两种防排水模式对富水隧道衬砌水压力影响分析

尚明源， 张志强， 代超龙

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-09-07

在富水地层中修建隧道一直是难点工程。在隧道施工过程中，一方面由于地下水的对围岩的软化作用，降低了围岩物理力学参数；另一方面隧道施工中，对围岩应力场和地下水渗流场都有很大的扰动，围岩应力场的改变将导致围岩体应变的发生，从而引起孔隙水压力的变化，反过来孔隙水压力的变化也会导致应力场的变化，渗流场与应力场耦合作用的结果会加剧地层变形。富水地区，隧道的施工和运营阶段均面临众多“涉水”问题，如施工阶段突水涌水、运营阶段衬砌渗漏水侵蚀等，建立行之有效的防排水体系成为工程建设的重点内容。

隧道处理地下水以“防、排、截、堵，因地制宜，综合治理，以排为主”为原则，即采取排水措施，将渗入洞室内的地下水悉数排出，从而达到降低衬砌外水压、减小衬砌厚度、节省投资的目的。

本文以四川省雅安市大相岭隧道为背景，研究全排放与全封堵两种防排水体系对初期支护、二次衬砌的影响，探明不同防排水体系下的支护结构断面的关键控制点，并对两种防排水体系进行评价，为富水软岩隧道的施工提供指导意见。

1 隧道施工过程渗流场数值分析

1.1 工程概况

大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的大相岭高中山区，左线长9 946m，进口高程约为1 526.54m，出口高程为1 540.41m；右线长10 007m，进口高程为1 525.88m，出口高程为1 540.21m。隧道穿越段最大埋深约1 660m，属于深埋特长越岭公路隧道，其交通布置如图1所示。隧道修建过程中岩体破碎、涌水现象严重，在修建过程中洞壁发生坍方，期间基本处于停滞状态，掌子面涌水较大。

图1 大相岭隧道位置

1.2 计算模型及参数

隧道工程概况如前所述，围岩、初期支护和衬砌计算参数见表1，计算整体模型如图2所示。

通过使用等效岩体水力学参数将其概化为等效连续介质模型，对隧道周围渗流场进行数值模拟。计算模型选取两侧边界至隧道中心线距离为50m，底部边界至隧道距离约为30m，上部取离拱顶60m，纵向120m。初支、加固圈和围岩紧密接触，联合作用。有限元分析计算模型共有1 858个4节点四边形单元，共有节点数1 956个。

围岩E/GPa1．2泊松比ν0．35φ/°39．0c/MPa0．9重度/(kN·m-3)2000渗透系数/(m·d-1)0．008初期支护E/GPa3．4泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2200渗透系数/(m·d-1)5．63×10-5厚度/cm25二次衬砌E/GPa29．8泊松比ν0．20重度/(kN·m-3)2500渗透系数/(m·d-1)2．61×10-9厚度/cm50

1.3 模拟工况

由于季节性降雨和山体内部水系分布的影响，本文取大相岭隧道的最高水位60m，重点分析在固定的水位、不同排放方式对初期支护、二次衬砌背后水荷载的作用形式和大小。具体数值模拟工况为全封堵和全排两种排放方式。

该隧道采用三台阶开挖工法，台阶长度3m，高度约2m，初期支护滞后掌子面3m，二次衬砌滞后初期支护15.0m(图3)。

图3 开挖步骤示意

1.4 渗流力学计算结果分析

1.4.1 初期支护背后水压力分布规律

为了研究支护孔隙水压力分布情况，提取初期支护背后孔隙水压力云图(图4)。

(a) 全封堵

(b) 全排放图4 施工完成后初期支护外水压力

从图4可以看出：施工期间距离掌子面越近，衬砌背后孔隙水压力越小，越远则相反，且距离掌子面较远处，衬砌结构背后水压力云图等值线接近水平，近似收敛。不同排水边界时，衬砌背后的水压力值有所不同，如在全封堵排水边界时，衬砌结构背后最大孔隙水压力为24.99m水头；全排水边界相应的最大值为22.79m水头，并且支护控制关键点(墙脚)水位大幅度降低，结构的安全性提高很多。

初期支护水压力沿纵向分布曲线中的横坐标为初期支护到最前端的距离，拱顶孔隙水压力沿隧道纵向变化曲线如图5～图7所示。

图5 初期支护拱顶水压力沿纵向分布曲线

图6 初期支护墙角水压力沿纵向分布曲线

图7 初期支护仰拱水压力沿纵向分布曲线

无论何种排水边界以及目标点位置为衬砌背后的何处，衬砌背后目标点的孔隙水压力均在其所在断面被开挖后而迅速降低，并且后续开挖步的进行会使其孔隙水压力逐渐回升，直至收敛。

