強降雨條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力數值及新增排水系統分析

周煥星，劉少華，王瓏，葉忠明 ，徐安、3，錢王蘋

（1.杭州市交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江交投高速公路建設管理有限公司，浙江 杭州 310000；3.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；4.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019）

0 引言

我國正處在加快建設交通強國的緊要之年，江蘇、浙江等多地公布交通強國建設試點實施方案，一大波投資千億元級別的“超級工程”將加速推進。而江浙丘陵地帶擁有許多典型的喀斯特地貌，正是巖溶發育十分發達的區域，工程建設必然會遭遇許多巖溶地質帶來的問題。

如張國炎等[1]對巖溶地區洞灣隧道營運期間發生的滲漏水及涌水等病害進行了研究，分析了隧道產生病害的原因，并提出了打設泄水洞和擴建邊水溝等措施來降低涌水對運營隧道的影響。西南交通大學鄒育麟等[2]探討了隧道滲漏水病害的特征、成災機制，提出巖溶地區季節性富水運營隧道水害治理應該以排為主，封堵為輔。周卓等[3]以云南省某公路隧道穿過地質復雜的巖溶地帶為例，對襯砌滲漏水原因進行了系統分析，給出了排水系統防堵塞處治建議。也有學者認識到排水系統堵塞將帶來附加水壓力引起的結構承載力問題，段海澎[4]等指出巖溶區隧道結晶堵管帶來的附加水壓可能是導致巖溶隧道出現滲漏水、襯砌開裂的根本原因。尚海松等[5]提出了通過增加襯砌強度來提高隧道極限水頭是不科學且不經濟的，必須通過排泄地下水以減小作用在襯砌上的水壓力。馬青等[6]研究了注漿圈厚度、注漿圈滲透性對隧道涌水量、襯砌水壓力、結構安全性的影響規律。李延川等[7]采用FLAC3D有限差分軟件分析了襯砌背后排水系統暢通性對隧道襯砌塑性區分布的影響，研究了不同排水孔失效長度下巖溶隧道襯砌結構受力特征。

綜合以上研究可以看出，對于巖溶隧道的附加水壓力及帶來的結構受力特性的變化等問題目前已有學者提出，但如何優化排水系統以減輕襯砌水壓負擔仍有待研究。鑒于此，本文依托在建的臨建高速公路巖溶區隧道，通過FLAC3D數值仿真模擬，還原現場地質條件及具體工況，探究不同降水條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力特征，進一步探討隧道排水系統優化方案，以期為巖溶區隧道設計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

虎溪臺隧道位于浙江省杭州市桐廬縣，屬于在建的臨建高速公路，臨建高速全長85.5km，共設置隧道30座，隧道總長達33.66km，占公路全長的近40%。虎溪臺隧道為分離式雙向四車道隧道，隧道右線里程為K63+285～K66+410長3125m，左線里程為ZK63+278～ZK66+390全長3112m，為特長隧道，最大埋深約為468.6m。虎溪臺隧道圍巖巖性以石英砂巖、泥質粉砂巖、灰巖為主，層狀地層，巖層傾角較平緩，節理裂隙較發育，巖體完整性一般，隧道富水。

1.2 水文地質條件

本工程所經地段屬漸西中山丘陵，溪溝縱橫切割，造成水系流向復雜。地表水發育，大江小河多呈樹枝狀串聯，均屬錢塘江水系。干流主要有分水江、清諸溪。

圖1 虎溪臺隧道右線進口段縱斷面圖

圖2 虎溪臺隧道Ⅴ級圍巖抗水壓斷面斷面襯砌結構圖

區內河流多為山區性河流，均屬雨源型，河谷深切，峽谷眾多，河床縱坡降大。河流水位、流量受大氣降水的季節性變化影響顯著，具有暴漲暴落的特點，最大流量常出。逐月遞增，7月起逐月遞減。區內洪峰流量大，流速較大，并攜帶大量砂礫，具有很強的沖刷力，對兩岸及構筑物影響較大。施工預測涌水量值為3957m3/d。

1.3 溶腔發育狀況

虎溪臺隧道全段位于石炭系中統黃龍組灰巖內，巖溶發育。地表發育溶洞、溶蝕溝槽、巖溶洼地等。施工的5個鉆孔均遇溶洞，呈串珠狀發育，發育深度較大，以全充填溶洞為主。

目前已探明的大型溶腔有6處，與隧道相交于右線K65+372、K65+299和左線K65+240、K65+314，其中三處溶腔貫通至地表，但向地下排泄水的能力均較差。

