富水環境下隧道地下水限量排放的襯砌外水壓力分析

張 進

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，我國西部山區一大批穿越高壓富水地區的交通隧道工程建成并投入到運營，而伴隨著的地下水問題也在隧道建設和運營過程中越來越突出，影響施工安全和運營結構安全性，甚至可能導致一系列的生態環境問題[1]。

針對富水區隧道工程的襯砌外水壓力作用問題，多年來眾多學者及工程人員利用理論研究、數值計算分析、模型試驗研究以及工程實踐等手段開展了一系列研究工作，取得了大量研究成果[2-4]。其中，在不斷的研究實踐中，“以堵為主，限量排放(堵水限排)”的防排水設計理念在礦山法隧道中被廣泛采用[5-6]。而在實際工程中，隧道堵水限排的標準與襯砌外水壓力的關系難以確定，運營期隧道排水管路的堵塞也導致隧道排水量的減小和襯砌外水壓力的增加。鑒于此，本文結合時速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細化數值計算模型，模擬防排水體系不同的排水能力，以研究復雜富水環境下隧道不同排水量與襯砌外水壓力作用的關系，從而為工程設計施工提供參考。

1 數值分析模型

1.1 數值模型

本文結合時速80 km/h雙車道公路隧道通用斷面形式，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維精細化數值計算模型，模擬半包-排水型隧道防排水體系，如圖1所示。考慮力學和滲流場的邊界效應影響，模型左右邊界至隧道中心長度取70 m，模型底邊界至隧道中心長度取60 m，模型上表面至隧道中心距離為實際水頭高度50 m，模型縱向長度考慮排水管的布置情況取為25 m，模型總體尺寸為(140 m)(X軸)×25m(Y軸)×110 m(Z軸)。模型力學邊界中上表面為自由面，四周及底面采用法相位移約束條件。滲流邊界條件中上表面為透水邊界(水頭為0)，底面設定為不透水邊界，四周設為水頭邊界，地下水位線在流固耦合過程中保持不變。

圖1 數值計算模型

模型中防排水系統設置如圖2所示，包含隧道導水墊層、防水板、縱向排水管、橫向排水管、環向排水管和中心排水溝，地下水通過環向、縱向、橫向排水盲管匯至中央排水溝進行排導。其中，環向排水盲管的縱向間距為8 m，導水墊層和防水板厚度取值為0.04 m，橫向、環向排水管和縱向排水管的管徑為0.08 m。進行隧道防排水模擬計算時，為保證隧道模型自由滲水，將襯砌內表面和排水管外表面水壓設為0。

圖2 模型中的防排水體系

模型中隧道圍巖、襯砌、注漿圈、防排水系統結構均采用實體單元模擬，并假定各結構均為均質、連續、各向同性的多孔介質，滿足FLAC3D軟件流固耦合計算模塊對于滲流場的相關準則和假定條件。圍巖體為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準則；初次襯砌和二次襯砌取為彈性本構模型；各結構的流體模型根據其透水性利用FLAC3D軟件中fl-iso各向同性模型與fl-null流體空單元模型進行模擬。圍巖及支護體系的力學參數取值如表1。通過工程類比[7-8]，流固耦合計算中注漿圈、防水板、排水管等結構物的滲透系數取值如表2所示。

表1 各土層及材料力學參數

表2 圍巖及結構物滲透系數取值

1.2 計算工況

計算模型中排水量的控制難以直接實現，因此基于“堵水限排”的理念，通過改變模型中排水管(材料)的滲透系數，以研究隧道不同控制排水量與襯砌背后水壓力作用的關系。實際工程中排水盲管由排水盲管管材、進水孔及過濾層組成，其滲透系數難以量化確定，現參考相關已有文獻[9]，取數值模型中排水管的滲透系數k0=2×10-1cm/s，并以該滲透系數為基準，對各工況下排水管的滲透系數進行折減，共設置6種計算工況(表3)。

表3 計算工況及設置排水管滲透系數

2 計算結果分析

2.1 堵水條件下滲流場分析

利用FLAC3D軟件得到模型模擬運營期隧道全堵防水時(設置排水管滲透系數為二次襯砌的滲透系數，等效于排水管完全堵塞)圍巖孔隙水壓力分布和襯砌外水壓力如圖3、圖4所示。由圖可知全堵防水條件下圍巖中水壓力分布沿豎向呈梯度變化，孔隙水壓力等值線為水平直線，呈靜水壓力場分布。襯砌背后孔隙水壓分布與隧道周圍巖體中的水壓分布相似，說明在全堵防水條件時，地下水穩定滲流后，作用在襯砌上的孔隙水壓近似為圍巖初始水壓狀態，且襯砌拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處(圖4)水壓力分別約為0.442 MPa、0.46 MPa、0.5 MPa、0.524 MPa、0.534 MPa。

