高外水隧洞衬砌堵排水方案及降压效果分析

2019-08-07王浏刘辛凤茂

水利规划与设计 2019年7期

于茂，王浏刘，辛凤茂

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

我国隧道工程发展迅速，包括水工隧洞、铁路、海底隧道等。对于水工隧洞等地下工程而言，地下水因素是控制勘察设计与施工的重要性因素，地下工程中出现的围岩失稳事故也多数与地下水的运动有关。对于深埋隧洞，因地下水位线往往高出洞轴线很多，隧洞结构长期处于较高的地下水作用下，是工程设计的难点。隧洞结构实际是处于不断流动的地下水中，如何根据地下水的赋存规律与补给条件确定隧洞衬砌外的水压力分布特征，保证衬砌结构外水压力满足其承载能力，是隧洞衬砌方案及其堵排水措施设计的关键内容。作用于隧洞衬砌的外水压力本质是一种渗流体积力，基于有限元分析方法，建立三维地质模型，能够实现对渗流场的精确模拟。李鹏飞采用数值模拟方法分析了初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数对海底隧道衬砌外水压力的影响规律，并在此基础上提出了合理的注浆加固圈参数。张继勋结合锦屏二级电站输水隧洞，分析了灌浆封堵外水压力的渗流作用机制，针对不同的，采用三维渗流场的有限元方法分析了深埋隧洞衬砌外高外水压力分布特征，并讨论了灌浆圈深度及其渗透系数对降压效果的影响规律。张成平基于穿越高水压富水岩溶区的圆梁山隧道工程，分析了注浆圈参数对涌水量和衬砌外水压力的影响规律，并通过实践验证了注浆圈对衬砌外水压力的堵水降压效果。引汉济渭工程中，采用有限元法研究了高外水条件下输水隧洞的堵排水减压效果分析及围岩与衬砌联合承载等问题。综合目前积累的高外水区隧洞衬砌的设计经验来看，堵排结合、堵水限排设计理念已经是设计堵排水措施、降低衬砌外水压力的基本思路。

本文依托新疆某深埋TBM长隧洞工程展开研究，该工程输水隧洞全长约41.8km，最大埋深2268m，设计内径5.3m，纵坡1/565。因隧洞埋深极大，且穿越区属于断层活跃地区，构造折皱复杂多变，造成隧洞区地应力分布及变化多样，对工程的勘察设计提出了极大挑战。隧洞进口段在钻爆法穿越N1+2黏土岩及S2j粉砂岩区时，遭遇高承压水问题，洞轴线处最高承压水位达到400m以上，超出地面线100多m，按照常规的地下水压力系数折减方法进行衬砌计算不能满足设计要求。因此，本文采用地下工程的三维渗流理论，从渗流体积力的角度出发，结合衬砌设计中的堵水灌浆及衬砌外排水孔或排水带的堵排结合措施，对衬砌外水压力折减程度与分布范围进行分析，进而评估堵排结合措施对衬砌外水压力的降压效果，为工程设计提供依据。

1 高外水衬砌的设计理念

对于承受高外水荷载的隧洞衬砌结构，因外水压力大，衬砌结构安全风险大，常常出现一系列受载破坏与外水内渗的情况。同时，受不良地质条件影响，还可能产生涌水问题，对隧洞的安全造成严重威胁。

目前，对衬砌外水的处理方法主要有三种：以堵为主、以排为主及堵排结合。

在堵排水措施方面，对于深埋隧洞，由于隧洞沿线地下水埋藏深且分布复杂，外水荷载极大，其空间和时间上的变化不易掌握，无法采用全封堵形式。以排导为主的减压措施易造成工程区地下水明显下降甚至干涸，造成无法恢复的生态环境破坏。其中，堵排结合方案综合考虑超前灌浆或固结灌浆形成的堵水帷幕与衬砌外排水系统的降压效果，达到既减少地下水流失，又消减衬砌外水压力的目的，堵排结合方案是目前比较科学的衬砌外高外水的处理方法。

采用堵排结合处理措施，主要出于以下几方面的设计考虑：

(1)降低衬砌外水压力大小。对于地下水补给充足的高外水或承压水洞段，在洞内正常水位以上设置径向排水孔，理论上并不能有效降低衬砌底部的外水压力，且作用在支护结构上的水压力较高，长期高水压力作用下，衬砌结构应力状态较高，易引起局部开裂、破损与渗漏。

(2)限制隧洞排水量。由于特殊的地质富水特性，若不采取围岩堵水措施，大量地下水将通过排水系统及衬砌渗水通道进入洞内，造成地下水的大量流失，容易引发其他生态问题。

(3)分担地下水荷载，增加衬砌支撑条件。超前灌浆或固结灌浆通过减小围岩渗透系数达到堵水作用，使得大部分外水压力作用在注浆圈上；同时，因围岩间的裂隙或节理被浆液填充，令围岩完整性提高，围岩提供的弹性抗力也相应提高，从而改善衬砌的支撑条件。

