水底隧道復合式襯砌水壓力影響因素分析

郭 瑞,周曉軍

水底隧道復合式襯砌水壓力影響因素分析

郭 瑞,周曉軍

(西南交通大學土木學院,成都 610031)

富水量較大的水底隧道,隧道防排水系統對于控制隧道涌水量和襯砌外水壓力十分重要。采用數值計算方法,研究固定水頭下水底隧道不同注漿參數、襯砌滲透系數及隧道控制排水量對襯砌水荷載的影響,并與軸對稱解析解結果進行對比驗證。研究結論:(1)滲透系數增加和注漿圈厚度減小都致使襯砌外水壓力的增加;(2)初襯滲透性的變化對初襯外水壓力的影響十分顯著;(3)數值解與解析解的結果相差不大,非圓形隧道截面可利用等效半徑求解襯砌外水壓力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步設計;(4)隧道注漿圈參數和初襯滲透系數一定時,增大控制排水量有利于減小二襯背后外水壓力。

水底隧道;注漿圈;水壓力;控制排水

水底隧道具有水頭相對穩定、水源充足,勘探的不確定性等特點,使得水底隧道修建過程中的滲流問題非常復雜。礦山法修建水底隧道時,當水底隧道穿越海岸線附近的富水砂層或圍巖破碎的海槽時,隧道的滲水量相對較大,若采用全封堵排水,襯砌將承受較大的外水壓力,如何有效地控制和疏導隧道施工過程中所遇到的承壓地下水,將隧道涌水量和襯砌外水壓力同時控制在一個合適的范圍內,對水底隧道施工具有重要指導意義。目前鐵路規范采用“防、排、截、堵結合,因地制宜,綜合治理”的原則[1],對于水下隧道修建是比較合理的,但對于隧道具體排水量和注漿參數等規定并不明確。

水壓力折減法、數值模擬和解析方法是研究隧道滲流問題的常用方法,近年來許多國內外學者在這方面做了大量研究,Bouvard和Pioto提出了滲流場理論; Harr采用鏡像法對隧道滲流場進行了計算,并對隧道圍巖孔隙水壓力分布進行了分析;張有天等率先在國內進行了巖石水力學研究[2-5]。王建宇,鄭波對襯砌水壓力荷載的簡化分析[6-8]做了大量研究。

礦山法修建水底隧道時,防排水系統通常由注漿圈、初期支護、防排水系統、二次襯砌、施工縫和變形縫組成[9]。隧道注漿可以充填巖體裂隙、封堵地下水,從而降低了巖體的滲透系數,增加滲透“能耗”,減少隧道襯砌壁后的滲水量;然后將剩余的滲漏水通過復合式襯砌的排水系統排出。

襯砌水壓力及隧道涌水量是影響水底隧道襯砌結構及排水系統設計的重要因素,基于水底隧道開挖的等效連續介質模型,分析注漿圈、初期支護對初襯背后水壓力的影響,以及隧道防排水系統對二襯背后水壓力的影響。

1 襯砌水壓力解析解

為分析水底隧道的滲流場,設隧道位于半無限含水層中,其四周水壓為均勻分布。根據地下水力學理論和無限含水層豎井理論[10],可推導出襯砌外水壓力平面問題的軸對稱解析解。隧道滲流場的理論計算模型如圖1所示[10]。

圖1 海底隧道的滲流模型

隧道襯砌的外水壓力為

式中,K1為襯砌滲透系數;K2為注漿圈滲透系數;K3為圍巖滲透系數;γW為孔隙流體容重;r0為襯砌內半徑;r1為襯砌外半徑;r2為注漿加固圈外半徑;P為作用在襯砌上的外水壓力;H為海平面與隧道的高差。

《水工隧洞設計規范》規定,作用在襯砌上的外水壓力可以由式(2)進行估算[11]

