高水壓水下隧道合理涌水量限排設計研究

熊文威,汪 波,蒙 偉,何 川,郭德平,寇 昊,吳枋胤,孟海龍

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.敘鎮鐵路有限責任公司,云南昭通 657900；3.四川綿九高速公路有限責任公司,成都 621000)

引言

近年來，隨著我國交通線路規劃逐漸完善，大型隧道工程也在逐年增加。對于水下隧道，尤其是高水壓水下隧道，為更有效地降低其隧道支護結構上的水壓力影響，目前設計多采用“堵水限排”的防排水設計理念，即以注漿封堵等方式隔離地下水，允許地下水適量排放。“堵水限排”設計理念的關鍵在于允許隧道排水量與襯砌水壓力的確定，國內外學者對于該問題進行了深入探討。在隧道排水方面，李杰等[1]提出保角變換的方法推導了任意截面形狀的水下隧道在運營階段的滲流場解析解，并采用FLAC對其有效性進行了驗證；王帥、朱成偉等[2-3]探討了多線平行水下隧道的滲流場分布，認為將多線隧道簡化為單線進行考慮時會高估周圍水頭及其涌水量，且當隧道間距變小時該現象會越發顯著；郭鴻雁、王秀英等[4-7]對高水壓水下隧道的注漿圈參數進行了研究，認為通過調整注漿圈的滲透系數與厚度能夠更經濟有效地降低支護結構上的外水壓力及隧道涌水量；蔚立元等[8]提出了一種類比于圍巖的新型流固耦合相似材料，并運用室內試驗與FLAC3D模型對比分析，從襯砌應力、滲透壓力、涌水量3個方面驗證了相似材料的可靠度；于麗等[9]通過模型試驗指出，隧道排水會擾動圍巖局部范圍的初始滲流場，其中，圍巖滲透系數及隧道涌水率與圍巖局部滲流場的影響呈正相關關系，且圍巖滲透系數對滲流場的擾動范圍影響更大；YING等[10]基于保角變換推導出隧道襯砌滲水量的半解析解，得出當襯砌的滲透系數與土體滲透系數接近時，隧道滲水量最小時可作為隧道最佳開挖深度。在支護結構承受水荷載問題的研究中，張雨等[11]對水下隧道開挖面涌水量及前方地層孔隙水壓力進行分析，提出了安全合理的超前堵水加固參數，為水下隧道開挖前方滲流場預測提供了一定的理論指導；NAM等[12]提出了相對滲透系數的概念，并用于評估二次襯砌背后水壓力的大小，解釋了支護結構間的水壓傳遞機制以及排水系統對于支護結構設計年限的影響；劉世偉等[13]基于復變函數理論和保角映射方法將圍巖透水邊界條件分為4種類型，探討了不同透水邊界條件下隧道滲流場隨埋深直徑比的變化規律；李鵬飛，SAHOO等[14-15]探討了支護結構對于水壓力的影響，認為支護結構存在適宜的厚度及滲透系數可使得隧道滲水量與水壓力具有較優解；劉洋等[16]對水下盾構隧道雙層襯砌結構力學特性進行分析，認為二次襯砌的施作時機會受水位以及河床淤積的影響，二次襯砌施作時間越早，其內力越大且分布的不均勻性越顯著；應宏偉等[17]將兩個無限虛擬滲流場疊加以替代半無限實際滲流場，對水下隧道襯砌外水壓力進行理論探究，認為無限含水層豎井理論的水下隧道滲流場理論解高估了襯砌外水壓力，且襯砌外水壓力與隧道埋深比近似呈線性增加的關系。

