地下水不同控制排放方案對隧道結(jié)構(gòu)與環(huán)境的影響分析

張 鐸，張 瑩

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450000;2.中原工學(xué)院，鄭州 450000)

地下水控制排放是對隧道運營中的排水量進(jìn)行控制，適量地排出地下水。它是施工的止、排水和結(jié)構(gòu)物防、排水的有效結(jié)合。施工中，通過注漿使原圍巖減小滲透系數(shù);同時，施作排水系統(tǒng)，達(dá)到適量排放地下水的目的，從而降低作用在襯砌上的水壓力，減少對地下水環(huán)境的惡化，保持地下水的水位平衡［1-4]。

本文依托某在建鐵路隧道。該隧道部分段位于中等富水區(qū)。該段施工中，涌水量較大。通過研究地下水不同控排方案對隧址區(qū)水環(huán)境的變化影響，進(jìn)而得出適宜的隧道防、排水方案，對隧道工程的施工、運營以及當(dāng)?shù)厮h(huán)境的保護(hù)具有實用價值。

1 分析目標(biāo)及方案擬定

為研究地下水不同控排方案對隧道結(jié)構(gòu)與環(huán)境的影響，取3種處理地下水的方式(全堵法、全排法、控制排放法)進(jìn)行模擬分析比較，得出對隧道運營中襯砌受力合理、變形較小、結(jié)構(gòu)安全的控排方案。其中模擬的控排方案為控排30%、控排50%與控排80%3種控排工況。即待注漿后，涌水通過注漿圈后的排水速率分別為全排水工況最大涌水量的30%、50%和80%，流程損失分別為70%、50%、20%。

2 模型建立

本文采用Midas/gts軟件對中等富水區(qū)某一斷面進(jìn)行5種工況的模擬分析［5]。該斷面地質(zhì)鉆孔如圖1所示。

選取段洞身主要穿越侏羅系砂巖夾泥巖、礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，Ⅳ級軟巖，風(fēng)化厚度20～30 m。地下水位埋深大于100 m，為基巖裂隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給。

圖1 選取段地質(zhì)剖面

該工程為雙洞單線鐵路隧道，雙洞間距35 m。模擬分析中，將隧道馬蹄形斷面等效為圓形斷面，開挖半徑為4 m，初噴C25混凝土厚度10 cm，二襯為35 cm厚C30模筑混凝土，注漿圈為3 m;所建模型在埋深方向上，取60 m砂巖夾泥巖與60 m砂巖夾礫巖，其上黏質(zhì)黃土地層換算成梯形荷載的形式施加;計算域為235 m×120 m×12 m(12 m為臺車施作二襯進(jìn)尺長度);模型兩側(cè)通過水文地質(zhì)報告所述，總水頭為108 m，即地下水位初始高度，且存在穩(wěn)定的補(bǔ)給水量對該模型區(qū)域進(jìn)行地下水補(bǔ)給;同時，在圍巖與襯砌接觸面上設(shè)立不同排水邊界，達(dá)到堵水、排水和控排的效果。數(shù)值計算采用莫爾 -庫侖理論模型［6～9]。具體模型如圖2所示。

圖2 MIDAS-GTS模型網(wǎng)格局部

3 注漿圈滲透系數(shù)的選取

注漿可改變注漿區(qū)域圍巖的滲透系數(shù)，控制涌水通過注漿區(qū)域速率，從而達(dá)到控制排放或全堵的目的。通過注漿，圍巖的透水系數(shù)最佳可達(dá)到原圍巖滲透系數(shù)的0.1%～0.5%。在實際山嶺隧道中，注漿后透水系數(shù)變?yōu)樵瓏鷰r的0.1%～0.5%，這樣的情況投入大，且影響工期，一般不予采納。本文在選取全堵方案的滲透系數(shù)比值時，選取注漿后，透水系數(shù)變?yōu)樵瓏鷰r滲透系數(shù)的1%作為合理的模擬參數(shù)。圍巖的滲透系數(shù)為 0.08 m/d，則全堵模型注漿圈滲透系數(shù)為0.000 8 m/d。

控制排放方案中滲透系數(shù)比值的選取極為關(guān)鍵，關(guān)系到控排方案的實施效果。

根據(jù)達(dá)西定律可得每延米隧道的涌水量為［11]

隧道襯砌背后水壓力為

當(dāng)P=0時，隧道最大排水量為

式中，Q為每延米隧道排水量;h0為襯砌內(nèi)表面水頭;h1為襯砌背后水頭;hr為圍巖表面水頭;k1為襯砌滲透系數(shù);kg為注漿圈滲透系數(shù);kr為圍巖滲透系數(shù);r0為襯砌內(nèi)半徑;r1為襯砌外半徑;rg為注漿圈半徑;r2為圍巖遠(yuǎn)場半徑;γω為水的容重;P為襯砌背后水壓力。