以圖3所示的左線ZK65+314溶腔為例，開挖方向左側邊墻處揭示一溶洞，開挖方向深度約12m，溶腔寬度約7.3m，溶腔頂位于起拱線上方7.6m，溶腔底距起拱線約10m。溶腔內多泥質填充物，為黏性土層，呈塑性，含水率較低，該溶腔可作為依托工程穿越的典型溶腔類型代表。

圖3 左線ZK65+314溶腔示意圖

圖4 左線ZK65+314溶腔現場圖

2 強降雨條件下巖溶隧道襯砌背后水壓力數值仿真分析

2.1 模型建立及簡化

本模型采用三維有限差分軟件FLAC3D進行模擬[8-9]，為了簡化計算，主要假定如下：

①隧道不同截面的埋深高度不同，根據地質勘察報告可知隧道大多為深埋隧道，地應力形式主要由構造應力形成。為了簡化模型便于統一計算，隧道斷面選取左線ZK65+314的溶腔斷面，埋深70m，設置仰拱，注漿圈厚度為3.5m。模型左右邊界為6倍隧道半徑（36m），下部邊界為3倍隧道半徑，隧道縱向取30m。

Lumion，中文名稱流明，是實時的3D可視化工具，沒有建模功能，該軟件開發年限較短(2010年11月)，但因其優勢明顯，迅速被園林規劃設計、建筑設計等行業廣為利用，主要優勢是：渲染和場景創建時間極短，可節省大量時間和精力，擁有豐富的3D材質和模型，支持高分辨率視頻和圖像輸出，可視化效果逼真，是對Google SketchUp軟件的良好補充。

②模型采用了兩種本構模型，初期支護與二次襯砌采用各向同性彈性材料模型，圍巖采用摩爾-庫侖材料模型，能體現出襯砌與巖體物理特性與變形特性。

③模型力學邊界：四周水平約束，底面固定約束。滲流邊界條件：根據不同工況，設置對應地下水面高度，固定四周孔壓，邊界能與外界發生液體交換。地下水滲流滿足Darcy定律。

④溶腔實體建模，與隧道襯砌接觸面寬度為3m，高度約為7m。根據依托工程項目前期不同溶腔位置對襯砌影響的研究，在相同水位下相同大小的溶腔，斷面拱肩位置出現溶腔對結構的影響最不利，故本次模擬選取隧道右拱肩位置建立溶腔模型。建立的模型如下圖5所示。

圖5 三維仿真模型建模效果

2.2 參數選取

依據地勘資料，計算模型范圍內圍巖主要以灰巖為主，材料參數依據地勘與類似文獻取值，支護結構的力學參數依據“等效剛度法”獲得，依據“以管代孔”法等效模擬考慮襯砌的滲透系數，模型各結構的計算參數列于表1。

模型計算參數表 表1

根據現場地勘情況顯示，在強降雨條件下巖溶發育地層將會出現地下水位驟升，同時參考相關研究案例成果[10]（暴雨后實測地層水位上升超過50m），設定本計算中因暴雨引發的地層水位最高點（距離初支拱頂）為50m。具體工況設置如下：工況1，枯水季節溶腔無積水，地下水位在隧道水平面以下；工況2，常態水位工況，雨后地下水位上升至拱頂上方10m；工況3，雨后巖溶區最大地下水位上升至30m；工況4，雨后最大地下水位上升至50m。各工況詳見于表2。

本次模擬采用流固耦合的計算方法，即力學計算子步與滲流計算子步交替進行，較為真實地還原隧道開挖與運營期間滲流場的變化與對襯砌結構受力的影響。

2.3 襯砌背后的水壓力分析

由于在隧道橫斷面上，襯砌不同位置水壓力的變化基本按照水力梯度呈線性變化，故本文選取拱頂位置的孔隙水壓力監測點數據為例。根據數值仿真結果，二襯背后拱頂位置孔隙水壓力隨地下水位的變化如表2所示。

工況及二襯拱頂孔隙水壓力統計表 表2

由表中數據可知，拱頂孔隙水壓力與地下水位高度呈正相關，并且在水位較低時滲流效應對襯砌孔隙水壓力的折減效果明顯。但隨著水位增高后，即使排水系統順暢，工作襯砌結構仍會承受較大的水壓力。因此在實際工程中十分有必要關注強降雨時段，水壓力驟升可能對襯砌結構帶來的不利影響，提前采取防范措施。

2.4 基于襯砌水壓分析的現場施工建議

在現場條件允許的情況下，對于較大的溶腔盡量進行超前支護及注漿回填，使圍巖共同承擔溶腔內驟增的水壓，減小襯砌結構的負擔。底層注漿亦有助于減小地下水排放的流量，實現限量排放或控制排放。

