。

1 工況設置及物理力學參數

采用有限差分數值軟件Flac3D，對隧道傳統的環縱向盲管網絡的排水能力進行模擬分析研究。圖1為建立的模型，圖2為排水盲管設施示意圖，網格劃分采用六面體單元，單元個數為74 280，節點個數為79 527。表1和表2列出了圍巖、初期支護、二次襯砌結構的相關參數及滲透系數。豹貍崗隧道排水網絡中應用的盲管直徑為100 mm，具體分析盲管間距和水頭高度確定出工況如表3所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of model

圖2 排水盲管設施示意圖Fig.2 Schematic diagram of blind pipe facility

表1 物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameter

表2 滲透系數Table 2 Coefficient of permeability

表3 計算工況Table 3 Calculation condition

2 不同水頭高度對襯砌背后水壓力分析

為探明不同水頭高度對襯砌背后水壓力的影響，在保持環向盲管間距不變的情況下，對不同水頭高度下二次襯砌背后水壓力進行了模擬研究，揭示影響規律。以6 m盲管間距為例，討論了30、40、50、60 m 4種水位條件下盲管網絡體系的卸壓效果。二次襯砌外側水壓力分布特點如圖3～圖6所示。

圖3 30 m水頭二次襯砌外側孔隙水壓力分布特點Fig.3 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 30 meters secondary lining

圖4 40 m水頭二次襯砌外側孔隙水壓力分布特點Fig.4 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 40 meters secondary lining

通過分析不同水頭高度下二襯拱部背后孔隙水壓力分布云圖可得如下結論。

(1)環、縱向盲管可顯著降低二次襯砌拱部水壓力，環向盲管間距大小與孔隙水壓力大小呈正比關系；地下水位在30、40、50、60 m 4種情況下，對應的孔隙水壓力峰值都位于環向盲管中間的墻腳附近。

(2)仰拱區域未進行排水處理，因而仰拱部分的水壓力較高。同樣的4種水頭條件下，仰拱部分孔隙水壓力的峰值分別為277、349、429、500 kPa。

圖5 50 m水頭二次襯砌外側孔隙水壓力分布特點Fig.5 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 50 meters secondary lining

圖6 60 m水頭二次襯砌外側孔隙水壓力分布特點Fig.6 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 60 meters secondary lining

3 盲管合理間距的確定

為確定環向排水盲管最優間距，研究了不同水頭條件下二次襯砌拱部水壓力和各盲管間距的關系，圖7為二次襯砌拱部水壓力沿隧道方向的變化情況。

圖7 不同盲管間距下水壓力沿隧道縱向分布特征Fig.7 Distribution characteristics of water pressure along the longitudinal direction of the tunnel with a distance of different blind pipe

(1)

(2)

基于以上分析獲得不同工況下的平均水壓力和平均減壓系數，分別如表4和表5所示，并繪制出平均水壓力和平均減壓系數隨盲管間距的變化曲線如圖8和圖9所示。

表4 平均水壓力表Table 4 Average water pressure gauge table

表5 平均減壓系數表Table 5 Table of average pressure relief coefficient

由圖8和圖9可知，在各盲管間距、4種水位情況下，平均水壓力和平均減壓系數沿隧道方向變化關系如下

圖8 平均水壓力曲線Fig.8 Average water pressure curve

圖9 平均減壓系數曲線Fig.9 Average pressure relief coefficient curve

基于各環向盲管間距和卸壓效果的相關性討論，結果表明排水盲管間距為5 m時對二次襯砌拱部卸壓效果最好，但環向盲管對仰拱部分的削減作用不明顯。

4 結論

結合豹貍崗工程實際，對隧道排水網絡體系進行研究，分析了水頭高度、環向盲管間距和排水網絡卸壓性能的相關性，得出如下結論。

(1)環向盲管可顯著降低二襯上部背后的水壓，但對仰拱部分水壓力基本無影響。