强降雨条件下岩溶隧道衬砌背后水压力数值及新增排水系统分析

周焕星，刘少华，王珑，叶忠明 ，徐安、3，钱王苹

（1.杭州市交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310000；3.西南交通大学土木工程学院，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

我国正处在加快建设交通强国的紧要之年，江苏、浙江等多地公布交通强国建设试点实施方案，一大波投资千亿元级别的“超级工程”将加速推进。而江浙丘陵地带拥有许多典型的喀斯特地貌，正是岩溶发育十分发达的区域，工程建设必然会遭遇许多岩溶地质带来的问题。

如张国炎等[1]对岩溶地区洞湾隧道营运期间发生的渗漏水及涌水等病害进行了研究，分析了隧道产生病害的原因，并提出了打设泄水洞和扩建边水沟等措施来降低涌水对运营隧道的影响。西南交通大学邹育麟等[2]探讨了隧道渗漏水病害的特征、成灾机制，提出岩溶地区季节性富水运营隧道水害治理应该以排为主，封堵为辅。周卓等[3]以云南省某公路隧道穿过地质复杂的岩溶地带为例，对衬砌渗漏水原因进行了系统分析，给出了排水系统防堵塞处治建议。也有学者认识到排水系统堵塞将带来附加水压力引起的结构承载力问题，段海澎[4]等指出岩溶区隧道结晶堵管带来的附加水压可能是导致岩溶隧道出现渗漏水、衬砌开裂的根本原因。尚海松等[5]提出了通过增加衬砌强度来提高隧道极限水头是不科学且不经济的，必须通过排泄地下水以减小作用在衬砌上的水压力。马青等[6]研究了注浆圈厚度、注浆圈渗透性对隧道涌水量、衬砌水压力、结构安全性的影响规律。李延川等[7]采用FLAC3D有限差分软件分析了衬砌背后排水系统畅通性对隧道衬砌塑性区分布的影响，研究了不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力特征。

综合以上研究可以看出，对于岩溶隧道的附加水压力及带来的结构受力特性的变化等问题目前已有学者提出，但如何优化排水系统以减轻衬砌水压负担仍有待研究。鉴于此，本文依托在建的临建高速公路岩溶区隧道，通过FLAC3D数值仿真模拟，还原现场地质条件及具体工况，探究不同降水条件下岩溶隧道衬砌背后水压力特征，进一步探讨隧道排水系统优化方案，以期为岩溶区隧道设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

虎溪台隧道位于浙江省杭州市桐庐县，属于在建的临建高速公路，临建高速全长85.5km，共设置隧道30座，隧道总长达33.66km，占公路全长的近40%。虎溪台隧道为分离式双向四车道隧道，隧道右线里程为K63+285～K66+410长3125m，左线里程为ZK63+278～ZK66+390全长3112m，为特长隧道，最大埋深约为468.6m。虎溪台隧道围岩岩性以石英砂岩、泥质粉砂岩、灰岩为主，层状地层，岩层倾角较平缓，节理裂隙较发育，岩体完整性一般，隧道富水。

1.2 水文地质条件

本工程所经地段属渐西中山丘陵，溪沟纵横切割，造成水系流向复杂。地表水发育，大江小河多呈树枝状串联，均属钱塘江水系。干流主要有分水江、清诸溪。

图1 虎溪台隧道右线进口段纵断面图

图2 虎溪台隧道Ⅴ级围岩抗水压断面断面衬砌结构图

区内河流多为山区性河流，均属雨源型，河谷深切，峡谷众多，河床纵坡降大。河流水位、流量受大气降水的季节性变化影响显著，具有暴涨暴落的特点，最大流量常出。逐月递增，7月起逐月递减。区内洪峰流量大，流速较大，并携带大量砂砾，具有很强的冲刷力，对两岸及构筑物影响较大。施工预测涌水量值为3957m3/d。

1.3 溶腔发育状况

虎溪台隧道全段位于石炭系中统黄龙组灰岩内，岩溶发育。地表发育溶洞、溶蚀沟槽、岩溶洼地等。施工的5个钻孔均遇溶洞，呈串珠状发育，发育深度较大，以全充填溶洞为主。

目前已探明的大型溶腔有6处，与隧道相交于右线K65+372、K65+299和左线K65+240、K65+314，其中三处溶腔贯通至地表，但向地下排泄水的能力均较差。

