水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

郭 瑞,周晓军

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

郭 瑞,周晓军

(西南交通大学土木学院,成都 610031)

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。

水底隧道;注浆圈;水压力;控制排水

水底隧道具有水头相对稳定、水源充足,勘探的不确定性等特点,使得水底隧道修建过程中的渗流问题非常复杂。矿山法修建水底隧道时,当水底隧道穿越海岸线附近的富水砂层或围岩破碎的海槽时,隧道的渗水量相对较大,若采用全封堵排水,衬砌将承受较大的外水压力,如何有效地控制和疏导隧道施工过程中所遇到的承压地下水,将隧道涌水量和衬砌外水压力同时控制在一个合适的范围内,对水底隧道施工具有重要指导意义。目前铁路规范采用“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”的原则[1],对于水下隧道修建是比较合理的,但对于隧道具体排水量和注浆参数等规定并不明确。

水压力折减法、数值模拟和解析方法是研究隧道渗流问题的常用方法,近年来许多国内外学者在这方面做了大量研究,Bouvard和Pioto提出了渗流场理论; Harr采用镜像法对隧道渗流场进行了计算,并对隧道围岩孔隙水压力分布进行了分析;张有天等率先在国内进行了岩石水力学研究[2-5]。王建宇,郑波对衬砌水压力荷载的简化分析[6-8]做了大量研究。

矿山法修建水底隧道时,防排水系统通常由注浆圈、初期支护、防排水系统、二次衬砌、施工缝和变形缝组成[9]。隧道注浆可以充填岩体裂隙、封堵地下水,从而降低了岩体的渗透系数,增加渗透“能耗”,减少隧道衬砌壁后的渗水量;然后将剩余的渗漏水通过复合式衬砌的排水系统排出。

衬砌水压力及隧道涌水量是影响水底隧道衬砌结构及排水系统设计的重要因素,基于水底隧道开挖的等效连续介质模型,分析注浆圈、初期支护对初衬背后水压力的影响,以及隧道防排水系统对二衬背后水压力的影响。

1 衬砌水压力解析解

为分析水底隧道的渗流场,设隧道位于半无限含水层中,其四周水压为均匀分布。根据地下水力学理论和无限含水层竖井理论[10],可推导出衬砌外水压力平面问题的轴对称解析解。隧道渗流场的理论计算模型如图1所示[10]。

图1 海底隧道的渗流模型

隧道衬砌的外水压力为

式中,K1为衬砌渗透系数;K2为注浆圈渗透系数;K3为围岩渗透系数;γW为孔隙流体容重;r0为衬砌内半径;r1为衬砌外半径;r2为注浆加固圈外半径;P为作用在衬砌上的外水压力;H为海平面与隧道的高差。

《水工隧洞设计规范》规定,作用在衬砌上的外水压力可以由式(2)进行估算[11]

由上式可推得

代入式(1)可得解析解的水压力折减系数表达式为

由上述公式可知:衬砌水压力受围岩地质条件,注浆圈参数、衬砌渗透系数及厚度、控制排水量和隧道断面形式等多种条件的制约。

2 建模分析

2.1 计算模型及参数

某水底隧道位于水平面下60 m,隧道覆盖层厚15 m。隧道横断面等价圆半径(二衬内径)为5.7 m,初衬厚度为0.3 m,二衬厚度为0.5 m。考虑边界效应影响,计算模型(图2)尺寸取120 m×70 m×10 m。模型共有12 360个单元、14 945个节点。物理模型为mohr-coulomb弹塑性模型,模型前后、左右及底部边界为固定边界,上表面为自由边界;流体模型为等效连续介质模型,围岩前后、左右及底部边界为不透水边界,上表面为透水边界,开挖边界为透水边界、固定孔压为0。

图2 三维计算模型

隧道穿越断层破碎带,隧道涌水量较大。初期支护为喷锚支护和小导管注浆,在初期支护和二衬之间设置有纵向排水盲管、环向排水盲管、透水垫层及防水板组成的排水系统。围岩及支护的物理力学参数见表1。