對于“堵水限排”防排水設計理念，眾多學者開展了理論及實踐研究，為水下隧道設計及施工提供了依據。而目前相關于水下隧道的研究文獻通常是在傳統排水系統的基礎上探討隧道允許排水量與襯砌水壓力的關系，本文以汕頭灣海底隧道為工程背景，引入泄壓閥系統作為“限排”措施，為減小作用在隧道襯砌背后的水壓力，基于ABAQUS軟件研究了在3種泄壓排水設計方案中，盲管在不同泄壓值下的隧道涌水量及襯砌結構背后水壓力，最后通過最大隧道設計排水量客觀地確定了汕頭灣海底隧道合理的涌水量“限排”設計方案。

1 工程概況

汕頭灣海底隧道是汕汕高速鐵路關鍵控制性隧道工程，主要對其DK160+800～ DK161+851海域段隧道進行研究。圖1為汕頭灣海底隧道縱斷面，海域段隧道下穿汕頭灣，隧道線路縱坡呈“V”形分布，其主要所處地層為燕山期第三次侵入花崗巖(γy3)，為弱風化花崗巖。在弱風化花崗巖之上覆蓋有淤泥層，由于淤泥層滲透系數小于弱風化花崗巖的滲透系數，為按最不利工況考慮，在數值模擬中淤泥層被等效為弱風化花崗巖。此外，隧道設計在DK158+330～DK160+800陸域段與DK160+800～DK161+851海域段的最低點附近共用一處集水池，該集水池通過水泵能夠達到的最大隧道設計排水量為8 450 m3/d。

圖1 汕頭灣海底隧道縱斷面

為使盲管能夠達到特定的泄壓值，汕頭灣海底隧道引入了泄壓閥系統作為“限排”措施，泄壓閥為可調控排水盲管內部水壓的部件，圖2為隧道泄壓閥系統示意。泄壓閥設置于隧道縱向盲管與環向盲管交接處，其具備流體單向控制性能，即當隧道盲管中的水壓超過泄壓閥的設定值時，可通過泄壓閥系統將隧道盲管中的水排入隧道中心水溝中，以降低外水壓力對隧道襯砌結構的破壞。

DK160+800～DK161+851海域段大部分位于海平面以下，地下水豐富，但隧道洞身圍巖為弱風化花崗巖，且通過泄壓閥系統設置了“限排”措施，故地下水流動滿足低流速條件，則可采用達西定律對其滲流場進行研究。

圖2 隧道泄壓閥系統示意

2 數值模擬

海域段隧道主要所處地層為弱風化花崗巖，根據汕頭灣隧道工程地質勘察報告可知，弱風化花崗巖的彈性模量為2 GPa，泊松比為0.25，滲透系數為0.05 m/d，其孔隙比經換算得出為0.305。圖3為海域段隧道模型，為考慮邊界影響，數值模型寬度取為1 950 m，整個海域段模型尺寸為1 020 m(長)×1 950 m(寬)×380 m(高)，其中，隧道長1 051 m(隧道具有一定坡度)。

圖3 海域段隧道模型(單位：m)

在海域段隧道防排水設計中，結合現場地質勘測報告并考慮最不利工況，將隧道按照Ⅲ級圍巖條件設置了環向排水板及縱向盲管，圖4為環向盲管與縱向盲管示意。其中，環向排水板采用0.5 m寬環向凸殼形排水板，由于0.5 m寬環向凸殼形排水板僅有0.25 m的寬度排水，因此，數值模型中，沿隧道縱向每隔6 m設置了寬0.25 m的環向盲管矩形面；對于縱向盲管，在隧道拱底設置了φ107 mm雙壁打孔波紋管，由于僅有約一半的面積能接觸圍巖排水，故在模型中，縱向盲管被設置為寬0.168 m的矩形面。

圖4 環向盲管與縱向盲管示意

對盲管設置泄壓閥后，根據文獻[18]可知，整個盲管中的水壓可考慮為與泄壓閥的泄壓值一致。為分析在3種泄壓排水方案下，不同泄壓值的隧道涌水量及襯砌背后水壓力，泄壓閥的泄壓值分別設置為0，100，200，300，400，500，600，700 kPa，除模型頂部，其他5個邊界均設置為不透水邊界(隧道兩側的邊界距隧道約950 m，為隧道直徑的67倍，即隧道兩側邊界距隧道足夠遠，因此，隧道兩側邊界被設置為不透水邊界)，在模型頂部的海平面位置，設置了固定孔壓為零的邊界。

