藏區高速公路高壓富水區隧道滲流場特性分析*

張 航,鄒 蔚,楊文波,陳 渤,張文居,朱智勇,黃 濤

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041; 2.蜀道投資集團有限責任公司,四川 成都 610095; 3.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; 4.四川藏區高速公路有限責任公司,四川 成都 610047)

0 引言

為構建現代化高質量國家立體交通網,我國交通基礎設施建設不斷由東部向中西部延伸。西部山區地質條件極其復雜、地形陡峻、地下水系充沛、生態脆弱[1]。在強卸載、高地應力與地下水靜、動壓力耦合作用下,隧道施工中常遇滲漏水、突涌水等災害,不僅威脅施工安全、造成隧道結構滲漏水、襯砌局部裂損破壞等問題,還會產生地下水位下降、地表沉降、生態環境退化等次生環境問題[2-3]。國內外學者從不同專業角度圍繞隧道水災問題做了大量研究[4-7],并提出注漿堵水、支護參數優化、控制層間排水、增設仰拱閉合支護等防治方法,但實際施工中滲漏水等問題依然棘手。地下水環境是以上諸多問題的根本誘因,所以研究不同水文地質條件下隧道滲流場分布與變化規律,是防控隧道水災、保護地下水環境,研究高壓富水地層隧道抗防水設計適用標準的關鍵。

目前以隧道滲流場為主體的研究常用方法有理論解析法[8-10]、實測法[11]、數值模擬法[12-13]。利用理論解析法求解隧道滲流場,能簡潔清晰地得到隧道荷載與涌水量,而實際隧道滲流場求解十分復雜,因此利用現場監測結合數值模擬方法分析隧道圍巖滲流場具有更廣泛的適用性。已有研究在分析隧道滲流場時考慮的影響因素較單一,而實際地下隧道工程往往處于復雜的多項耦合環境。本研究以藏區汶馬高速公路某隧道工程為例,基于流固耦合的計算原理,考慮地下水位和圍巖透水性變化,研究隧道開挖的滲流場和應力場的變化規律,為同類工程提供借鑒與參考。

1 工程水文地質條件

隧址區內地下水豐富,主要為第四系松散層孔隙水和基巖孔隙裂隙水。其中,第四系松散孔隙水的主要來源是大氣降水和地表水,且每年5—9月是隧址區的降水高峰期,全年降雨呈雙峰型分布,峰值位于雨季開始和臨近結束階段。

基巖孔隙裂隙水賦存和運移于隧址區侏倭組構造及風化裂隙和砂巖孔隙中,由于場地內巖性不均,板巖、干枚巖的孔隙小、孔隙率低,基巖孔隙裂隙水主要賦存于砂巖孔隙裂隙中和基巖強風化帶中,板巖、千枚巖則成為相對的隔水層,場地內基巖孔隙裂隙水具有層狀特征,因此隧道開挖時會有基巖孔隙裂隙水出水不均現象。

2 數值計算模型及計算參數

2.1 數值模擬

計算中物理模型采用Mohr-Coulomb屈服準則,為了減小邊界效用對計算模型產生過大影響,隧道模型計算區域取為在隧洞左、右4～5倍洞徑長度,隧洞下側取約5倍洞徑,隧洞上側土層取至距洞頂70m處,建立此模型范圍取為120m×100m×100m,由于模型參數需設置滲透系數,則模擬土體、襯砌結構單位均采用實體單元。根據初步設計資料選取隧道斷面,如圖1所示。

圖1 計算選取的隧道斷面

常用滲流場分析模型有等效連續介質模型、不連續面網絡滲流模型、孔隙裂隙混合介質模型。其中,等效連續介質模型將裂隙體等效為多孔介質,適用于經典孔隙介質滲流分析方法,使用和計算更簡便,為工程中常用方法,所以本文采用等效連續介質模型。所建立計算模型如圖2所示,模型的前后、左右及底部設為不透水邊界,各工況水位線以上與隧道開挖邊界設為透水邊界。

圖2 高壓富水地層隧道計算模型

2.2 計算參數

隧道圍巖物理力學參數由該隧道高壓富水段隧址勘察試驗資料結合工程經驗類比確定,如表1所示。參考JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》,選擇隧道物理力學參數如表2所示。

表2 隧道支護物理力學參數

為研究地下水位高度與圍巖滲透性對高壓富水隧道滲流場的影響,分別擬設了40m與60m 2個水位高度和2.82×10-6,5.64×10-7,2.82×10-73個圍巖滲透系數以開展數值計算分析,具體工況如表3所示。

