衬砌及注浆圈参数对高水压隧道渗流场的影响研究

鲍洪韬， 徐金华， 周华求， 王洪杰， 熊文威， 钱王苹

(1.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310000； 2.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721000； 3.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； 4.南通大学 交通与土木工程学院，江苏 南通 226019)

0 引 言

随着我国基础设施建设的不断完善，国内交通线路规划也在逐渐增加。目前，对于高水压隧道设计多采用“堵水限排”的设计理念，即采用注浆等技术封堵隔离地下水并允许地下水的合理排放。而此理念的关键在于探求隧道允许排水量与衬砌背后水压力的动态平衡。基于此，国内外学者开展了深入的探讨。丁小平等[1]将设置有排导系统的复合衬砌进行简化处理，得到了一个衬砌简化修正渗透系数，为复合衬砌涌水量的预测提供了有效的方法；王克忠等[2]探讨了裂隙介质渗流理论下的围岩与衬砌渗透系数对渗流场的影响，认为增加衬砌结构材料的渗透性或设计合理的排水孔是减小衬砌外水压力的有效措施；张成平等[3]、张志强等[4]、游剑南[5]探讨了高压富水隧道注浆圈对复合式衬砌荷载和内力的影响，认为注浆对于衬砌不同位置受力的折减效果不同，注浆对衬砌仰拱处内力折减效果最好，对拱腰处内力折减效果最小；高新强[6]、李鹏飞等[7]、宋凯等[8]模拟了不同支护参数下隧道衬砌水压力的变化规律，认为注浆圈厚度与衬砌排水量越大时，衬砌水压力系数的折减效果越显著；李晓军等[9]采用修正的初衬渗透系数推导了复合式衬砌的渗透系数计算公式，认为复合式衬砌渗透系数与环向排水管间距、初衬厚度、初衬渗透系数密切相关，且环向排水管间距越大，复合式衬砌渗透系数越小；王永吉[10]、郭瑞等[11]认为在“以堵为主，限量排放”排水模式下，通过降低注浆圈和衬砌渗透系数值对衬砌水压力影响较显著，注浆圈厚度对衬砌水压力影响较小，当注浆圈厚度大于2 m反而会使衬砌水压力增大；张顶立等[12]采用多种注浆工艺和材料复合以形成复合结构，形成了复合注浆的新理念，更有效地解决了隧道的抗渗和稳定性问题。

对于高水压隧道的放排水设计理念，众多学者在理论及实践上的研究为富水隧道设计及施工提供了理论依据，本文以临安建德段虎溪台隧道为工程背景，基于ABAQUS探究了虎溪台隧道在高水压条件下的初支、注浆圈等渗透系数及注浆圈厚度对初期支护阶段、运营阶段的隧道涌水量和衬砌背后水压力的影响，对于后续的施工设计起到一定的指导作用。

1 工程概况

虎溪台隧道为浙江临金高速公路上的一处高速公路隧道，临金高速公路起点位于浙皖交界的千秋关，终点相交于沪昆高速(杭金衢高速)二仙桥东，全长85.4 km。隧道拟建路线主要在浙西中低山丘陵区，本隧道主要地貌为底山-高丘陵侵蚀剥蚀地貌，隧道主要通过地层为弱风化花岗岩，根据工程地质勘察报告可知，弱风化花岗岩的弹性模量为2 GPa，泊松比为0.25，其孔隙比经换算得出为0.305，密度为2 200 kg/m3。注浆圈参数选用与弱风化花岗岩参数一致。初期支护的弹性模量为32.05 GPa，泊松比为0.2，密度为2 400 kg/m3。

2 数值模拟

为研究虎溪台隧道在高水压条件下的初支、注浆圈等渗透系数对初期支护阶段、运营阶段的隧道涌水量和孔压分布的影响，依据《虎溪台隧道工程地质勘察报告》提供的岩土渗透参数，采用ABAQUS软件建立隧道危险截面处二维模型，计算模型如图1所示。模型尺寸为B×H=500 m×380 m，隧道半径为7.185 m，隧道埋深为42 m，限定模型两侧水平位移和模型底部两个方向位移，并设置隧道洞周孔压边界为0 kPa(透水边界)，模型共计60 168个单元。