本文研究為DK160+800～DK161+851海域段隧道，其中，DK161+100～DK161+120段、DK161+260～DK161+280段、DK161+440～DK161+450段存在斷層破碎帶，破碎帶內節理發育，巖體較破碎，如圖1所示。為探討斷裂帶對于隧道涌水量的影響，選取破碎帶寬度最大的區域(即DK161+260～DK161+280段，破碎帶寬度為20 m)進行分析，分別建立設置斷裂帶與不設置斷裂帶的數值模型，如圖5所示。模型尺寸均為80 m(長)×1 950 m(寬)×380 m(高)，其中，斷裂破碎帶處地層滲透系數根據勘察報告選用22.1 m/d，其孔隙比采用強風化花崗巖推薦值0.7。考慮到施工安全，斷裂帶處沿隧道徑向施作厚3 m的注漿圈，且沿隧道縱向向兩側各延伸3 m，如圖6所示。其中，注漿圈參數選用與弱風化花崗巖參數一致。

圖7為兩種工況在不同泄壓值下的涌水量，可以看出，兩種工況的隧道涌水量與泄壓值呈負相關，當泄壓值為0時，設置20 m斷裂破碎帶工況涌水量為220.38 m3/d，而不設置斷裂破碎帶工況涌水量為180.86 m3/d，此時，兩個工況間的涌水量差值達到最大，其差值為39.52 m3/d。由于DK160+800～DK161+851海域段隧道僅存在3處斷裂破碎帶，且上述分析區域為破碎帶最大寬度處，因此，從數值分析的角度而言，全段隧道考慮破碎斷裂帶對涌水量的影響屬于可控范圍內，故為簡化模型而將假定斷裂破碎帶的滲透系數與弱風化花崗巖的滲透系數一致。

圖5 DK161+260～DK161+280區段隧道模型(單位：m)

圖6 破碎斷裂帶隧道注漿圈模型(單位：m)

圖7 兩種工況在不同泄壓值下涌水量

本文主要研究在滿足最大隧道設計排水量時高水壓水下隧道能達到的最小襯砌背后水壓力，在進行研究前，需做以下假定。

(1)假定圍巖為均質、不可壓縮、各向同性介質。

(2)假定隧道開挖后能達到穩定的滲流狀態且水流符合達西定律。

(3)假定斷層破碎帶的滲透系數與弱風化花崗巖的滲透系數一致。

3 隧道涌水量研究

為能達到最小的隧道襯砌背后水壓力值，考慮以下3種泄壓排水方案：①僅采用縱向盲管進行泄壓排水(方案1)；②在縱向盲管基礎上，沿隧道縱向每間隔12 m加設1道環向盲管(排水板)進行泄壓排水(方案2)；③在縱向盲管的基礎上，每間隔6 m加設1道環向盲管(排水板)進行泄壓排水(方案3)。然后對比分析上述3種泄壓排水方案在不同泄壓值下的隧道涌水量，最后與隧道設計排水量進行平衡，以期客觀地得到適宜的泄壓值，并確定汕頭灣海底隧道合理的涌水量“限排”設計方案。

