富水区隧道排水网络体系卸压能力研究

李化云， 周伟， 尚明源， 张志强

(1.西华大学建筑与土木工程学院， 成都 610039; 2.核工业西南勘察设计研究院有限公司， 成都 610061; 3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 成都 610031)

中国大部分铁路和公路隧道要求不渗、不漏，且满足一定防水性标准[1]；不过偏远山区长大深隧道的地质结构相对复杂，地下水位高，在无有效排水情况下，其水力作用会对隧道产生水害，如隧道突水突泥、渗透水等，会引发一定安全问题。

顾伟等[2]依托实际隧道工程建立排水系统，提出了新的二次衬砌外水压力的折减方法。杨武策等[3]对隧道中传统防排水分区理论所存在的不足之处进行了分析,提出了隧道新型分区式防排水技术研究方法。彭琛等[4]通过仿真软件建立隧道模型，提高了水力计算精度，得到了系统的动水压力分布。包德勇[5]在研究过程中结合工程经验而分析了富水隧道在裂隙密集带突涌水的成因，且提出了应对方案。袁海清等[6]则针对性地提出“以堵为主，限量排放”防排水方案，且做了实证分析；张素磊等[7]提出在二次衬砌和防水板间加一层排水板，可以有效改善传统防排水系统渗漏水的不足。侯本申[8]对比了不同环境下隧道的防排水体系，建立了针对浅埋隧道的喷涂防水方案，接着检验了这种方案的应用价值。金建伟[9]则具体分析了海底隧道结构防排水相关的要求，且在实例分析基础上给出相关参考建议。李晓军等[10]提出环向盲管间距越大，复合式衬砌渗透系数越小。采用修正后的初期支护渗透系数来表征复合式衬砌的渗透性。陈向红等[11]应用了改良注浆材料对地层内渗流场状态进行改善，发现这样可降低地下水产生的影响。郑波等[12]则具体讨论了富水隧道水害防治相关要求，且综合考虑到各方面因素，而建立了“严堵+畅排”的应对策略。巩江峰等[13]则对不同阶段渗漏水病害特征和要求进行分析，而提出了相关应对策略，如排水板可采取钉射、强化无砟道床仰拱防排水。

综上所述，针对富水区隧道的防排水结构体系已经开展了众多研究，并取得了系列成果，但很少有学者深入研究排水网络体系对地下水的卸压能力。基于此，现依托峨汉高速公路豹狸岗隧道工程实际，采用理论分析结合有限元方法讨论水头高度和环向盲管间距对隧道排水体系卸压性能的影响规律，并确定出最佳环向盲管间距。

1 工况设置及物理力学参数

采用有限差分数值软件Flac3D，对隧道传统的环纵向盲管网络的排水能力进行模拟分析研究。图1为建立的模型，图2为排水盲管设施示意图，网格划分采用六面体单元，单元个数为74 280，节点个数为79 527。表1和表2列出了围岩、初期支护、二次衬砌结构的相关参数及渗透系数。豹狸岗隧道排水网络中应用的盲管直径为100 mm，具体分析盲管间距和水头高度确定出工况如表3所示。

图1 模型示意图Fig.1 Schematic diagram of model

图2 排水盲管设施示意图Fig.2 Schematic diagram of blind pipe facility

表1 物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameter

表2 渗透系数Table 2 Coefficient of permeability

表3 计算工况Table 3 Calculation condition

2 不同水头高度对衬砌背后水压力分析

为探明不同水头高度对衬砌背后水压力的影响，在保持环向盲管间距不变的情况下，对不同水头高度下二次衬砌背后水压力进行了模拟研究，揭示影响规律。以6 m盲管间距为例，讨论了30、40、50、60 m 4种水位条件下盲管网络体系的卸压效果。二次衬砌外侧水压力分布特点如图3～图6所示。

图3 30 m水头二次衬砌外侧孔隙水压力分布特点Fig.3 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 30 meters secondary lining

图4 40 m水头二次衬砌外侧孔隙水压力分布特点Fig.4 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 40 meters secondary lining

通过分析不同水头高度下二衬拱部背后孔隙水压力分布云图可得如下结论。

(1)环、纵向盲管可显著降低二次衬砌拱部水压力，环向盲管间距大小与孔隙水压力大小呈正比关系；地下水位在30、40、50、60 m 4种情况下，对应的孔隙水压力峰值都位于环向盲管中间的墙脚附近。

(2)仰拱区域未进行排水处理，因而仰拱部分的水压力较高。同样的4种水头条件下，仰拱部分孔隙水压力的峰值分别为277、349、429、500 kPa。

图5 50 m水头二次衬砌外侧孔隙水压力分布特点Fig.5 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 50 meters secondary lining

图6 60 m水头二次衬砌外侧孔隙水压力分布特点Fig.6 The distribution characteristics of water pressure in the outer pore of 60 meters secondary lining

3 盲管合理间距的确定

为确定环向排水盲管最优间距，研究了不同水头条件下二次衬砌拱部水压力和各盲管间距的关系，图7为二次衬砌拱部水压力沿隧道方向的变化情况。

图7 不同盲管间距下水压力沿隧道纵向分布特征Fig.7 Distribution characteristics of water pressure along the longitudinal direction of the tunnel with a distance of different blind pipe

(1)

(2)

基于以上分析获得不同工况下的平均水压力和平均减压系数，分别如表4和表5所示，并绘制出平均水压力和平均减压系数随盲管间距的变化曲线如图8和图9所示。

表4 平均水压力表Table 4 Average water pressure gauge table

表5 平均减压系数表Table 5 Table of average pressure relief coefficient

由图8和图9可知，在各盲管间距、4种水位情况下，平均水压力和平均减压系数沿隧道方向变化关系如下

图8 平均水压力曲线Fig.8 Average water pressure curve

图9 平均减压系数曲线Fig.9 Average pressure relief coefficient curve

基于各环向盲管间距和卸压效果的相关性讨论，结果表明排水盲管间距为5 m时对二次衬砌拱部卸压效果最好，但环向盲管对仰拱部分的削减作用不明显。

4 结论

结合豹狸岗工程实际，对隧道排水网络体系进行研究，分析了水头高度、环向盲管间距和排水网络卸压性能的相关性，得出如下结论。

(1)环向盲管可显著降低二衬上部背后的水压，但对仰拱部分水压力基本无影响。