在堵排结合措施的设计中，重点是分析堵排措施下衬砌外水压力的降压效果，为衬砌设计提供设计依据。因此，在围岩—堵水灌浆圈—初次衬砌—二次衬砌—排水措施组成的三维联合渗流系统中，精确评估稳定渗流期衬砌外水荷载分布范围与大小，对评判隧洞围岩及二次衬砌的长期稳定性有重要意义。

2 衬砌排水的空气单元法

排水孔及排水带在地下结构、边坡工程、大坝等设计与施工中是常用的渗控措施，具有良好的排水降压作用。但在含排水措施计算域的渗流场分析计算中，对排水孔及排水带的布置以及如何发挥作用的研究尚不充分。在通常的简化模型中排水孔及排水带是不参与计算的，只是通过对排水措施上各点给定水头来加入排水孔及排水带的作用。这不仅会导致大量约束条件的产生，同时在一定程度上增大了非计算误差、数据准备工作及计算的难度。

空气单元法是将排水孔或排水带中的空气看作一种渗流介质，在实际运用过程中，正常作用下的排水措施是一个充满空气的中空的柱状体或带状体，也可以把它看作比一般渗流介质的渗透性大得多的特殊介质。因此，就可以用一定的渗透系数来表征排水孔的渗透性能，并按照其他实体单元的计算方法，对它进行渗流计算。空气单元法的正确应用往往取决于排水措施渗透系数的合理取值。针对不同的工程问题，排水措施的渗透系数可按照具体情况取为周边介质渗透系数的1000倍。在有限元法渗流分析中，排水措施作为常规有限单元加入到整体渗流场的计算中。

3 计算模型

根据依托工程进口段遭遇的高承压水洞段实际情况，选取两个典型计算断面进行渗控措施的降压效果分析。其中，断面1采取的渗控措施为灌浆圈+排水孔+环向排水带，断面2采取的渗控措施为灌浆圈+排水孔。各典型断面的计算参数及渗透系数取值见表1—2，建立的三维渗流场有限元计算模型如图1—2所示。

表1 典型断面计算输入参数

表2 围岩、固结灌浆圈、混凝土渗透系数取值单位：cm/s

图1 有限元计算模型

图2 堵排结合区域有限元模型

4 堵排水措施的降压效果分析

如图3—4所示，采用排水孔+环向排水带方案(典型断面1)及全断面排水孔方案(典型断面2)后衬砌外水压力的典型分布可以看出，衬砌四周外水压力均有不同程度的下降，不同计算工况及堵排水措施下典型计算断面的衬砌外水压力降压效果的对比情况见表3—4。

图3 排水孔+环向排水带方案衬砌典型外水压力分布

根据表3—4统计的不同渗控措施的衬砌外水压力的降压情况发现：

(1)排水带对降低衬砌外水压力有效果，但效果不如排水孔显著。排水孔位置附近水头降幅剧烈，远离排水孔的衬砌底部水头降幅一般，底部降压效果受围岩渗透系数影响较大。

图4 全断面排水孔方案衬砌典型外水压力分布

(2)对于典型断面1，因考虑内水外渗造成洞周泥岩软化等问题，采用顶部排水孔+环向排水带+堵水灌浆圈的堵排结合措施，渗流计算结果表明衬砌顶部折减系数在0.06～0.09，衬砌底部折减系数在0.51～0.79，在考虑排水带部分失效的情况下，衬砌的外水压力折减也比较明显，最终采用的堵排方案为：顶部设排水孔排距3m，顶弧90°排水孔深入基岩2m，3孔、2孔交替布置；侧部和底部设环向排水带，带宽20cm、间距0.5m，灌浆圈深度3.5m。

(3)对于典型断面2，考虑硅质粉砂岩属于硬岩，隧洞内水外渗不会造成围岩劣化，且此洞段为高承压水洞段，一般不会发生内水外渗的情况，因此采取了全断面排水孔+堵水灌浆圈的堵排结合措施。因承压水洞段疏松砂岩渗透系数大，对围岩的渗透系数的取值进行了敏度分析，分析结果表明围岩渗透系数敏度较大，围岩渗透系数下降后，采用相同的堵排水措施，衬砌外水压力的降压效果更加明显。通过增加排水孔深度、减小排水孔的间排距、增大灌浆圈深度可以有效增强堵排渗控措施的降压效果。通过不同方案的对比分析，最终采取的堵排方案为：断面设排水孔排距3m，顶弧90°排水孔深入基岩2m，3孔、2孔交替布置；侧部和底部排水孔深入基岩0.5m，交替布置，灌浆圈深度5～7m。