富水环境下隧道地下水限量排放的衬砌外水压力分析

张 进

(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)

近年来，我国西部山区一大批穿越高压富水地区的交通隧道工程建成并投入到运营，而伴随着的地下水问题也在隧道建设和运营过程中越来越突出，影响施工安全和运营结构安全性，甚至可能导致一系列的生态环境问题[1]。

针对富水区隧道工程的衬砌外水压力作用问题，多年来众多学者及工程人员利用理论研究、数值计算分析、模型试验研究以及工程实践等手段开展了一系列研究工作，取得了大量研究成果[2-4]。其中，在不断的研究实践中，“以堵为主，限量排放(堵水限排)”的防排水设计理念在矿山法隧道中被广泛采用[5-6]。而在实际工程中，隧道堵水限排的标准与衬砌外水压力的关系难以确定，运营期隧道排水管路的堵塞也导致隧道排水量的减小和衬砌外水压力的增加。鉴于此，本文结合时速80 km/h双车道公路隧道通用断面形式，采用有限差分软件FLAC3D建立三维精细化数值计算模型，模拟防排水体系不同的排水能力，以研究复杂富水环境下隧道不同排水量与衬砌外水压力作用的关系，从而为工程设计施工提供参考。

1 数值分析模型

1.1 数值模型

本文结合时速80 km/h双车道公路隧道通用断面形式，采用有限差分软件FLAC3D建立三维精细化数值计算模型，模拟半包-排水型隧道防排水体系，如图1所示。考虑力学和渗流场的边界效应影响，模型左右边界至隧道中心长度取70 m，模型底边界至隧道中心长度取60 m，模型上表面至隧道中心距离为实际水头高度50 m，模型纵向长度考虑排水管的布置情况取为25 m，模型总体尺寸为(140 m)(X轴)×25m(Y轴)×110 m(Z轴)。模型力学边界中上表面为自由面，四周及底面采用法相位移约束条件。渗流边界条件中上表面为透水边界(水头为0)，底面设定为不透水边界，四周设为水头边界，地下水位线在流固耦合过程中保持不变。

图1 数值计算模型

模型中防排水系统设置如图2所示，包含隧道导水垫层、防水板、纵向排水管、横向排水管、环向排水管和中心排水沟，地下水通过环向、纵向、横向排水盲管汇至中央排水沟进行排导。其中，环向排水盲管的纵向间距为8 m，导水垫层和防水板厚度取值为0.04 m，横向、环向排水管和纵向排水管的管径为0.08 m。进行隧道防排水模拟计算时，为保证隧道模型自由渗水，将衬砌内表面和排水管外表面水压设为0。

图2 模型中的防排水体系

模型中隧道围岩、衬砌、注浆圈、防排水系统结构均采用实体单元模拟，并假定各结构均为均质、连续、各向同性的多孔介质，满足FLAC3D软件流固耦合计算模块对于渗流场的相关准则和假定条件。围岩体为理想弹塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则；初次衬砌和二次衬砌取为弹性本构模型；各结构的流体模型根据其透水性利用FLAC3D软件中fl-iso各向同性模型与fl-null流体空单元模型进行模拟。围岩及支护体系的力学参数取值如表1。通过工程类比[7-8]，流固耦合计算中注浆圈、防水板、排水管等结构物的渗透系数取值如表2所示。

表1 各土层及材料力学参数

表2 围岩及结构物渗透系数取值

1.2 计算工况

计算模型中排水量的控制难以直接实现，因此基于“堵水限排”的理念，通过改变模型中排水管(材料)的渗透系数，以研究隧道不同控制排水量与衬砌背后水压力作用的关系。实际工程中排水盲管由排水盲管管材、进水孔及过滤层组成，其渗透系数难以量化确定，现参考相关已有文献[9]，取数值模型中排水管的渗透系数k0=2×10-1cm/s，并以该渗透系数为基准，对各工况下排水管的渗透系数进行折减，共设置6种计算工况(表3)。

表3 计算工况及设置排水管渗透系数

2 计算结果分析

2.1 堵水条件下渗流场分析

利用FLAC3D软件得到模型模拟运营期隧道全堵防水时(设置排水管渗透系数为二次衬砌的渗透系数，等效于排水管完全堵塞)围岩孔隙水压力分布和衬砌外水压力如图3、图4所示。由图可知全堵防水条件下围岩中水压力分布沿竖向呈梯度变化，孔隙水压力等值线为水平直线，呈静水压力场分布。衬砌背后孔隙水压分布与隧道周围岩体中的水压分布相似，说明在全堵防水条件时，地下水稳定渗流后，作用在衬砌上的孔隙水压近似为围岩初始水压状态，且衬砌拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底处(图4)水压力分别约为0.442 MPa、0.46 MPa、0.5 MPa、0.524 MPa、0.534 MPa。