由上式可推得

代入式(1)可得解析解的水壓力折減系數表達式為

由上述公式可知:襯砌水壓力受圍巖地質條件,注漿圈參數、襯砌滲透系數及厚度、控制排水量和隧道斷面形式等多種條件的制約。

2 建模分析

2.1 計算模型及參數

某水底隧道位于水平面下60 m,隧道覆蓋層厚15 m。隧道橫斷面等價圓半徑(二襯內徑)為5.7 m,初襯厚度為0.3 m,二襯厚度為0.5 m。考慮邊界效應影響,計算模型(圖2)尺寸取120 m×70 m×10 m。模型共有12 360個單元、14 945個節點。物理模型為mohr-coulomb彈塑性模型,模型前后、左右及底部邊界為固定邊界,上表面為自由邊界;流體模型為等效連續介質模型,圍巖前后、左右及底部邊界為不透水邊界,上表面為透水邊界,開挖邊界為透水邊界、固定孔壓為0。

圖2 三維計算模型

隧道穿越斷層破碎帶,隧道涌水量較大。初期支護為噴錨支護和小導管注漿,在初期支護和二襯之間設置有縱向排水盲管、環向排水盲管、透水墊層及防水板組成的排水系統。圍巖及支護的物理力學參數見表1。

隧道采用全斷面帷幕注漿,開挖方式為全段面開挖。數值模擬時,先進行地應力及孔隙水壓力平衡,清除初始塑性區、位移和速度后施做隧道注漿,開挖毛洞;再進行噴混支護,錨桿根據其作用采用強度等效原則提高隧道圍巖的黏聚力和摩擦角代替;最后施做防排水系統和二襯。模型中初始地應力場只考慮自重應力場,初始孔隙水壓力為靜水壓力分布。

表1 模型物理參數

2.2 隧道注漿影響分析

為分析注漿圈參數對初襯外水壓力的影響,固定初襯滲透系數為2×10-6cm/s,分別取注漿圈厚度為1、2、3、4、5、6 m,圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數之比n為20、50、100,監測初襯及注漿圈拱腰處外水壓力,初襯及注漿圈外水壓力折減系數曲線分別見圖3、圖4(隧道不施做防排水系統及二襯)。

2.2.1 注漿對初襯外水壓力的影響

從圖3可知:注漿圈厚度一定時,注漿圈滲透系數降低,襯砌外水壓力呈明顯減小的趨勢。固定注漿圈厚度為3 m,當圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數之比n為20時,初砌外水壓力折減系數為0.341;n為50,初襯外水壓力折減系數為0.187;n為100,初襯外水壓力折減系數為0.106。

圖3 初襯外水壓力折減系數與注漿圈參數關系

注漿圈滲透系數一定時,初襯外水壓力隨著隧道注漿圈半徑的增加而遞減。圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數之比固定為100時,注漿圈厚度從1 m增加到4 m,初襯外水壓力折減系數從0.225降低到0.087;注漿圈厚度從4 m增加到6 m時,初襯外水壓力折減系數從0.087降低到0.066。由此可知:注漿圈厚度較小時,注漿厚度增加對初襯外水壓力折減系數的降低作用較為明顯;注漿圈厚度較大時,注漿厚度增加對初襯外水壓力折減的降低效果并不明顯。合理的調整注漿圈滲透系數和注漿圈厚度可以有效地控制隧道襯砌外水壓力。

隧道注漿可以有效地封堵地下水,控制隧道涌水量。取隧道注漿圈厚度為3 m、滲透系數為1×10-6cm/s。隧道不注漿時,毛洞涌水量為23.4 m3/(d· m);注漿后,隧道毛洞涌水量為0.841 m3/(d·m)。

2.2.2 注漿對注漿圈外水壓力的影響

從圖4可看出:注漿圈厚度一定時,注漿圈滲透系數降低,注漿圈外水壓力略有升高。取注漿圈厚度為3 m,當圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數之比n為20時,注漿圈外水壓力折減系數為0.885;n為50時,注漿圈外水壓力折減系數為0.939;n為100時,注漿圈外水壓力折減系數為0.966。

圖4 注漿圈外水壓力折減系數與注漿圈參數關系

注漿圈滲透系數一定時,注漿圈外水壓力隨著注漿圈厚度的增加而增加。圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數比n為20時,注漿圈厚度從1 m增加到4 m,注漿圈外水壓力折減系數從0.802上升到0.905;注漿圈厚度從4 m增加到6 m,注漿圈外水壓力折減系數從0.905上升到0.929。本次計算工況中注漿圈外水壓力一直較高,所有工況中注漿圈外水壓力折減系數最小為0.802。