以图3所示的左线ZK65+314溶腔为例，开挖方向左侧边墙处揭示一溶洞，开挖方向深度约12m，溶腔宽度约7.3m，溶腔顶位于起拱线上方7.6m，溶腔底距起拱线约10m。溶腔内多泥质填充物，为黏性土层，呈塑性，含水率较低，该溶腔可作为依托工程穿越的典型溶腔类型代表。

图3 左线ZK65+314溶腔示意图

图4 左线ZK65+314溶腔现场图

2 强降雨条件下岩溶隧道衬砌背后水压力数值仿真分析

2.1 模型建立及简化

本模型采用三维有限差分软件FLAC3D进行模拟[8-9]，为了简化计算，主要假定如下：

①隧道不同截面的埋深高度不同，根据地质勘察报告可知隧道大多为深埋隧道，地应力形式主要由构造应力形成。为了简化模型便于统一计算，隧道断面选取左线ZK65+314的溶腔断面，埋深70m，设置仰拱，注浆圈厚度为3.5m。模型左右边界为6倍隧道半径（36m），下部边界为3倍隧道半径，隧道纵向取30m。

Lumion，中文名称流明，是实时的3D可视化工具，没有建模功能，该软件开发年限较短(2010年11月)，但因其优势明显，迅速被园林规划设计、建筑设计等行业广为利用，主要优势是：渲染和场景创建时间极短，可节省大量时间和精力，拥有丰富的3D材质和模型，支持高分辨率视频和图像输出，可视化效果逼真，是对Google SketchUp软件的良好补充。

②模型采用了两种本构模型，初期支护与二次衬砌采用各向同性弹性材料模型，围岩采用摩尔-库仑材料模型，能体现出衬砌与岩体物理特性与变形特性。

③模型力学边界：四周水平约束，底面固定约束。渗流边界条件：根据不同工况，设置对应地下水面高度，固定四周孔压，边界能与外界发生液体交换。地下水渗流满足Darcy定律。

④溶腔实体建模，与隧道衬砌接触面宽度为3m，高度约为7m。根据依托工程项目前期不同溶腔位置对衬砌影响的研究，在相同水位下相同大小的溶腔，断面拱肩位置出现溶腔对结构的影响最不利，故本次模拟选取隧道右拱肩位置建立溶腔模型。建立的模型如下图5所示。

图5 三维仿真模型建模效果

2.2 参数选取

依据地勘资料，计算模型范围内围岩主要以灰岩为主，材料参数依据地勘与类似文献取值，支护结构的力学参数依据“等效刚度法”获得，依据“以管代孔”法等效模拟考虑衬砌的渗透系数，模型各结构的计算参数列于表1。

模型计算参数表 表1

根据现场地勘情况显示，在强降雨条件下岩溶发育地层将会出现地下水位骤升，同时参考相关研究案例成果[10]（暴雨后实测地层水位上升超过50m），设定本计算中因暴雨引发的地层水位最高点（距离初支拱顶）为50m。具体工况设置如下：工况1，枯水季节溶腔无积水，地下水位在隧道水平面以下；工况2，常态水位工况，雨后地下水位上升至拱顶上方10m；工况3，雨后岩溶区最大地下水位上升至30m；工况4，雨后最大地下水位上升至50m。各工况详见于表2。

本次模拟采用流固耦合的计算方法，即力学计算子步与渗流计算子步交替进行，较为真实地还原隧道开挖与运营期间渗流场的变化与对衬砌结构受力的影响。

2.3 衬砌背后的水压力分析

由于在隧道横断面上，衬砌不同位置水压力的变化基本按照水力梯度呈线性变化，故本文选取拱顶位置的孔隙水压力监测点数据为例。根据数值仿真结果，二衬背后拱顶位置孔隙水压力随地下水位的变化如表2所示。

工况及二衬拱顶孔隙水压力统计表 表2

由表中数据可知，拱顶孔隙水压力与地下水位高度呈正相关，并且在水位较低时渗流效应对衬砌孔隙水压力的折减效果明显。但随着水位增高后，即使排水系统顺畅，工作衬砌结构仍会承受较大的水压力。因此在实际工程中十分有必要关注强降雨时段，水压力骤升可能对衬砌结构带来的不利影响，提前采取防范措施。

2.4 基于衬砌水压分析的现场施工建议

在现场条件允许的情况下，对于较大的溶腔尽量进行超前支护及注浆回填，使围岩共同承担溶腔内骤增的水压，减小衬砌结构的负担。底层注浆亦有助于减小地下水排放的流量，实现限量排放或控制排放。