图3 堵水条件下围岩水压力

图4 堵水条件下衬砌外水压力(单位:MPa)

2.2 隧道排水量分析

以排水管处渗透系数kr=0.0001k0工况为例，根据排水系统水压力分布云图中不同位置的水压力大小，得到地下水排水路径如图5所示。在水压力(水力梯度)的作用下地下水沿环、纵、横向水管汇集到中心排水沟以起到地下水排放的作用。

图5 防排水系统地下水排水路径

根据数值计算结果，提取模型中水量监测断面的过水量，得到下中心沟的排水量如表4，排水量与排水管渗透系数的关系如图6。各工况下中心沟的最大排水量为2.23 m3/(d·m)，最小排水量为0.057 m3/(d·m)，说明本文通过改变排水管渗透系数模拟隧道不同排水量的方法是合理的。由图6可知，随着排水管渗透系数的增大，隧道防排水体系的排水量逐渐增大。

2.3 排水量与衬砌外水压力关系分析

为研究不同工况下衬砌外水压力的作用规律，以模型中部的衬砌单元(y=12.88m)为对象，提取其外水压力如图7所示。针对同一种防排水形式，隧道排水量不影响衬砌外侧水压力的作用状态；对于半包-排水型隧道结构，衬砌外水压力呈“倒葫芦形”分布。结合如图5中所示的地下水排水路径分析可知，受拱脚处纵向和横向排水管的影响，地下水向拱脚汇集并由排水管排出，因此衬砌外水压力在拱腰和拱底处水压力较大，在拱脚处最小，形成了较为明显的水压力降曲线型势。

表4 各工况下中心沟排水量

图6 排水量与排水管渗透系数关系曲线

图7 衬砌外侧横断面水压力分布(单位:MPa)

由图7可知，“堵水限排”条件下隧道防排水体系的排水量越大，衬砌外水压力越小。为了更好的对排水量与水压力的关系进行讨论，现考虑排水量对衬砌水压力的折减作用，利用水压力折减系数β(衬砌外水压力P与堵水条件下水压力值P0的比值)来表示。根据数值模拟结果，计算得到不同排水量下模型中部的衬砌单元拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和拱底处的水压力作用系数，具体如表5所示。

结合图5和表5可知，防排水体系(环、纵、横向排水管及防水垫层)设置在拱脚以上部位，拱脚处排水管为地下水排出的通路，拱腰处存在一定的汇水，拱底的排水能力较小，因此防排水体系对衬砌拱顶、拱肩处的水压力折减更为突出，对拱底排水效果较弱，同一排水量下衬砌拱底的水压力作用折减系数最大。

表5 不同排水量时衬砌外侧水压力作用系数

同时，选取衬砌拱顶、拱脚和拱底处水压力研究不同排水量对衬砌外侧水压力作用系数的影响，如图8所示。可以看出，随着隧道控制排水量的不断增加，衬砌外侧的水压力作用系数不断减小。当隧道排水量小于0.2 m3/(m·d)时，排水量的增减对衬砌水压力作用系数的大小影响显著；当隧道排水量大于0.2 m3/(m·d)时，增大排水量时衬砌外水压力逐渐减小，但折减效果不明显。

图8 排水量对外水压力作用系数的影响

此外，上文排水量与衬砌外水压力的关系说明，隧道排水系统的通畅与否，对于控制衬砌结构外水压力有着重要的作用。排水管一旦堵塞出现排水不畅问题时，衬砌外水压力将显著增大，影响运营期隧道衬砌结构的安全。因此，保障排水系统的施工质量以及运营期间的疏通维护至关重要。

3 结论

本文建立含有隧道防排水系统的三维精细化数值模型，研究了复杂富水环境下隧道不同排水量与衬砌背后水压力作用的关系，得出如下结论：

(1)全堵防水条件下衬砌外水压力分布近似为围岩初始水压状态，衬砌承担的外水压力值较大。

(2)对于半包-排水型隧道结构，衬砌外侧水压力受拱脚处纵向和横向排水管的影响，呈“倒葫芦形”分布，拱底处水压力最大，拱脚处最小。

(3)同一排水量下防排水体系对衬砌拱顶、拱肩处的水压力折减更为突出，对拱底排水效果较弱。逐步增大隧道控制排水量，衬砌外水压力作用系数不断减小，且隧道控制排水量小于0.2 m3/(m·d)时，控制排水量的增减对衬砌水压 力作用系数的大小影响显著。

(4)隧道防排水体系具有将地下水排出的作用，随排水管渗透系数增大，隧道排水量逐渐增大。隧道排水系统的通畅与否，对于控制衬砌结构外水压力有着重要的作用。