2.3 初襯滲透性分析

數值模擬時,通過初襯滲透系數的變化表征初襯透水能力,研究初襯透水能力對初襯背后水壓力的影響(不施做防排水系統及二次襯砌)。取注漿圈厚度為3 m,圍巖與注漿圈滲透系數之比n分別為10、50,研究初襯滲透系數變化與初襯背后水壓力折減系數的關系,見圖5。

圖5 初襯水壓力折減系數與初襯滲透系數關系

從圖5可看出:注漿圈滲透系數一定時,初期支護外水壓力折減隨著初襯滲透系數的增大而減少。固定圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數n為50,當襯砌滲透系數為5×10-8cm/s時,襯砌外水壓力折減系數為0.816;襯砌滲透系數為5×10-6cm/s時,襯砌外水壓力折減系數0.043。

2.4 初襯外水壓力折減系數的解析解

對于復合式襯砌,利用周長等效[12]的方法將復合式襯砌斷面尺寸換算成圓形隧道斷面尺寸,換算公式如下

式中,r為等效半徑;l復合式襯砌周長。

將數值模型參數代入式(5)可得:初襯等效內半徑r0=6.2 m,初襯等效外半徑r1=6.5 m。再將數值解對應的注漿圈滲透系數、注漿半徑、初襯滲透系數和圍巖滲透系數代入式(4),可得注漿圈參數對襯砌外水壓力的影響曲線(圖6),以及襯砌滲透系數變化對襯砌外水壓力的影響曲線(圖7)(不考慮施做隧道排水系數及二襯)。

圖6 初襯外水壓力折減系數與注漿圈參數關系

圖7 初襯水壓力折減系數與初襯滲透系數關系

從圖6可看出:初襯外水壓力折減系數隨注漿厚度的增加而減小;隨著注漿圈滲透系數的增大而增大。與數值解的結果對比分析可知:襯砌外水壓力折減系數的解析解與數值解變化規律相同,且二者結果相差不大,當n為20、注漿圈厚度為6 m時,襯砌外水壓力折減系數的數值解與解析解的差距最大,二者之間相差2.8%。

從圖7可看出:初襯外水壓力折減系數隨初襯滲透系數的增加而減小;隨著注漿圈滲透系數的增大而增大。與數值解的結果對比分析發現:襯砌外水壓力折減系數的解析解與數值解變化規律相同,且二者結果相差不大,當n為50,襯砌滲透系數為0.33× 10-6cm/s時,數值解與解析解的差距最大,二者之間相差6.02%。

2.5 控制排水量對二襯外水壓力的影響

水底隧道復合式襯砌通常在初襯和二襯之間設置排水系統,隧道設計時考慮經濟性、排水設備能力和排水對生態環境及地下水資源的影響,通常都有一個設定的允許排水量,但國內外尚沒有一個固定的排水標

式中,Q為隧道控制排水量;Q1為二襯背后滲水量。在上述條件下,二襯背后涌水量的數值解為1.323 m3/(d·m),得到二襯背后水壓力折減系數和控制排水量百分比之間的關系曲線如圖8所示。準[13];同時考慮到水底隧道運營過程中,排水系統受到各種化學沉淀物的堵塞作用,排水系統暢通性不可避免受到影響。因此研究控制排水與二襯外水壓力之間的關系十分必要。

本次數值模擬中,隧道采用半包式防水,初襯和二襯之間設有排水盲管和透水墊層組成的排導系統。取二襯的滲透系數為1×10-8cm/s,注漿圈厚度為3 m、滲透系數為2×10-6cm/s,隧道的控制水頭為60 m。

為分析隧道控制排水量與二襯背后外水壓力的關系,定義隧道控制排水率百分比D為

圖8 控制排水量與二襯外水壓力折減系數關系

由圖8可看出:隧道控制排水量與二襯背后水壓力呈反比關系,水壓力隨著控制排水量的升高而降低。隧道控制排水量從4.2%升高到28.7%時,二襯背后外水壓力折減系數從0.877降低到0.3,在此區間內襯砌外水壓力折減系數與限排量之間基本呈線性變化,當控制排水量為全排條件流量的30%時,二襯外水壓力減小了約70%。當隧道控制排水量百分比從28.7%升高至69%時,水壓力折減系數從0.3降低到0.056。此時外水壓力已相對較小,下降速率變緩,可知隧道的控制排水量和排水系統的暢通對襯砌承受的水壓力影響較大。