隧道采用全断面帷幕注浆,开挖方式为全段面开挖。数值模拟时,先进行地应力及孔隙水压力平衡,清除初始塑性区、位移和速度后施做隧道注浆,开挖毛洞;再进行喷混支护,锚杆根据其作用采用强度等效原则提高隧道围岩的黏聚力和摩擦角代替;最后施做防排水系统和二衬。模型中初始地应力场只考虑自重应力场,初始孔隙水压力为静水压力分布。

表1 模型物理参数

2.2 隧道注浆影响分析

为分析注浆圈参数对初衬外水压力的影响,固定初衬渗透系数为2×10-6cm/s,分别取注浆圈厚度为1、2、3、4、5、6 m,围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比n为20、50、100,监测初衬及注浆圈拱腰处外水压力,初衬及注浆圈外水压力折减系数曲线分别见图3、图4(隧道不施做防排水系统及二衬)。

2.2.1 注浆对初衬外水压力的影响

从图3可知:注浆圈厚度一定时,注浆圈渗透系数降低,衬砌外水压力呈明显减小的趋势。固定注浆圈厚度为3 m,当围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比n为20时,初砌外水压力折减系数为0.341;n为50,初衬外水压力折减系数为0.187;n为100,初衬外水压力折减系数为0.106。

图3 初衬外水压力折减系数与注浆圈参数关系

注浆圈渗透系数一定时,初衬外水压力随着隧道注浆圈半径的增加而递减。围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比固定为100时,注浆圈厚度从1 m增加到4 m,初衬外水压力折减系数从0.225降低到0.087;注浆圈厚度从4 m增加到6 m时,初衬外水压力折减系数从0.087降低到0.066。由此可知:注浆圈厚度较小时,注浆厚度增加对初衬外水压力折减系数的降低作用较为明显;注浆圈厚度较大时,注浆厚度增加对初衬外水压力折减的降低效果并不明显。合理的调整注浆圈渗透系数和注浆圈厚度可以有效地控制隧道衬砌外水压力。

隧道注浆可以有效地封堵地下水,控制隧道涌水量。取隧道注浆圈厚度为3 m、渗透系数为1×10-6cm/s。隧道不注浆时,毛洞涌水量为23.4 m3/(d· m);注浆后,隧道毛洞涌水量为0.841 m3/(d·m)。

2.2.2 注浆对注浆圈外水压力的影响

从图4可看出:注浆圈厚度一定时,注浆圈渗透系数降低,注浆圈外水压力略有升高。取注浆圈厚度为3 m,当围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比n为20时,注浆圈外水压力折减系数为0.885;n为50时,注浆圈外水压力折减系数为0.939;n为100时,注浆圈外水压力折减系数为0.966。

图4 注浆圈外水压力折减系数与注浆圈参数关系

注浆圈渗透系数一定时,注浆圈外水压力随着注浆圈厚度的增加而增加。围岩渗透系数与注浆圈渗透系数比n为20时,注浆圈厚度从1 m增加到4 m,注浆圈外水压力折减系数从0.802上升到0.905;注浆圈厚度从4 m增加到6 m,注浆圈外水压力折减系数从0.905上升到0.929。本次计算工况中注浆圈外水压力一直较高,所有工况中注浆圈外水压力折减系数最小为0.802。

2.3 初衬渗透性分析

数值模拟时,通过初衬渗透系数的变化表征初衬透水能力,研究初衬透水能力对初衬背后水压力的影响(不施做防排水系统及二次衬砌)。取注浆圈厚度为3 m,围岩与注浆圈渗透系数之比n分别为10、50,研究初衬渗透系数变化与初衬背后水压力折减系数的关系,见图5。

