深埋隧洞透水襯砌滲控研究

葛金花，任旭華，張海波，張繼勛，溫毓繁

（1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.青島市市政工程管理處，山東 青島 266022）

0 引 言

深埋隧洞面臨高外水壓力，水荷載是最主要的荷載之一[1]。在地下水滲流作用下，隧洞襯砌承受的水壓力有外水壓力和內水壓力。外水壓力是指在襯砌外圍的地下水作用在襯砌邊緣的壓力，而內水壓力是指作用襯砌內的水壓力。目前，計算外水壓力的方法可以歸納為外水壓力折減系數法、解析數值模擬法[2]和滲流場分析方法。外水壓力折減系數法局限性大，適用于水文地質條件一般的隧洞，而對于更多的水文地質條件復雜的隧洞則不能直接根據表格取值計算。對無壓隧洞，需考慮在隧洞上設置排水孔來減小地下水壓力。解析數值模擬法沒有考慮隧洞的排水設置情況以及襯砌滲透性對滲流場的反作用，計算得到的外水壓力和實際滲流場影響下隧洞的外水壓力是不一樣的。滲流場分析方法對圍巖和襯砌中的滲流場及應力場進行耦合分析，較符合工程實際。

對外水壓力的處理方法一般是 “以排為主”和“以堵為主，堵排結合”的方式。 “以堵為主，堵排結合”在工程上一般采用超前預注漿[3]的方式。理想情況下，注漿后加固圈與襯砌緊密結合，并且是完全不透水的，加固圈承受所有的外水壓力。但在實際工程中，注漿加固圈與襯砌不可能緊密結合，水流會從圍巖中滲出，進入圍巖和襯砌之間的空間，滲出的水就會對襯砌結構產生水壓力。隨著時間的推移，進入存水空間的水量會不斷增加，水壓力也會不斷增大。因此，必須采取措施來消減注漿加固圈和襯砌之間的水量。本文采取的措施是圍巖灌漿之后在隧洞襯砌面上鉆孔排水。

1 襯砌受力分析

1.1 模型與參數

用ANSYS建立局部隧洞三維模型，模型尺寸為100 m×100 m×120 m。其中，120 m為沿洞長方向長度，隧洞襯砌后直徑為10 m，襯砌厚0.8 m，灌漿圈厚10 m。計算參數均按照某工程具體實例取值。襯砌的滲透系數為1×10-7m/s，圍巖滲透系數為6×10-4m/s。在隧洞周圍襯砌上布置鉆孔，間距為2.5 m，鉆孔貫穿襯砌并深入圍巖10 cm。透水襯砌三維模型見圖1。

圖1 透水襯砌三維模型

（1）有限元網格剖分:總單元共115200個，節點共123904個。為便于準確模擬隧洞周邊及襯砌部位的實體，采用加密網格的處理方法，其中襯砌部分總單元共15360個，節點數共23232個。較大的計算規模可以有效保證結構分析模型的計算精度。

（2）邊界條件:計算模型的底邊界取為隔水邊界，頂部邊界取為定水頭100 m，左、右邊界按水力梯度施加。前后垂直于洞長方向的邊界均取為隔水邊界。隧洞襯砌內壁當作透水邊界來處理。

1.2 設計計算

首先按襯砌連續無鉆孔密實狀態計算。灌漿圈滲透系數分別取為2.5×10-6m/s（方案1）和2.5×10-7m/s（方案2）。圖2為方案1和方案2襯砌的等壓力水頭線，可得襯砌外緣最大滲透壓力分別為1.297 MPa和0.532 MPa。深埋隧洞水壓力由襯砌和注漿加固圈共同承擔，襯砌和注漿加固圈最大裂縫寬度計算Wmax公式為

式中，α1為考慮構件受力特征的系數；α2為考慮鋼筋表面形狀系數；α3為考慮荷載長期作用影響系數；d為受拉鋼筋直徑；c為最外排縱向受拉鋼筋邊緣至受拉區底邊的距離；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率；σsl為按荷載效應的長期組合計算的構件縱向受拉鋼筋應力。

圖2 襯砌等壓力水頭線 （單位:kPa）

DL/T 5195—2004《水工隧洞設計規范》要求Wmax≤0.20mm，方案 1和方案 2計算出的分別為0.34 mm和0.21 mm。要滿足規范要求，需要的配筋量很大，而在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中很難進行配筋施工[4]。為此，對原襯砌結構進行了改進。

在隧洞周圍襯砌上布置鉆孔，間距2.5 m，鉆孔貫穿襯砌并深入圍巖10 cm。灌漿圈滲透系數分別取為 2.5×10-9m/s （方案 3）、2.5×10-10m/s （方案 4）。圖3為4個方案計算所得整體模型的斷面等壓力水頭線分布。

圖3 整體斷面等壓力水頭線 （單位:kPa）

根據灌漿圈和襯砌斷面等壓力水頭線，選取相同節點分別計算在4個方案下的滲透梯度并進行比較。計算結果見表1。

2 計算結果分析

（1）方案1和方案2都為不透水襯砌，方案2灌漿圈滲透系數比方案1小一個數量級，灌漿圈的滲透梯度大約是方案1的3倍，襯砌外緣最大水壓力由1.297 MPa減小到0.532 MPa，效果顯著，說明不透水情況下灌漿圈滲透系數越小，滲入灌漿圈和襯砌結合面的水越少，襯砌外緣外水壓力越小，襯砌滲透梯度也大大減小。

表1 不同方案計算結果

（2）方案3和方案4都為透水襯砌，方案4灌漿圈滲透系數比方案3小一個數量級，灌漿圈的滲透梯度沒有改變多少，這說明灌漿圈的滲透系數減小到一定程度之后對灌漿圈滲透性影響不大。襯砌外緣最大水壓力大幅減小，由0.016MPa減小到0.010MPa。

（3）不透水襯砌和透水襯砌方案下，灌漿圈滲透梯度由34.878增大到164.091，增大了371%，這是由于灌漿圈的滲透系數由2.5×10-6m/s下降為2.5×10-10m/s，襯砌外緣最大水壓力由1.297MPa減小到0.010 MPa，下降了99.23%，襯砌滲透梯度由1368.914減小到9.880，下降了99.28%，因此，在保證灌漿圈的滲透系數足夠小的情況下，透水襯砌具有很大的優越性。

3 結 論

根據三維數值計算結果，從外水壓力的大小、灌漿圈滲透梯度、襯砌結構受力3個方面論證了透水襯砌能很好地防治高外水壓力，也能大幅度減小外水壓力，并且節省鋼筋，便于施工，為在類似地區修建地下工程提供參考。

［1］DL/T5195—2004 水工隧洞設計規范[S].

［2］王建秀，楊立中，何靜.深埋隧道外水壓力計算的解析—數值方法[J].水文地質工程地質，2002（3）:17-19.

［3］張繼勛，任旭華，姜弘道，等，高外水壓力下隧道工程的滲控措施研究[J].水文地質工程地質，2006（6）: 62-65.

［4］蔡曉鴻，賀昔元.斷裂力學在水工高壓隧洞限裂設計中的應用探討[J].江西水利科技，2000，26（3）: 159-166.

［5］張巍，鄭晶星，黃立才，等.惠州抽水蓄能電站A廠上游水道設計綜述[J].水力發電，2010，36（9）:33-36.

［6］梁成平，黃立財，盧兆康.廣蓄二期工程高壓隧洞設計[J].水力發電，2001（11）: 34-36.