根據(jù)以上公式，以及模擬全排方案得出的最大涌水量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，推算出各控排方案圍巖的滲透系數(shù)，如表1所示(全排方案不注漿，滲透系數(shù)仍為原圍巖滲透系數(shù))。

表1 不同工況注漿圈滲流計算參數(shù)

4 結(jié)果分析與推薦方案

通過對5種工況的模擬分析結(jié)果來看，兼顧結(jié)構(gòu)安全和環(huán)保2方面，首先將排水量較大，地下水位線下降較多，對水環(huán)境危害較大的全排和控排80%工況排除，重點就其他3種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全上的比較。5種工況地下水水位下降高度比較見圖3，3種方案排水穩(wěn)定后二襯各節(jié)點孔隙壓力數(shù)值比較見圖4。

圖3 5種工況地下水水位下降高度比較

表2 3種工況模型結(jié)果二襯受力對比 MPa

表3 3種工況二襯結(jié)構(gòu)變形值 mm

在隧道運營階段，應(yīng)力釋放已結(jié)束，二襯上的孔隙水壓，作為一項重要的結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)，本文主要從這一指標(biāo)來研究隧道結(jié)構(gòu)的受力分析。從表2、3和圖4可得，全堵方案二襯上受孔隙壓力的數(shù)值和變形量上都較控排30%和50%兩種方案大。全堵方案施加在二襯上的孔隙壓力最大，對長期運營不利，該方案予以否定。同時，這3種模型在拱頂和仰拱處孔隙壓較大，會造成拱頂下沉和仰拱隆起等現(xiàn)象，應(yīng)在實際工程中引起重視，做好這2處的支護(hù)。

余下2種控排方案的比選主要從環(huán)保上進(jìn)行比較?？嘏?0%方案，水位下降約8 m，而控排50%水位線下降約30 m。因此，在實際選擇中，選擇二者折中的方案，控排40%為較佳方案。

本文模擬出控排40%方案，排水穩(wěn)定后二襯上的孔隙壓力為0.35 MPa，比全堵方案孔隙壓力小了50%，同時，水位下降20 m，排水量只為全排方案的三分之一。綜合考慮，控排40%方案較合理、有效;既兼顧了長期運營的安全，又對環(huán)境影響較小。所以，推薦控排40%方案在實際工程中參考、借鑒。

另外，本文還就所模擬工況數(shù)據(jù)整理出不同工況襯砌外水壓力折減系數(shù)，如圖5所示。最后，根據(jù)不同工況的模型結(jié)果，整理出排水量與注漿圈滲透系數(shù)之間的關(guān)系圖(圖6)，僅供實際工程中，已知排水量優(yōu)化注漿圈滲透系數(shù)、輔助注漿參考使用。

圖5 不同工況襯砌外水壓力折減系數(shù)

5 推薦工況實施可行性

控排40%方案通過計算，注漿圈滲透系數(shù)為0.001 7 m/d，是原圍巖滲透系數(shù)的2%。在實際同類工程中，可參考此滲透系數(shù)注漿，以達(dá)到控制排放的目的。同時，待注漿后，可比較無注漿情況，得出流程損失，以此來驗證控排方案的實施效果。

圖6 排水量與注漿圈滲透系數(shù)之間的關(guān)系

為達(dá)到控制排放，除要施作注漿圈減少流向襯砌背后的總滲流量外，還需在襯砌背后建立抗?jié)B水壓二次襯砌和排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成復(fù)合防、排水結(jié)構(gòu)，將剩余的水量排出，減小外水壓力，達(dá)到控制排放［12]，如圖7所示。

圖7 控制排放與注漿系統(tǒng)

6 結(jié)語

通過對5種工況的模擬，結(jié)論如下。

(1)全排和控排80%方案，排水量大，超出地下水補(bǔ)給范圍，水位線下降較多，對水環(huán)境危害嚴(yán)重，2種方案均不可取。

(2)全堵方案待注漿圈施作后，模型的地下水環(huán)境保持良好，沒有破壞。但因地下水擁積，在襯砌與注漿圈上孔隙壓力較大，結(jié)構(gòu)安全受到威脅，不利長期運營，也不提倡。

(3)隨著注漿圈滲透系數(shù)的增加，涌水量明顯降低，能起到限量排放的作用，也可減小襯砌背后的水壓力。在隧道允許的排水量范圍內(nèi)，增大排水量和減小襯砌水壓力兩者之間，存在一個較合理的排水量。

(4)比較各控排方案，綜合結(jié)構(gòu)受力、長期運營與環(huán)保等因素，推薦控排40%方案在實際工程中參考、借鑒。

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