图1 危险截面二维模型示意图

在进行研究前，本文做以下假定：①假定围岩为均质、不可压缩、各向同性介质；②假定隧道开挖后能达到稳定的渗流状态且水流符合达西定律。

2.1 初期支护渗透系数对渗流场分布的影响研究

为研究隧道在初期支护阶段-运营阶段过程中不同初支渗透系数条件下的隧道涌水量和孔压变化情况，数值计算模型模拟两种初支渗透系数(工况1、工况2)进行对比，其具体工况参数设置见表1。

表1 模拟工况表

2.1.1 初期支护渗透系数对衬砌背后水压力的影响分析

分析比较工况1和工况2在不同初期支护渗透系数条件下的衬砌背后水压力变化。计算得到工况1(初期支护渗透系数为0.008 m/d)和工况2(初期支护渗透系数为0.8 m/d)的初期支护阶段、运营阶段衬砌背后水压力分布如图2所示。

图2 工况1与工况2在不同初期支护渗透系数条件下衬砌背后水压力柱状图

在施作初期支护阶段，两种工况隧道所承受的衬砌背后水压力最大值均出现在拱脚处，且隧道附近的孔隙水压力与初期支护渗透系数呈负相关，工况1隧道拱脚衬砌背后水压力为36.96 kPa，工况2中隧道拱脚衬砌背后水压力为1.39 kPa，相较于工况1下降了96.2%；在运营阶段，隧道附近衬砌背后水压力与初期支护渗透系数呈负相关，工况1隧道拱脚衬砌背后水压力为12.57 kPa，工况2该处的衬砌背后水压力为1.12 kPa，相较于工况1下降了91.1%。

在初期支护阶段和运营阶段，当初期支护渗透系数增大，衬砌背后水压力将显著减小，故改变初期支护的抗渗能力对于隧道孔隙水压力的影响作用明显，初期支护的抗渗能力可被视为隧道衬砌背后水压力设计的关键性因素。

2.1.2 初期支护渗透系数对涌水量的影响分析

工况1和工况2在不同初期支护渗透系数条件下的涌水量变化如图3所示。初期支护阶段，工况1的隧道涌水量为11.15 m3/d，工况2的隧道涌水量为11.77 m3/d，相较于工况1提升了5.3%；运营阶段，工况1的隧道涌水量为3.73 m3/d，工况2的隧道涌水量为3.80 m3/d，相较于工况1提升了1.8%。

图3 工况1和工况2在不同初期支护渗透系数条件下的涌水量

对比上述两种工况的初期支护阶段和运营阶段涌水量变化可知，减小初期支护渗透系数在初期支护阶段和运营阶段隧道的涌水量均有降低，在初期支护阶段降低比运营阶段降低幅度稍大，但下降幅度不明显。说明提高初期支护的抗渗性，降低初期支护的渗透系数对于减少隧道涌水量效果不显著。从经济性考虑，对于隧道涌水量的影响可忽略不计，故初期支护的抗渗能力也并非隧道涌水量设计的关键性因素。

2.2 注浆圈渗透系数对渗流场分布的影响研究

为研究隧道在运营阶段过程中不同注浆圈渗透系数条件下的隧道涌水量和孔压变化情况，数值计算模型模拟三种注浆圈渗透系数(工况3～5)进行对比，其具体工况参数设置见表2。

表2 模拟工况表

2.2.1 注浆圈渗透系数对衬砌背后水压力的影响分析

分析比较工况3、工况4和工况5在不同注浆圈渗透系数条件下的衬砌背后水压力变化。计算得到工况3(注浆圈渗透系数为0.005 m/d)、工况4(注浆圈渗透系数为0.05 m/d)和工况5(注浆圈渗透系数为0.5 m/d)的运营阶段衬砌背后水压力分布如图4所示。

图4 三种工况在运营阶段拱脚处衬砌背后水压力

运营阶段下三种工况的隧道所承受的衬砌背后水压力最大值仍出现在拱脚处，且隧道附近的孔隙水压力与注浆圈渗透系数呈正相关，工况3隧道拱脚衬砌背后水压力为12.57 kPa，工况4拱脚处的背后水压力为34.02 kPa，相较于工况3上升了63%。工况5拱脚处的背后水压力为52.58 kPa，相较于工况3上升了76.1%。通过比较不同工况可以得出，不同注浆圈渗透系数条件下，隧道附近的衬砌背后水压力与注浆圈渗透系数呈正相关。在运营阶段注浆圈渗透系数增大，孔压随之增大，且作用效果较大。故改变注浆圈的抗渗能力对于隧道衬砌背后水压力的影响作用明显，提高注浆圈的抗渗能力可以有效地降低衬砌外水头以及孔隙水压力影响范围。