在隧道穿越巖溶區域的段落，建議以加強混凝土強度等級、增加混凝土厚度、提高結構配筋率等方式，提升襯砌的整體承載能力，即使圍巖完整性較好的地層也應當考慮足夠的安全儲備，提高襯砌等級。

但盲目以增加襯砌強度方式來抵抗水壓是不科學、不合理的，應合理結合防、排水系統將襯砌背后可能達到的靜水壓力壓轉化為滲流場，進而降低襯砌所承擔的水壓力。如在隧道上方揭露的較大溶腔內埋設排水管，將溶腔內積水盡快疏導至隧道的排水系統中。

建議通過增大管徑、增設環向盲管與橫向排水管等方式提升隧道排水能力，如巖溶發育發達的區域可以每10m～15m設置一組橫向排水管，以減緩在強降雨條件下地層水位上升的速度。

3 現場施工方案

對巖溶水的治理應遵循“宜疏不宜堵”的原則，因此，根據實際情況對巖溶水采取“截、引、排”結合的處理措施。

①縱向矩形排水渠

經計算原有的D400鋼筋混凝土中央排水管，坡度 0.5%，泄水能力為8270m2/d，小于預測的最大24544m2/d涌水量。由于揭示的溶洞距最近的出洞口距離1035m，根據巖溶水量的大小以及考慮施工、圍護的可行性，采用在左側行車道下方增設一道矩形排水溝來專門排除巖溶水。排水溝橫斷面布置詳見下圖。

圖6 有仰拱段排水溝設置橫斷面圖

圖7 無仰拱段排水溝設置橫斷面圖

考慮到溶洞的巖溶水含泥沙，因此適當加大排水溝斷面，排水溝凈寬1.2m，凈高1.1m～1.25m，坡度同隧道縱坡。經計算，矩形排水溝的泄水能力為201573m2/d，遠大于預測的最大涌水量，可以滿足排水需求，富余的斷面可以滿足一定時間的泥沙淤積能力。

②沉砂池

自第一個溶腔打開，經過2～4個月的觀察，大部分溶洞不間斷出水，且巖溶水中含有一定比例的泥沙。為方便施工及后期運營，避免泥沙與巖溶結晶在排水渠內日益堆積，在左側路面下設置沉沙池（見圖8），右幅路面下仍為中央排水管及仰拱填充。沉沙池寬375cm，高139cm～207cm，橫截面積為6.5m2。

圖8 沉砂池設置橫斷面圖

根據排水溝的水力計算，排水溝內平均流速為2.5m/s，若溶水排至隧道出洞口外的時間約7分鐘。巖溶水中的泥沙在沉沙池、矩形排水溝及排出洞外的比例約2：2：6。

③檢修池

為方便沉砂池的清淤工作，在較大溶洞位置以及沉砂池最低處均設置檢修池，如圖9所示。對側壁檢修池外側及上方溶腔采用混凝土回填，再施作噴射混凝土和鋼筋網初期支護等。

圖9 檢修池設置橫斷面圖

溶洞水以排為主，堵排結合，檢修池側壁回填時預留泄水管，直通溶腔內部，將巖溶水引入檢修池，尤其在雨季強降水條件下可以快速排空溶腔內積水，緩解隧道襯砌所受水壓力驟升的情況。

④清淤頻率計算

由于沉砂池與檢修池需要根據地下水位及隧道涌水量變化及時調整清淤間隔，避免泥沙等沉積物過度堆積而影響排水效果，而浙江梅雨季節較長，故將需考慮的工況大致分為兩種，即晴天-小雨時段和暴雨時段。

晴天-小雨時段清淤頻率計算：

暴雨時段清淤頻率計算：

4 結語

依托浙江臨建高速虎溪臺隧道灰巖巖溶區段案例，通過數值仿真分析，揭示了不同降雨條件下襯砌背后水壓力與地下水位之間的關聯，低水位下滲流場的存在能有效減少襯砌孔隙水壓，但強降雨時段仍有較大水壓力，證明了依托工程襯砌抗水壓設計的必要性。

基于工程實際，提出了“截、引、排”結合的處理措施，建議依托工程在提高襯砌強度、溶腔注漿回填的同時，在巖溶發育區段增設橫向排水管加大管徑、溶腔內埋設排水管提高排水系統的排水能力，將靜水壓力場轉化為滲流場，并減緩強降雨時地下水位上升速度。

整理了依托工程現場采取的排水系統優化方案，闡釋了新增縱向排水渠、沉砂池以及檢修井的作用，并通過理論計算確定了新增排水系統的最大排水能力以及晴雨期沉沙池清淤周期。