图5 初衬水压力折减系数与初衬渗透系数关系

从图5可看出:注浆圈渗透系数一定时,初期支护外水压力折减随着初衬渗透系数的增大而减少。固定围岩渗透系数与注浆圈渗透系数n为50,当衬砌渗透系数为5×10-8cm/s时,衬砌外水压力折减系数为0.816;衬砌渗透系数为5×10-6cm/s时,衬砌外水压力折减系数0.043。

2.4 初衬外水压力折减系数的解析解

对于复合式衬砌,利用周长等效[12]的方法将复合式衬砌断面尺寸换算成圆形隧道断面尺寸,换算公式如下

式中,r为等效半径;l复合式衬砌周长。

将数值模型参数代入式(5)可得:初衬等效内半径r0=6.2 m,初衬等效外半径r1=6.5 m。再将数值解对应的注浆圈渗透系数、注浆半径、初衬渗透系数和围岩渗透系数代入式(4),可得注浆圈参数对衬砌外水压力的影响曲线(图6),以及衬砌渗透系数变化对衬砌外水压力的影响曲线(图7)(不考虑施做隧道排水系数及二衬)。

图6 初衬外水压力折减系数与注浆圈参数关系

图7 初衬水压力折减系数与初衬渗透系数关系

从图6可看出:初衬外水压力折减系数随注浆厚度的增加而减小;随着注浆圈渗透系数的增大而增大。与数值解的结果对比分析可知:衬砌外水压力折减系数的解析解与数值解变化规律相同,且二者结果相差不大,当n为20、注浆圈厚度为6 m时,衬砌外水压力折减系数的数值解与解析解的差距最大,二者之间相差2.8%。

从图7可看出:初衬外水压力折减系数随初衬渗透系数的增加而减小;随着注浆圈渗透系数的增大而增大。与数值解的结果对比分析发现:衬砌外水压力折减系数的解析解与数值解变化规律相同,且二者结果相差不大,当n为50,衬砌渗透系数为0.33× 10-6cm/s时,数值解与解析解的差距最大,二者之间相差6.02%。

2.5 控制排水量对二衬外水压力的影响

水底隧道复合式衬砌通常在初衬和二衬之间设置排水系统,隧道设计时考虑经济性、排水设备能力和排水对生态环境及地下水资源的影响,通常都有一个设定的允许排水量,但国内外尚没有一个固定的排水标

式中,Q为隧道控制排水量;Q1为二衬背后渗水量。在上述条件下,二衬背后涌水量的数值解为1.323 m3/(d·m),得到二衬背后水压力折减系数和控制排水量百分比之间的关系曲线如图8所示。准[13];同时考虑到水底隧道运营过程中,排水系统受到各种化学沉淀物的堵塞作用,排水系统畅通性不可避免受到影响。因此研究控制排水与二衬外水压力之间的关系十分必要。

本次数值模拟中,隧道采用半包式防水,初衬和二衬之间设有排水盲管和透水垫层组成的排导系统。取二衬的渗透系数为1×10-8cm/s,注浆圈厚度为3 m、渗透系数为2×10-6cm/s,隧道的控制水头为60 m。

为分析隧道控制排水量与二衬背后外水压力的关系,定义隧道控制排水率百分比D为

图8 控制排水量与二衬外水压力折减系数关系

由图8可看出:隧道控制排水量与二衬背后水压力呈反比关系,水压力随着控制排水量的升高而降低。隧道控制排水量从4.2%升高到28.7%时,二衬背后外水压力折减系数从0.877降低到0.3,在此区间内衬砌外水压力折减系数与限排量之间基本呈线性变化,当控制排水量为全排条件流量的30%时,二衬外水压力减小了约70%。当隧道控制排水量百分比从28.7%升高至69%时,水压力折减系数从0.3降低到0.056。此时外水压力已相对较小,下降速率变缓,可知隧道的控制排水量和排水系统的畅通对衬砌承受的水压力影响较大。

