富水区深埋无压长隧洞排水措施及衬砌结构内力分析研究

苏 丹，李继伟，马 俊

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 国内外隧洞地下工程发展现状

日本青函隧道是世界上最长的一条隧道。它跨越津轻海峡，连接北海道和本州的铁路。最大水深140m，最小覆盖层厚100m。施工时，要用浇灌机在隧道壁上以80kg/m2重的压力注入水泥、苛性钾和硅石混合组成的砂浆，构成海底深处的隧道撑墙，以堵塞海床裂缝和断层可能造成的危害，借以封固海底隧道，以免海水渗透侵入。

英法隧道，由三条长51km的平行隧洞组成，其中海底段的隧洞长度为3×38km，是世界第二长的海底隧道及海底段世界最长的铁路隧道。它故意设计为渗水模式以防水压：若不渗漏，则无法承受隧道周围岩石中的水压。

我国引水输水的隧道工程规模也相当大。以引汉济渭秦岭隧洞项目为例，输水隧洞总长98.3km，穿越秦岭送至关中地区，地下埋深最深达2000m。

公路隧道、海底隧道还是穿越山岭的跨流域调水隧洞，都是复杂的工程，而外水压力评估及防排水措施更是重中之重。

2 削减富水区外水压力的工程措施[1]

近年来在实际工程中采用灌浆封堵和施打排水孔排水的工程措施。

灌浆有以下作用：①固结、黏合、防渗的作用；②提高基岩的承载强度、抗变形能力和改善传递应力的条件；③改善坝基渗流条件和减少渗漏量。但灌浆无法有效降低作用于衬砌上的外水压力。

3 黄三段富水区防排水方案比选及外水压力评估

3.1 围岩富水性及涌水问题评价

黄三段总长16.52km，位于南秦岭中段、汉江以北的中低山区，局部为中山区。黄三段沿线地形起伏较大，总体呈中部高、两端低的形态，隧洞沿线中等富水区有2段，主要分布在区域性断裂带，总长度1150m，占隧洞全长的7.0%。隧洞施工中，洞壁以线状流水、滴水为主，局部可能产生较大集中涌水。隧洞沿线弱富水区有4段，主要分布裂隙相对密集区，总长度2690m，占隧洞全长的16.3%。隧洞施工中，洞壁以线状流水、滴水为主，局部可能产生集中涌水。

中等富水区和弱富水区是施工排水及外水压力计算时需要考虑的重点。

3.2 排水方案确定

为保证有效降低作用于衬砌上的外水压力，对位于中等富水区Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩中隧洞以及弱富

表1 外水压力折减系数

水区Ⅴ类围岩中隧洞对防排水板与排水孔相结合的排水方案和毛细透排水带排水方案进行比选，作用于衬砌上的外水压力根据渗流计算结果确定。

3.2.1毛细透排水带方案

防淤堵效果好；具有的毛细力及虹吸力特性能增进排水功效；接缝较少，施工工艺相对简便，由于采取间隔铺设，无法隔断内外水联系；投资相对大。

3.2.2防排水板方案

存在于排水板上纵横相通的排水通道将大大降低因局部堵塞造成的排水失效；可以保持混凝土浇筑过程中仓面的干燥，保证衬砌混凝土浇筑质量；施工工艺相对复杂；投资相对小。

经综合比较分析，采用新型HW防排水板作为衬砌混凝土结构的防排水层。

3.3 推荐结论

位于中等富水区、弱富水区Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩中以及贫水区Ⅳ、Ⅴ类围岩中隧洞采用防排水板与排水孔相结合的排水方案。外水压力折减系数见表1。

4 二次衬砌结构内力计算分析

计算工况选取运行、检修和施工三种工况。

黄三段隧洞横断面形式采用马蹄形断面，断面型式如图1所示。

图1 马蹄形断面

采用有限元计算软件SAP84进行计算，按荷载结构法计算隧洞衬砌内力，该程序采用的是衬砌边值问题的数值解法，即计算衬砌的内力和变形时，不需事先对抗力做出假设，而由程序自动迭代求出。

秦岭隧洞黄三段穿越Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，因为外水压力是衬砌结构承受的主要荷载，因此结合排水设计方案选择典型断面。Ⅱ类围岩段不计外水压力，且围岩类别好，混凝土衬砌仅为减糙作用，本次计算不计算Ⅱ类围岩断面。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段均采用防排水板与排水孔相结合的排水方案，因此各选取1个典型断面，内力结构如图2—4及表2所示。

图2 Ⅲ类围岩内力图

图3 Ⅳ类围岩内力图

图4 Ⅴ类围岩内力图

轴力衬砌厚度/m内力/(kN·m)顶拱侧拱底拱轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩最大裂缝宽度/mmⅢ类围岩运行期检修期施工期0.4182.3-24.84-24.9222.3-28.52-19.43222.332.19-19.43185-19.77-13.14212.428.3112.36212.4-19.3312.361570220.4-142.8156639.22-28.5148184.46-91.0—Ⅳ类围岩运行期检修期施工期0.45447.159.5595.99735.7235.4185.8735.7235.4185.8693.648.6-86.36846.9223.3180846.9223.31801840158.1-375.91863516.5413.21863516.5413.20.231Ⅴ类围岩运行期检修期施工期0.5522.3-99.95101.6832.7197.7196.8704.229.58-212.553443.9683.35-832.6-271.9184.9832.6132.2184.91557258.1-396.91395509.3400.8135432.71-4770.174

注：轴力以压为正，弯矩以杆件下部受拉为正。

5 结语

富水区的深埋隧洞，不论是在施工过程中还是在投入运行后，衬砌结构一直处于地下水包围之中。合理的排水措施、有效的降低外水压力，结合灌浆等措施，才能使隧洞衬砌结构断面设计合理、结构尺寸优化、工程投资经济。

黄三段深埋隧洞位于中等富水区、弱富水区Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩中的洞段采用防排水板与排水孔相结合的排水方案，是一种合理有效的防排水措施。该防排水系统，改变了以往隧洞多采用防水板十排水盲沟的传统型式，使得隧洞的衬砌结构的尺寸更优化和配筋量更经济、排水能力与衬砌结构的抗水压能力更协调。为以后类似的工程提供了良好的借鉴。