圖3 堵水條件下圍巖水壓力

圖4 堵水條件下襯砌外水壓力(單位:MPa)

2.2 隧道排水量分析

以排水管處滲透系數kr=0.0001k0工況為例，根據排水系統水壓力分布云圖中不同位置的水壓力大小，得到地下水排水路徑如圖5所示。在水壓力(水力梯度)的作用下地下水沿環、縱、橫向水管匯集到中心排水溝以起到地下水排放的作用。

圖5 防排水系統地下水排水路徑

根據數值計算結果，提取模型中水量監測斷面的過水量，得到下中心溝的排水量如表4，排水量與排水管滲透系數的關系如圖6。各工況下中心溝的最大排水量為2.23 m3/(d·m)，最小排水量為0.057 m3/(d·m)，說明本文通過改變排水管滲透系數模擬隧道不同排水量的方法是合理的。由圖6可知，隨著排水管滲透系數的增大，隧道防排水體系的排水量逐漸增大。

2.3 排水量與襯砌外水壓力關系分析

為研究不同工況下襯砌外水壓力的作用規律，以模型中部的襯砌單元(y=12.88m)為對象，提取其外水壓力如圖7所示。針對同一種防排水形式，隧道排水量不影響襯砌外側水壓力的作用狀態；對于半包-排水型隧道結構，襯砌外水壓力呈“倒葫蘆形”分布。結合如圖5中所示的地下水排水路徑分析可知，受拱腳處縱向和橫向排水管的影響，地下水向拱腳匯集并由排水管排出，因此襯砌外水壓力在拱腰和拱底處水壓力較大，在拱腳處最小，形成了較為明顯的水壓力降曲線型勢。

表4 各工況下中心溝排水量

圖6 排水量與排水管滲透系數關系曲線

圖7 襯砌外側橫斷面水壓力分布(單位:MPa)

由圖7可知，“堵水限排”條件下隧道防排水體系的排水量越大，襯砌外水壓力越小。為了更好的對排水量與水壓力的關系進行討論，現考慮排水量對襯砌水壓力的折減作用，利用水壓力折減系數β(襯砌外水壓力P與堵水條件下水壓力值P0的比值)來表示。根據數值模擬結果，計算得到不同排水量下模型中部的襯砌單元拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處的水壓力作用系數，具體如表5所示。

結合圖5和表5可知，防排水體系(環、縱、橫向排水管及防水墊層)設置在拱腳以上部位，拱腳處排水管為地下水排出的通路，拱腰處存在一定的匯水，拱底的排水能力較小，因此防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出，對拱底排水效果較弱，同一排水量下襯砌拱底的水壓力作用折減系數最大。

表5 不同排水量時襯砌外側水壓力作用系數

同時，選取襯砌拱頂、拱腳和拱底處水壓力研究不同排水量對襯砌外側水壓力作用系數的影響，如圖8所示。可以看出，隨著隧道控制排水量的不斷增加，襯砌外側的水壓力作用系數不斷減小。當隧道排水量小于0.2 m3/(m·d)時，排水量的增減對襯砌水壓力作用系數的大小影響顯著；當隧道排水量大于0.2 m3/(m·d)時，增大排水量時襯砌外水壓力逐漸減小，但折減效果不明顯。

圖8 排水量對外水壓力作用系數的影響

此外，上文排水量與襯砌外水壓力的關系說明，隧道排水系統的通暢與否，對于控制襯砌結構外水壓力有著重要的作用。排水管一旦堵塞出現排水不暢問題時，襯砌外水壓力將顯著增大，影響運營期隧道襯砌結構的安全。因此，保障排水系統的施工質量以及運營期間的疏通維護至關重要。

3 結論

本文建立含有隧道防排水系統的三維精細化數值模型，研究了復雜富水環境下隧道不同排水量與襯砌背后水壓力作用的關系，得出如下結論：

(1)全堵防水條件下襯砌外水壓力分布近似為圍巖初始水壓狀態，襯砌承擔的外水壓力值較大。

(2)對于半包-排水型隧道結構，襯砌外側水壓力受拱腳處縱向和橫向排水管的影響，呈“倒葫蘆形”分布，拱底處水壓力最大，拱腳處最小。

(3)同一排水量下防排水體系對襯砌拱頂、拱肩處的水壓力折減更為突出，對拱底排水效果較弱。逐步增大隧道控制排水量，襯砌外水壓力作用系數不斷減小，且隧道控制排水量小于0.2 m3/(m·d)時，控制排水量的增減對襯砌水壓 力作用系數的大小影響顯著。

(4)隧道防排水體系具有將地下水排出的作用，隨排水管滲透系數增大，隧道排水量逐漸增大。隧道排水系統的通暢與否，對于控制襯砌結構外水壓力有著重要的作用。