3 结论

本文基于Flac3D流固耦合机理研究了注浆圈渗透系数、注浆圈厚度、衬砌渗透系数及控制排水对衬砌水荷载的影响并与轴对称解析解对比分析,主要结论如下。

(1)注浆圈渗透系数对衬砌外水压力和涌水量有明显的影响,同时注浆可以有效地封堵地下水,控制隧道渗水量。水下隧道注浆时,应考虑施工技术和经济性,适当提高注浆圈的抗渗性,以减小衬砌外水压力和隧道涌水量。

(2)注浆厚度较小时,注浆圈半径增加对初衬外水压力折减系数的降低有较为明显的作用;注浆厚度较大时,注浆圈半径增加对衬砌水压力降低效果并不明显。一味地增加注浆厚度,以期完全封堵地下水进入隧道是不合理的。

(3)水底隧道注浆圈外通常承受较大的水压力,注浆圈厚度和渗透系数的改变对其影响并不显著。考虑海水的侵蚀作用和高水压对注浆圈的影响,水底隧道施工时要保证注浆质量,才能有效封堵地下水,保证隧道结构和排水系统的稳定性。

(4)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响也十分显著。注浆圈渗透系数一定时,初期支护外水压力折减系数随初衬渗透系数的增大而减少;初衬渗透系数取值合适时,可将初衬外水压力折减系数减小到设计可以忽略的值。初衬主要作用是加固和支护围岩,但其初期支护在隧道防排水系统中起着重要作用,设计时应考虑注浆和初衬在封堵地下水和控制衬砌水压力的联合作用,对于初衬背后涌水量较大的部位应设置排水孔等排水措施。

(5)本次数值模拟中数值解与轴对称解析解结果相差不大,二者最大差值为6%,两种方法相互验证,证明了本次计算的合理性。对于具有一定水头[13],隧道截面为非圆形的水底隧道,利用等效半径的方法求衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并将其用于隧道防排水的初步设计是可行的。

(6)二衬外水压力随控制排水量的升高而降低,控制排水量越小则变化越明显,隧道排水能力明显不足时,二衬背后将承受较大的水荷载,对隧道结构安全产生不利影响。水底隧道一般通过注浆和初衬控制地下水排放,同时设置具有足够排水能力的排水系统将隧道渗水排出。水底隧道复合式衬砌防排水设计时,要重视控制排水对二衬外水压力的影响,同时综合考虑注浆、初衬及排水系统之间的联合作用,将衬砌外水压力和隧道排水量控制在合理的范围。

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Analysis on the Factors affecting Water Pressure upon Composite Lining of Underwater Tunnel

GUO Rui,ZHOU Xiao-jun
(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

underwater tunnel;grouting circle;water pressure;controlled drainage

TV672+.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.018

1004-2954(2014)04-0078-05

2013-07-28

郭瑞(1989—)男,硕士研究生,E-mail:361398286@qq.com。

Abstract:As to water-rich underwater tunnel,the tunnel waterproofing and drainage system is very important for controlling the tunnel's water inflow and the lining's external water pressure.Therefore,this paper,considering the underwater tunnel with constant water head,by using numerical calculation method,researched the influence on the lining's external water pressure caused by different grouting parameters,different lining permeability coefficients and different controlled water discharge;and then conducted relevant verification in comparison with the result of axisymmetrical analytic solution.The research come to the conclusions:(a)Either increasing the permeability coefficient or reducing the grouting circle's thickness,will all result in an increasing of the external water pressure upon the lining. (b)The change of permeability of initial lining has significant influence on the initial lining's external water pressure.(c)There is little difference between the two results of numerical calculation and analytic solution,so the lining's external water pressure result and the tunnel's water inflow result,both obtained from analytic solution by using equivalent radius technique,can be used for the tunnel with non-circular cross-section as well as can be used for the preliminary design of tunnel waterproofing and drainage.(d) When the grouting parameters and the permeability coefficient of initial lining are constant,increasing the controlled water discharge is beneficial to reducing the external water pressure behind the secondary lining.