水工隧洞的外水壓力計算和控制

楊賜金,崔 忠,崔 煒，劉立鵬，張 蕾

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 102101；3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

水工隧洞(隧道)是一種廣泛應(yīng)用于市政、能源和水利工程等許多國民經(jīng)濟領(lǐng)域的地下結(jié)構(gòu)物。確定或控制襯砌結(jié)構(gòu)所承載的外水壓力、滲水量是隧洞設(shè)計的重點基礎(chǔ)工作之一。新疆某大型輸水工程線路全長392.3km，以隧洞工程為主，最長單洞達283.41km，合理確定隧洞的外水壓力及滲流量是本工程設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在綜合國內(nèi)外對隧洞外水壓力研究進展的基礎(chǔ)上，通過理論分析，提出便于工程界推廣使用的隧洞外水壓力、滲流等計算和控制研究成果。

1 研究綜述

國內(nèi)外工程界對地下洞室外水壓力問題研究較早，如我國《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》歷次版本對外水壓力問題均作出了相應(yīng)規(guī)定；中國水利水電科學(xué)研究院張有天也提出了優(yōu)化的折減系數(shù)法；北京交通大學(xué)張秀英、王夢恕等提出了水工隧洞的豎井計算模型；日本工程界也提出了相關(guān)研究成果。現(xiàn)簡要分述如下。

1.1 規(guī)范中折減系數(shù)法

SL 279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定[1]：

C.0.1作用在混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力，可按下式估算：

Pe=βeγwHe

式中，Pe—作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，kN/m2；βe—外水壓力折減系數(shù)，可按外水壓力折減系數(shù)表確定；γw—水的重度9.81kN/m3；He—地下水位線至隧洞中心的作用水頭，m。

C.0.2混凝土襯砌隧洞，可根據(jù)圍巖地下水活動情況，結(jié)合采用的排水措施，外水壓力折減系數(shù)可按表C.0.2選用。對于設(shè)有排水設(shè)施的水工隧洞，可根據(jù)排水效果和排水設(shè)施的可靠性，對作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力進行折減，折減值可通過工程類比或滲流計算分析確定。對于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜及外水壓力較大的隧洞，應(yīng)進行專門研究(限于篇幅，表C.0.2略)。

從規(guī)范表述來看，規(guī)范中外水壓力折減系數(shù)值針對的是水工隧洞不設(shè)置排水孔，帶裂縫工作的情況；對設(shè)置排水孔或者帶裂縫工作時，應(yīng)另行考慮折減；另外，從工程實踐上看，對大埋深水工隧洞，常常因計算外水壓力過大而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟并與實際需要不相符的問題。

1.2 改進的折減系數(shù)法

因外水壓力計算中的地下水位線并不總是一個水平面，而是一個與地形相關(guān)的初始滲流場，該項影響并未直接反映到規(guī)范公式中；另外，規(guī)范公式是按照隧洞襯砌滲透性與圍巖的滲透性關(guān)系取得的經(jīng)驗公式，而很多隧洞均設(shè)置了獨立的排水系統(tǒng)，該項措施的影響也應(yīng)反映到公式中。為充分考慮上述因素，中國水利水電科學(xué)研究院張有天提出了以下改進的折減系數(shù)公式[2]：

Pe=β1β2β3γwHe

式中，β1—初始滲流場(隧洞開挖前)隧洞軸線處外水壓力修正系數(shù)(與地形有關(guān))；β2—襯砌后外水壓力修正系數(shù)，可按外水壓力折減系數(shù)確定；β3—設(shè)排水設(shè)施的外水壓力修正系數(shù)。

1.3 滲流理論分析方法

由于1.1規(guī)范中給定的折減系數(shù)過于寬泛，而1.2方法中雖然在物理意義上相對1.1規(guī)范法更為完善，但其系數(shù)β3仍有賴于滲流場分析，同時β1和β2仍存在1.1中系數(shù)難以準(zhǔn)確確定的問題。

為解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者又提出了理論解析計算方法和數(shù)值解析計算方法，但這兩種方法均存在數(shù)學(xué)建模時間長、邊界條件影響大而難以在工程界推廣的弊端。為此，國內(nèi)外學(xué)者又進一步提出了以滲流理論為基礎(chǔ)，將包括圍巖和襯砌在內(nèi)的地下水滲流場進行簡化的計算模型，并提出了理論計算公式。國內(nèi)在工程實踐中引用的公式主要有兩種，分別如下。

(1)水工隧洞豎井計算模型[3]

北京交通大學(xué)王秀英、王夢恕等以均質(zhì)圍巖、豎井滲水計算為模型，經(jīng)推導(dǎo)得出以下公式：

(1)

(2)

式中，Qh—隧洞中的排水量；P—作用到襯砌上的外水壓力；H—作用到隧洞圓心點的靜水頭；γ、h1—水的容重、作用在襯砌外表面的水頭；r0、r1、rg、r2—隧洞襯砌內(nèi)半徑、隧洞襯砌外半徑、灌漿圈半徑和水頭圈半徑；k1、kg、kr—隧洞襯砌、灌漿圈和圍巖的滲透系數(shù)。

(2)日本的滲流計算法

遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院陳永彰在大伙房工程中引用了日本學(xué)者的相關(guān)研究成果[4]，其計算公式與北京交通大學(xué)的公式相似，但略有區(qū)別，公式如下：

(3)

(4)