表3 計算工況

3 高壓富水區隧道圍巖滲流場特性分析

3.1 隧道圍巖初始滲流場

巖土體的滲流場在未經施工擾動前處于平衡狀態,不同的水位高度在相同的圍巖滲透系數下表現出相似的初始平衡狀態圍巖孔隙水壓分布規律,如圖3所示。由圖可明顯看出隧道橫截面研究范圍內的初始孔隙水壓呈水平分布。對比不同圍巖滲透系數下的初始滲流場,地下水位相同的情況下圍巖初始孔隙水壓力基本一致,所以圍巖的滲透性對圍巖初始滲流場的分布影響不大,圍巖的初始孔隙水壓力由初始應力場與地下水位高度決定。

圖3 圍巖初始孔隙水壓力(單位:Pa)

3.2 隧道開挖后滲流場

在隧道開挖后,破壞了原有土體的狀態,改變了圍巖的力學平衡狀態,圍巖應力發生重分布,在達到新平衡的過程中圍巖會裂隙重新發育。與此同時,隧道開挖形成的臨空面與圍巖裂隙成為新的滲流通道,并導致孔隙壓力改變。孔隙壓力的變化反之又會影響應力場,最終二者達到一個動態平衡。

3.2.1滲流方向

各工況下滲流矢量圖類似,最后開挖完成后巖體滲流方向矢量圖如圖4所示。

圖4 開挖后滲流矢量圖

由滲流矢量圖可知,隧道開挖后主要滲流方向為從洞周向洞內滲流,越靠近洞內滲流越密集,滲透系數越高的這一現象越明顯,發生的滲流越強烈。各工況滲流最密集的部位為拱底和拱腳。這是由于隧道開挖形成泄水井,而拱底即為泄水井底部,洞周圍巖內部孔隙水形成滲流漏斗,地下水滲流后在拱底處匯集,導致此處滲流矢量更為密集。隧道開挖后,洞周產生的滲漏水會在拱底與拱腳處淤積,需合理設計排水措施,引排地下水。

3.2.2孔隙水壓力變化

通過橫向對比,不同水位高度的孔隙水壓變化,得到不同水位下,隧道開挖后,圍巖孔隙水壓力變化規律,如圖5所示。

圖5 開挖后圍巖孔隙水壓力(單位:Pa)

對比可發現水位線越低,開挖擾動造成的滲流場變化程度越小,且進口段水壓力變化幅度比出口段小。水位線越高,當巖體內部出現孔隙水壓力為0的滲流界面時,涌入的水壓力更大,造成孔隙水壓力變化幅度增大,使得水位線更高的情況下滲流場變化幅度更大;同時,隧道進洞處由于先進行開挖和支護處理,減小了該截面的水壓力,并使得該截面的滲流場與應力場的耦合作用發生時間更長,使其達到一個相對平穩的平衡狀態,且隨著隧道的不斷開挖,向后延伸的隧道開挖截面,在自身相互耦合的同時,對前一截面的水壓力進時釋放,降低了作用在前一截面的孔隙水壓力,降低了滲流場的變化波動。而隧道出洞處,開挖后耦合作用時間不足以使靜力場和滲流場達到平衡狀態。

圍巖的滲透系數減小后孔隙水壓力趨于不均勻分布,在拱頂和拱底處滲流強烈的區域出現零孔隙水壓區域,在拱腰處出現高孔隙水壓集中區域。滲透性較低的圍巖中隧道開挖時洞周孔隙水壓較難消散,隧道周圍的地下水向洞內滲流,拱頂、拱底處孔隙水壓迅速釋放,拱腰處由于滲流量較小,故孔隙水壓消散速度相對較慢,形成壓力集中區。

3.3 襯砌外水壓力分布

取模型中段,進尺20m處設置監測斷面,監測襯砌拱腰處的外水壓力。繪制各水位下不同滲透系數時外水壓力值隨施工開挖步的變化曲線,如圖6所示。

圖6 二襯外水壓力時程曲線

同一滲透系數下,不同水頭高度,二襯外水壓力大小也不同。二襯所受外水壓力大小隨水頭高度的增加而顯著增大。由圖6a,6b可知,當水頭高度從40m增至60m時,二襯所受最大外水壓力分別為0.48,0.69MPa,增長44%;由圖6c,6d可知,二襯所受最大外水壓力分別為0.80,1.11MPa,增長39%;由圖6d,6e可知,二襯所受最大外水壓力分別為0.95,1.05MPa,增長11%。這說明當水頭高度的變化幅度一定時,圍巖滲透系數越大,對水頭高度變化越敏感,從而導致的二襯背后外水壓力的增幅也越大。