圖8 三種泄壓排水方案在不同泄壓值下涌水量

采用ABAQUS對上述3種泄壓排水方案在泄壓值為0～700 kPa時隧道涌水量進行分析。圖8為3種泄壓排水方案在不同泄壓值下的涌水量，由圖8可以看出，隧道涌水量與泄壓值呈線性相關，隨著泄壓值提高，各方案的隧道涌水量均線性降低。且環向盲管分布越密集，隧道涌水量對于泄壓值的變化越敏感，當采用方案1進行泄壓排水，泄壓值為700 kPa時，隧道涌水量為463.93 m3/d，相較于泄壓值為0時的隧道涌水量2 702.05 m3/d減少了82.83%；而采用方案3進行泄壓排水，泄壓值為700 kPa時，隧道涌水量為877.34 m3/d，相較于泄壓值為0時的隧道涌水量8 359.46 m3/d減少了89.50%。已知盲管的排水作用具有一定局限性[19]，相同隧道長度內隨著盲管有效面積增加，隧道的排水能力隨之提高，與前述結果一致。

由于DK158+330～DK160+800陸域段與DK160+800～DK161+851海域段最低點附近集水池的最大隧道設計排水量為8 450 m3/d，而在前期階段對陸域段隧道進行排水設計時，計算得出DK158+330～DK160+800段涌水量約6 634.31 m3/d，因此，DK160+800～DK161+851海域段的最大隧道涌水量被限定為1 815.69 m3/d，故可得出共有8種工況滿足海域段最大隧道涌水量的限定條件，且該8種工況的海域段隧道涌水量如表1所示。

表1 滿足海域段最大隧道涌水量條件的工況

4 襯砌背后水壓力研究

為研究3種泄壓排水方案中在不同泄壓值下隧道襯砌背后水壓力的最大值，在3種方案中分別選取了同一隧道橫截面作為參考面，并監測了隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底位置襯砌背后的水壓力，圖9為隧道橫截面監測點分布。

圖9 隧道橫截面監測點分布

4.1 泄壓值對橫截面孔隙水壓分布均勻性影響

圖10為3種方案在0，400，700 kPa三種泄壓值條件下的襯砌背后水壓力，可以看出，在相同泄壓值條件下，隧道同一橫截面上的襯砌背后水壓力有所不同，對于環向盲管的設置越密集，其橫截面上各點處的襯砌背后水壓力越小，其襯砌背后水壓力分布的均勻度越好；且隨著泄壓值不斷提高，3種方案在同截面處的襯砌背后水壓力差異逐步降低，這說明在進行設計時選擇合理的泄壓值能夠一定程度上降低施作環向盲管的密集度，進而達到滿足水壓力設計要求的同時，降低成本及簡化施工。

以圖10(a)為例，當泄壓值為0時，3種方案的襯砌背后水壓力最大值均出現在左拱腳處，其值分別為630.228 kPa(方案1)、247.794 kPa(方案2)、146.926 kPa(方案3)，3種方案襯砌背后水壓力最小值均為拱底處，為0。為探究盲管密集程度對隧道襯砌背后水壓力分布情況的影響，在此引入應力不均勻度，見式(1)。應力不均勻度表示上述各方案在泄壓值一定時，橫截面上襯砌背后水壓力最值間的差異性，其差異越大則表示該方案橫截面上的襯砌背后水壓力越不均勻。

(1)

式中，σwmax與σwmin分別為橫截面上襯砌背后水壓力最大值和最小值。

圖11為各方案相同橫截面上的應力不均勻度η與泄壓值關系曲線。在泄壓值一定時，隨著盲管密集程度提高，η逐漸降低，即橫截面襯砌背后水壓力差異性越小，水壓力分布越均勻；另一方面，各方案的應力不均勻度η與泄壓值呈負相關，方案1中η受泄壓值的影響較為穩定，其η隨泄壓值增長變化率約為14%；方案3在泄壓值由0變化為100 kPa時η的變化率最大，降低了43.36%。而之后隨著泄壓值提高，η變化率逐漸減小，說明當環向盲管較為密集時，泄壓值提高對于襯砌背后水壓力分布均勻程度的影響是有極限的。