2 研究方法

2.1 計算模型

由于折減系數(shù)法受設(shè)計者的經(jīng)驗影響較大一般僅適用于水文地質(zhì)條件簡單及外水壓力較小的隧洞，采用有限元模擬方法則受到裂隙分布、走向等不確定因素影響計算周期長精度依然不高，仍難以有效用于工程實踐。1.3節(jié)中兩種滲流理論計算方法對隧洞的滲流計算進行了適當(dāng)簡化，僅需要知道分層厚度、滲透系數(shù)、總水頭即可用于指導(dǎo)實踐，計算方法較為接近但又有所區(qū)別，在實際應(yīng)用中仍感難以取舍。為此，筆者以達西定律為基礎(chǔ)對水工隧洞的滲流模型進行了推演分析。

水工隧洞的基本模型為橫置的圓筒，如圖1所示。當(dāng)隧洞尺寸與上覆巖體厚度相比較小時(低一個數(shù)量級以上)，可在滲流計算中忽略隧洞洞徑的影響，認(rèn)為作用于隧洞周邊的水頭相等，且該計算層巖體均質(zhì)，滲流各向同性(按滲透系數(shù)等效)。

圖1 計算模型簡圖

2.2 公式推導(dǎo)

假定水工隧洞圍巖為均質(zhì)，根據(jù)襯砌、灌漿及原狀圍巖情況共分為三圈(推廣到n圈與之同理)，則必有：

(5)

將上式略做變化可得下式：

(6)

式中，hc、hg、hr—作用在隧洞襯砌、灌漿圈和原狀圍巖的水頭差；kc、kg、kr—隧洞襯砌、灌漿圈和原狀圍巖的滲透系數(shù)；rc、rg、rr—隧洞襯砌、灌漿圈和原狀圍巖外緣的特征半徑；

因hc+hg+hr=h(總水頭差)，由式(6)又可推得：

(7)

至此，已可由隧洞的總水頭情況、分層厚度及滲透系數(shù)直接求得隧洞內(nèi)的滲流量。

由式(5)和式(7)可直接推得作用到襯砌上的水頭差，又因為隧洞為無壓隧洞，此時hc即等于作用于襯砌外表面的外水壓力，推演后的公式如下：

(8)

本式除以水頭表示(未計容重)外，已經(jīng)與北京交通大學(xué)推導(dǎo)的公式完全一致(推導(dǎo)不出日本公式)。

若考慮圍巖頂部尚有明水作用水頭H，此時計算模型不變，有hc+hg+hr=h+H(總水頭差)，計算公式只需將式3和式4中h替換為h+H即可，其余不變。

3 實證分析

3.1 穿河段計算實例

選取隧洞穿烏倫古河典型斷面(內(nèi)徑3.05m，襯砌+支護0.70m)計算作用在襯砌上的外水壓力，為簡化計算，將進行壓水實驗鉆孔段由下而上按灌漿圈、巖層1、巖層2分為3層，地下水位埋深以下未做壓水實驗鉆孔段統(tǒng)一作為巖層3計算。計算分為3種情況：①襯砌外無灌漿、不設(shè)置排水孔；②襯砌外設(shè)置灌漿圈，不設(shè)置排水孔；③襯砌外設(shè)置灌漿圈、襯砌設(shè)置排水孔。計算成果見表1。

表1 穿河段典型斷面襯砌外水壓力計算成果表

經(jīng)計算可知，在襯砌上設(shè)置排水孔可以顯著降低作用在隧洞襯砌上的外水壓力；另外，當(dāng)灌漿前后巖層透水率差異不大時，灌漿對降低外水壓力的作用不顯著。

3.2 大埋深段計算實例

某標(biāo)段隧洞地下水位較高，以ZK22做典型外水壓力計算，該斷面隧洞位于地下水位以下687m，實測洞頂以上30m范圍內(nèi)最大透水率為0.76Lu，30～50m范圍最大透水率為3Lu，假定洞頂50～100m最大透水率為20Lu，100m以上最大透水率為30Lu；斷面襯砌內(nèi)徑為2.87m，開挖洞徑為3.5m，作用在襯砌上的外水壓力計算成果見表2。

表2 大埋深典型斷面襯砌外水壓力計算成果表

從計算結(jié)果可以看出，在不設(shè)置排水孔情況下，計算襯砌外水壓力約為最大靜水頭的0.45；設(shè)置排水孔以后，作用在襯砌上的外水壓力大幅降低至不足最大靜水頭的0.02，顯著低于規(guī)范折減系數(shù)常用取值。

4 結(jié)語

本工程最大埋深794m，平均埋深428m，按照規(guī)范折減方法進行外水壓力計算很不經(jīng)濟，項目設(shè)計過程中通過對滲流理論分析，最終選擇采用橫置圓筒理論公式。本工程地勘成果較為豐富和詳實，有較為完備的勘探孔壓水試驗成果，為各洞段的外水壓力計算提供了不同巖層的分布高程以及滲透系數(shù)；結(jié)合遼寧省大伙房工程、陜西省引漢濟渭工程、四川省園梁山隧道等工程的實踐經(jīng)驗，本工程的外水壓力計算成果是真實合理的。

從計算公式可以看出，前述公式可用來計算裸洞滲流量、作用到襯砌上的外水壓力以及透過襯砌的滲流量大小。當(dāng)初步計算外水壓力較大，但環(huán)境限制不能直接排放時，可采用增加灌漿圈深度、提高灌漿標(biāo)準(zhǔn)的方式，進一步降低外水壓力、減少滲流量；當(dāng)滲流量不大、計算外水壓力較大時，通過設(shè)置排水孔的方式可有效增加襯砌的等效滲透系數(shù)，顯著降低作用在襯砌上的外水壓力。