3 結論

本文基于Flac3D流固耦合機理研究了注漿圈滲透系數、注漿圈厚度、襯砌滲透系數及控制排水對襯砌水荷載的影響并與軸對稱解析解對比分析,主要結論如下。

(1)注漿圈滲透系數對襯砌外水壓力和涌水量有明顯的影響,同時注漿可以有效地封堵地下水,控制隧道滲水量。水下隧道注漿時,應考慮施工技術和經濟性,適當提高注漿圈的抗滲性,以減小襯砌外水壓力和隧道涌水量。

(2)注漿厚度較小時,注漿圈半徑增加對初襯外水壓力折減系數的降低有較為明顯的作用;注漿厚度較大時,注漿圈半徑增加對襯砌水壓力降低效果并不明顯。一味地增加注漿厚度,以期完全封堵地下水進入隧道是不合理的。

(3)水底隧道注漿圈外通常承受較大的水壓力,注漿圈厚度和滲透系數的改變對其影響并不顯著。考慮海水的侵蝕作用和高水壓對注漿圈的影響,水底隧道施工時要保證注漿質量,才能有效封堵地下水,保證隧道結構和排水系統的穩定性。

(4)初襯滲透性的變化對初襯外水壓力的影響也十分顯著。注漿圈滲透系數一定時,初期支護外水壓力折減系數隨初襯滲透系數的增大而減少;初襯滲透系數取值合適時,可將初襯外水壓力折減系數減小到設計可以忽略的值。初襯主要作用是加固和支護圍巖,但其初期支護在隧道防排水系統中起著重要作用,設計時應考慮注漿和初襯在封堵地下水和控制襯砌水壓力的聯合作用,對于初襯背后涌水量較大的部位應設置排水孔等排水措施。

(5)本次數值模擬中數值解與軸對稱解析解結果相差不大,二者最大差值為6%,兩種方法相互驗證,證明了本次計算的合理性。對于具有一定水頭[13],隧道截面為非圓形的水底隧道,利用等效半徑的方法求襯砌外水壓力和隧道涌水量的解析解,并將其用于隧道防排水的初步設計是可行的。

(6)二襯外水壓力隨控制排水量的升高而降低,控制排水量越小則變化越明顯,隧道排水能力明顯不足時,二襯背后將承受較大的水荷載,對隧道結構安全產生不利影響。水底隧道一般通過注漿和初襯控制地下水排放,同時設置具有足夠排水能力的排水系統將隧道滲水排出。水底隧道復合式襯砌防排水設計時,要重視控制排水對二襯外水壓力的影響,同時綜合考慮注漿、初襯及排水系統之間的聯合作用,將襯砌外水壓力和隧道排水量控制在合理的范圍。

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Analysis on the Factors affecting Water Pressure upon Composite Lining of Underwater Tunnel

GUO Rui,ZHOU Xiao-jun
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

underwater tunnel;grouting circle;water pressure;controlled drainage

TV672+.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.018

1004-2954(2014)04-0078-05

2013-07-28

郭瑞(1989—)男,碩士研究生,E-mail:361398286@qq.com。

Abstract:As to water-rich underwater tunnel,the tunnel waterproofing and drainage system is very important for controlling the tunnel's water inflow and the lining's external water pressure.Therefore,this paper,considering the underwater tunnel with constant water head,by using numerical calculation method,researched the influence on the lining's external water pressure caused by different grouting parameters,different lining permeability coefficients and different controlled water discharge;and then conducted relevant verification in comparison with the result of axisymmetrical analytic solution.The research come to the conclusions:(a)Either increasing the permeability coefficient or reducing the grouting circle's thickness,will all result in an increasing of the external water pressure upon the lining. (b)The change of permeability of initial lining has significant influence on the initial lining's external water pressure.(c)There is little difference between the two results of numerical calculation and analytic solution,so the lining's external water pressure result and the tunnel's water inflow result,both obtained from analytic solution by using equivalent radius technique,can be used for the tunnel with non-circular cross-section as well as can be used for the preliminary design of tunnel waterproofing and drainage.(d) When the grouting parameters and the permeability coefficient of initial lining are constant,increasing the controlled water discharge is beneficial to reducing the external water pressure behind the secondary lining.