圖11 三種方案應力不均勻度曲線

4.2 隧道襯砌背后的水壓力最大值研究

圖12～圖14為在3種泄壓排水方案下隧道橫截面各監測點襯砌背后的水壓力隨泄壓值變化折線圖，由圖可知，隨著泄壓值增加，監測點襯砌背后水壓力均線性增大；由于盲管排水作用的局限性，同一隧道橫截面上各監測點襯砌背后的水壓力對于泄壓值變化的敏感程度不相同，距離縱向盲管越遠的監測點，其襯砌背后水壓力受泄壓值變化的影響程度越低；在滿足海域段最大隧道涌水量限定條件工況中，橫截面上拱腳處襯砌背后的水壓力最大(各工況最大值見表2)，故后續將拱腳位置視為海域段隧道橫截面襯砌背后水壓力控制點，并對海域段隧道全線拱腳處的襯砌背后水壓力進行討論。

圖12 方案1在不同泄壓值下的襯砌背后水壓力曲線

圖13 方案2在不同泄壓值下的襯砌背后水壓力曲線

圖14 方案3在不同泄壓值下的襯砌背后水壓力曲線

圖15為滿足海域段最大隧道涌水量條件工況拱腳處襯砌背后水壓力沿隧道軸線的分布情況，由圖可知，隨著海域段隧道里程增加，隧道高程逐漸增高，海域段隧道埋深逐漸減小，故隧道拱腳處襯砌背后水壓力隨隧道里程增加而降低；隧道各工況均在隧道里程為0處(海域段隧道高程最低點附近)取得水壓力的最大值，故將海域段隧道高程最低點附近的隧道橫截面視為海域段最不利隧道橫截面進行分析。對比分析發現，當采用方案2中泄壓值為600 kPa的工況進行泄壓排水時，在海域段隧道高程最低點附近取得隧道拱腳處襯砌背后水壓力約為708.26 kPa，其值為各工況中該最不利隧道橫截面拱腳處襯砌背后水壓力的最小值。因此，在滿足海域段最大隧道涌水量限定條件的工況中，客觀地選取了泄壓值為600 kPa時“縱向盲管+間隔12 m的環向盲管”進行泄壓排水的方案2作為汕頭灣海底隧道合理的涌水量“限排”設計方案。

表2 滿足海域段最大隧道涌水量條件的拱腳處襯砌背后水壓力

圖15 隧道拱腳處襯砌背后水壓力沿隧道縱向分布曲線

5 結論

汕頭灣海底隧道線路縱坡呈“V”形分布，流入到隧道中的水必須通過水泵排出到隧道外，而一定數量的水泵排水能力有限，故在“水泵的最大隧道設計排水量”與“隧道襯砌背后水壓力”之間存在一個平衡點。本文在3種泄壓排水方案中，不同泄壓值下，通過“水泵的最大隧道設計排水量”客觀地確定最小的“隧道襯砌背后水壓力”(對隧道襯砌結構最安全的水壓力)，最終客觀地確定了汕頭灣海底隧道合理的涌水量“限排”設計方案，并通過數值模擬對比分析得到了以下結論。

(1)隨著泄壓值增加，隧道涌水量線性降低；相同隧道長度內隨盲管有效面積增加，隧道排水能力隨之提高，即環向盲管分布越密集，隧道涌水量對于泄壓值的變化越敏感。

(2)隨著泄壓值增加，隧道橫截面上各監測點襯砌背后水壓力線性增大，且監測點離縱向盲管越遠，監測點襯砌背后水壓力受泄壓值變化的影響程度越低；隧道單位長度內環向盲管分布越密集，各監測點襯砌背后的水壓力受泄壓值變化的影響程度越高。

(3)通過“水泵的最大隧道設計排水量”客觀地確定了汕頭灣海底隧道采用泄壓值為600 kPa時“縱向盲管+間隔12 m的環向盲管”作為合理的涌水量“限排”設計方案，該方案在3種泄壓排水方案中能夠使最不利隧道橫截面拱腳處的襯砌背后水壓力達到最小，確保最不利隧道橫截面的襯砌結構安全。