2.2.2 注浆圈渗透系数对涌水量的影响分析

运营阶段下三种工况的涌水量如图5所示。

图5 三种工况在运营阶段的涌水量

由图5可以看出，运营阶段，工况3的隧道涌水量为3.73 m3/d，工况4的隧道涌水量为10.41 m3/d，相较于工况3增加64.2%，工况5的隧道涌水量为12.72 m3/d，相较于工况3增加70.7%。

通过比较不同工况可以得出，不同注浆圈渗透系数条件下，运营阶段减小注浆圈渗透系数，隧道的涌水量均有降低，且在运营阶段降低幅度很大，说明提高注浆圈的抗渗性，降低注浆圈的渗透系数可以有效地减少运营阶段的隧道涌水量。

2.3 注浆圈厚度对渗流场分布的影响研究

为研究隧道在运营阶段过程中不同注浆圈厚度对隧道涌水量和孔压变化情况的影响，数值计算模型模拟三种注浆圈厚度(工况6～8)进行对比，其具体工况参数设置见表3。

表3 模拟工况表

2.3.1 注浆圈厚度对衬砌背后水压力的影响分析

分析比较工况6、工况7和工况8在不同注浆圈厚度条件下的衬砌背后水压力变化。计算得到工况6(注浆圈厚度为3 m)、工况7(注浆圈厚度为5 m)和工况8(注浆圈厚度为8 m)的运营阶段衬砌背后水压力分布如图6所示。

图6 三种工况在运营阶段拱脚处衬砌背后水压力

运营阶段，三种工况下隧道所承受的衬砌背后水压力最大值均出现在拱脚处，且隧道附近的衬砌背后水压力与注浆圈厚度呈负相关，工况6隧道拱脚衬砌背后水压力为12.57 kPa，工况7该处衬砌背后水压力为9.60 kPa，相较于工况6下降了23.6%，工况8该处衬砌背后水压力为7.58 kPa，相较于工况6下降了39.7%。

通过比较不同工况可以得出，不同注浆圈厚度条件下，隧道所承受的衬砌背后水压力最大值均出现在拱脚处。在运营阶段注浆圈厚度增大，衬砌背后水压力随之减小，且作用效果相对明显。故增厚注浆圈可以有效地降低运营阶段的隧道衬砌背后水压力。

2.3.2 不同注浆圈厚度对涌水量的影响分析

运营阶段下三种工况的涌水量如图7所示。

图7 三种工况在运营阶段时的涌水量

由图7可以看出，运营阶段工况6的隧道涌水量为3.727 m3/d，工况7的隧道涌水量为2.761 m3/d，相较于工况6的涌水量降低了25.9%，工况8的隧道涌水量为2.093 m3/d，相较于工况6的涌水量降低了43.8%。

通过比较不同工况可以得出，不同注浆圈厚度条件下，增加注浆圈厚度，在运营阶段隧道的涌水量有较大下降，说明增加注浆圈的厚度对于减少运营阶段的隧道涌水量有显著作用。

3 结 论

本文探究了隧道在高水压条件下的初支、注浆圈渗透系数以及注浆圈厚度对初期支护阶段、运营阶段的隧道涌水量和衬砌背后水压力的影响，得出以下结论：

(1) 在初期支护阶段和运营阶段，当初期支护渗透系数增大，衬砌背后水压力将显著减小；而隧道涌水量在初期支护阶段仅提高了5.3%，运营阶段仅提高了1.8%。故在满足涌水量要求的条件下，可以适当提高初期支护的渗透系数以降低隧道衬砌背后水压力。

(2) 在运营阶段，当注浆圈渗透系数增大，拱脚处衬砌背后水压力以及隧道的涌水量也显著增大，故从满足涌水量要求和经济性方面考虑，设计时应适当降低隧道注浆圈的渗透系数。

(3) 在运营阶段，隧道附近的衬砌背后水压力与注浆圈厚度呈负相关，当注浆圈厚度增大时，拱脚处衬砌背后水压力以及隧道的涌水量有一定程度的减小，故从满足涌水量要求和经济性方面考虑，设计时可适当增加隧道注浆圈厚度。