不同滲透系數下襯砌外水壓力隨開挖變化規律相似,均呈現先增大后降低再增大最后趨于平穩的趨勢。當隧道剛開挖時,監測斷面處還未施作襯砌結構,此時監測點位處圍巖孔隙水壓處于較低水平,且各部位處外水壓力相差不大,與靜水壓力值相當。后續隧道持續開挖,導致隧道周邊滲流場發生改變,隨著掌子面的臨近,監測點位處各部位圍巖內部孔隙水產生向掌子面滲流的趨勢,導致水壓持續增大。當隧道開挖至監測斷面時,由于在監測斷面形成臨空面,導致各監測點的外水壓力值陡降。后續隨著襯砌結構的及時施作,以及另一臨空面即掌子面的遠離,監測斷面處二襯背后外水壓力再次呈增長趨勢,且持續增長至穩定值后基本不再變化。

4 現場監測結果整理分析

為研究隧道在施工初期的滲流場演變規律,在斷面里程ZK162+965處安裝了水壓力監測元件,安裝位置為隧道初支與圍巖接觸處的拱頂以及左右拱肩、拱腰。監測結果如圖7所示。由曲線可看出,隧道初支施作后外水壓力迅速上升,右拱腰處水壓力上升最快,最高達到288.58kPa;拱頂處的水壓力上升最慢。10～20d后水壓力變化趨勢轉為緩慢平穩上升,經過40～50d后,各處的水壓力趨于平穩,120d時右拱腰處水壓力依舊最高,為280.44kPa;其次為左拱腰,水壓力為224.58kPa;而拱頂處最低,為69.15kPa。監測結果表明,隧道的外水壓力分布呈現出不對稱性,50d后襯砌外水壓力幾乎不再變化,滲流場已趨于穩定。

圖7 隧道外水壓力時程曲線

結合數值模擬結果進行對比,從二襯背后外水壓力的分布規律看,現場監測結果表明,襯砌外水壓力在監測斷面非對稱分布,二者出現差異的原因在于數值模擬所選模型是等效連續介質模型,將巖體裂隙的滲流平均到巖體中,但實際情況下隧道滲流場受地下水、節理、裂隙等因素影響。現場監測結果與數值模擬均表明,二襯承受水壓最大部位為拱腰,拱頂和拱底所受外水壓力水平較其他部位偏低,這與圖6對應一致。故在隧道設計、施工中,應對拱腰處的結構受力和防水進行著重考慮。

5 防排水措施

1)根據超前預報針對不同地質情況采用全斷面深孔預注漿、周邊深孔預注漿與開挖后周邊注漿的圍巖注漿止水方案。

2)襯砌混凝土采用防水混凝土澆筑,在混凝土中添加密實微膨脹劑(如HEA防水劑、UEA及AEA膨脹劑等),以達到襯砌密實、防裂及防水目的,二次襯砌混凝土抗滲等級≥S8。

3)施工縫防水采用背貼式止水帶和遇水膨脹止水條,兩側邊墻縱向施工縫采用遇水膨脹止水條;沉降縫防水采用背貼式止水帶和中埋式鋼邊橡膠止水帶;抗震縫防水采用背貼式止水帶和中埋式鋼邊橡膠止水帶。

4)明洞采用“兩布一膜”(無紡布+EVA防水板+無紡布),暗洞采用EVA防水板+無紡布。防水板采用熱熔化雙焊縫無釘鋪掛。

5)隧道邊墻及拱墻背后設置環向排水帶,兩側邊墻底背后各設置1道縱向排水管,路面基層下設置橫向排水管,路面基層下設置橫向及縱向塑料盲溝,隧道路面兩側設置7cm×8cm縱向開口式路側排水淺槽,隧道中線路面下設置縱向矩形排水溝,車行、人行橫通道邊墻腳設縱向排水管。

6 結語

1)實際山體地下水滲流情況復雜,地下水分布受到水源補給情況、地形地貌、節理裂隙發育等情況影響。開挖前滲流場平衡,開挖后呈先降低后升高的變化趨勢,所以在開挖與支護前做好充足的地下水防滲工作。

2)由于開挖隧道,圍巖中出現了空室,在重力作用下,地下水在隧洞周邊的滲流趨勢加劇,同時由于隧道結構在重力和浮力的共同作用下,洞室下的地下水也會呈現向上滲流的趨勢,隧道拱頂與拱底處的防水需重點考慮。

3)圍巖孔隙水壓力在拱腰附近較大,由滲流方向矢量圖可知,滲流矢量由拱腰向拱頂和拱底發散,由此可得,圍巖滲流較弱的區域在結構設計中需重點設防。

4)較高的圍巖滲透系數會導致滲流過于劇烈,為避免地下水大量流失,隧道需采取注漿封堵與限量排放等措施。