在隧道穿越岩溶区域的段落，建议以加强混凝土强度等级、增加混凝土厚度、提高结构配筋率等方式，提升衬砌的整体承载能力，即使围岩完整性较好的地层也应当考虑足够的安全储备，提高衬砌等级。

但盲目以增加衬砌强度方式来抵抗水压是不科学、不合理的，应合理结合防、排水系统将衬砌背后可能达到的静水压力压转化为渗流场，进而降低衬砌所承担的水压力。如在隧道上方揭露的较大溶腔内埋设排水管，将溶腔内积水尽快疏导至隧道的排水系统中。

建议通过增大管径、增设环向盲管与横向排水管等方式提升隧道排水能力，如岩溶发育发达的区域可以每10m～15m设置一组横向排水管，以减缓在强降雨条件下地层水位上升的速度。

3 现场施工方案

对岩溶水的治理应遵循“宜疏不宜堵”的原则，因此，根据实际情况对岩溶水采取“截、引、排”结合的处理措施。

①纵向矩形排水渠

经计算原有的D400钢筋混凝土中央排水管，坡度 0.5%，泄水能力为8270m2/d，小于预测的最大24544m2/d涌水量。由于揭示的溶洞距最近的出洞口距离1035m，根据岩溶水量的大小以及考虑施工、围护的可行性，采用在左侧行车道下方增设一道矩形排水沟来专门排除岩溶水。排水沟横断面布置详见下图。

图6 有仰拱段排水沟设置横断面图

图7 无仰拱段排水沟设置横断面图

考虑到溶洞的岩溶水含泥沙，因此适当加大排水沟断面，排水沟净宽1.2m，净高1.1m～1.25m，坡度同隧道纵坡。经计算，矩形排水沟的泄水能力为201573m2/d，远大于预测的最大涌水量，可以满足排水需求，富余的断面可以满足一定时间的泥沙淤积能力。

②沉砂池

自第一个溶腔打开，经过2～4个月的观察，大部分溶洞不间断出水，且岩溶水中含有一定比例的泥沙。为方便施工及后期运营，避免泥沙与岩溶结晶在排水渠内日益堆积，在左侧路面下设置沉沙池（见图8），右幅路面下仍为中央排水管及仰拱填充。沉沙池宽375cm，高139cm～207cm，横截面积为6.5m2。

图8 沉砂池设置横断面图

根据排水沟的水力计算，排水沟内平均流速为2.5m/s，若溶水排至隧道出洞口外的时间约7分钟。岩溶水中的泥沙在沉沙池、矩形排水沟及排出洞外的比例约2：2：6。

③检修池

为方便沉砂池的清淤工作，在较大溶洞位置以及沉砂池最低处均设置检修池，如图9所示。对侧壁检修池外侧及上方溶腔采用混凝土回填，再施作喷射混凝土和钢筋网初期支护等。

图9 检修池设置横断面图

溶洞水以排为主，堵排结合，检修池侧壁回填时预留泄水管，直通溶腔内部，将岩溶水引入检修池，尤其在雨季强降水条件下可以快速排空溶腔内积水，缓解隧道衬砌所受水压力骤升的情况。

④清淤频率计算

由于沉砂池与检修池需要根据地下水位及隧道涌水量变化及时调整清淤间隔，避免泥沙等沉积物过度堆积而影响排水效果，而浙江梅雨季节较长，故将需考虑的工况大致分为两种，即晴天-小雨时段和暴雨时段。

晴天-小雨时段清淤频率计算：

暴雨时段清淤频率计算：

4 结语

依托浙江临建高速虎溪台隧道灰岩岩溶区段案例，通过数值仿真分析，揭示了不同降雨条件下衬砌背后水压力与地下水位之间的关联，低水位下渗流场的存在能有效减少衬砌孔隙水压，但强降雨时段仍有较大水压力，证明了依托工程衬砌抗水压设计的必要性。

基于工程实际，提出了“截、引、排”结合的处理措施，建议依托工程在提高衬砌强度、溶腔注浆回填的同时，在岩溶发育区段增设横向排水管加大管径、溶腔内埋设排水管提高排水系统的排水能力，将静水压力场转化为渗流场，并减缓强降雨时地下水位上升速度。

整理了依托工程现场采取的排水系统优化方案，阐释了新增纵向排水渠、沉砂池以及检修井的作用，并通过理论计算确定了新增排水系统的最大排水能力以及晴雨期沉沙池清淤周期。