两种排水方式对初期支护(未施加二衬)段背后水压力有所影响，但是差别不大，全封堵时在0～29kPa之间，全排放时在0～27kPa之间。目标点水压曲线在沿纵向15m(二衬最前端)开始突然增大，主要原因是二次衬砌起到“堵水”作用，“阻止”水自由流出，从而增大了初支外水压力。

结合图5～图7和表2，可以看出：不同排水边界的条件下，衬砌背后目标点孔隙水压力均有明显差别(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置为墙脚和仰拱位置。而对于三车道大断面高速公路隧道而言，墙脚往往是整个断面结构的关键控制点，此处水压降低53.70 %，可见排水方案可以大幅度提高整个结构的安全性。

1.4.2 二次衬砌背后水压力分布规律

为了便于分析不同排水设施对衬砌背后不同位置孔隙水压力分布规律的影响，在衬砌结构背后设置孔隙水压力目标点，各目标点沿纵向衬砌外水压力曲线如图8～图10所示。

二次衬砌目标点水压力沿纵向分布曲线分布规律与初期支护类似。随着距离衬砌最前端距离的增大，水压越高；影响范围大约为20m左右，即20m时水头分布极不稳定。

但是，两种排水方式对二次衬砌背后水压力非常明显，结合二次衬砌目标点水压力沿纵向分布曲线图与表可以看出：不同排水边界的条件下，衬砌背后目标点孔隙水压力均有明显差别，其中降低幅度最大的位置为拱腰、墙脚和仰拱位置，而对于三车道大断面高速公路隧道而言，这些关键部位往往是整个断面结构的关键控制点，可见排水方案可以大幅度提高整个结构的安全性(图11、图12、表3)。

表2 初期支护目标面不同位置外水压力

图8 二次衬砌拱顶水压力沿纵向分布曲线

图9 二次衬砌边墙水压力沿纵向分布曲线

图10 二次衬砌仰拱水压力沿纵向分布曲线

衬砌两侧墙脚处设置排水路径时，以增加相对较小的排水量，降低支护外水压力效果明显。结合隧道运营使用方便要求，两侧墙脚设置排水孔易于与隧道底部排水沟衔接，是相对最好的衬砌排水位置。综上所述，当排水系统完全堵死时，衬砌为完全透水，在墙脚处设置排水孔方案是比较合理的。因为对于水压隧道，失稳破坏的关键部位在墙脚处，此处设排水孔可以有效地降低墙脚处的水荷载具有重要的意义。

2 结论

(1)针对抗水压衬砌，通过水压力对结构影响的敏感性分析可知：考虑全水头时，结构受力最大部位在仰拱和边墙脚处；不考虑水压力时弯矩较大部位在结构拱部，结构设计时应取不利工况的最大值作为配筋依据。抵抗水压力，仰拱的结构厚度比结构拱部的厚度大，且仰拱的配筋增加较多。

(2)隧道的开挖引起洞周孔隙水压力急剧降低，从而造成洞周附近渗流场发生了改变，洞周流体有向洞内流动的趋势。随着支护和开挖的继续向前进行，之前衬砌背后孔隙水压力会由于支护的施设而逐渐恢复。掌子面前后范围内，渗流场变化明显，前方影响距离大约50m，衬砌段大约30m基本稳定。

表3 二次衬砌目标面不同位置外水压力

(a)全封堵

(b)全排放

(a)无水压衬砌弯矩

(b)抗水压衬砌弯矩

(3)全封堵和全排方式隧道区周围渗流场分布规律有所差别，全封堵时隧道周边围岩渗流场降低相对较小，主要水头差由隧道支护结构来承担，因此不利于施工和运营安全。而全排方式下最大周边渗流场梯度降低较多，水头差主要由围岩来承担，支护结构相对安全。二衬滞后掌子面12m，已衬砌区段只有前8m左右水压有一定变化，衬砌段8m范围后水压稳定。

(4)封堵方式和全排方式下，衬砌背后目标点孔隙水压力均有明显差别(8.71 %～53.70 %)，其中降低幅度最大的位置为墙脚和仰拱位置。而对于三车道大断面高速公路隧道而言，墙脚往往是整个断面结构的关键控制点，此处水压降低53.70 %，可见排水方案可以大幅度提高整个结构的安全性。

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