藏区高速公路高压富水区隧道渗流场特性分析*

张 航,邹 蔚,杨文波,陈 渤,张文居,朱智勇,黄 涛

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041; 2.蜀道投资集团有限责任公司,四川 成都 610095; 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; 4.四川藏区高速公路有限责任公司,四川 成都 610047)

0 引言

为构建现代化高质量国家立体交通网,我国交通基础设施建设不断由东部向中西部延伸。西部山区地质条件极其复杂、地形陡峻、地下水系充沛、生态脆弱[1]。在强卸载、高地应力与地下水静、动压力耦合作用下,隧道施工中常遇渗漏水、突涌水等灾害,不仅威胁施工安全、造成隧道结构渗漏水、衬砌局部裂损破坏等问题,还会产生地下水位下降、地表沉降、生态环境退化等次生环境问题[2-3]。国内外学者从不同专业角度围绕隧道水灾问题做了大量研究[4-7],并提出注浆堵水、支护参数优化、控制层间排水、增设仰拱闭合支护等防治方法,但实际施工中渗漏水等问题依然棘手。地下水环境是以上诸多问题的根本诱因,所以研究不同水文地质条件下隧道渗流场分布与变化规律,是防控隧道水灾、保护地下水环境,研究高压富水地层隧道抗防水设计适用标准的关键。

目前以隧道渗流场为主体的研究常用方法有理论解析法[8-10]、实测法[11]、数值模拟法[12-13]。利用理论解析法求解隧道渗流场,能简洁清晰地得到隧道荷载与涌水量,而实际隧道渗流场求解十分复杂,因此利用现场监测结合数值模拟方法分析隧道围岩渗流场具有更广泛的适用性。已有研究在分析隧道渗流场时考虑的影响因素较单一,而实际地下隧道工程往往处于复杂的多项耦合环境。本研究以藏区汶马高速公路某隧道工程为例,基于流固耦合的计算原理,考虑地下水位和围岩透水性变化,研究隧道开挖的渗流场和应力场的变化规律,为同类工程提供借鉴与参考。

1 工程水文地质条件

隧址区内地下水丰富,主要为第四系松散层孔隙水和基岩孔隙裂隙水。其中,第四系松散孔隙水的主要来源是大气降水和地表水,且每年5—9月是隧址区的降水高峰期,全年降雨呈双峰型分布,峰值位于雨季开始和临近结束阶段。

基岩孔隙裂隙水赋存和运移于隧址区侏倭组构造及风化裂隙和砂岩孔隙中,由于场地内岩性不均,板岩、干枚岩的孔隙小、孔隙率低,基岩孔隙裂隙水主要赋存于砂岩孔隙裂隙中和基岩强风化带中,板岩、千枚岩则成为相对的隔水层,场地内基岩孔隙裂隙水具有层状特征,因此隧道开挖时会有基岩孔隙裂隙水出水不均现象。

2 数值计算模型及计算参数

2.1 数值模拟

计算中物理模型采用Mohr-Coulomb屈服准则,为了减小边界效用对计算模型产生过大影响,隧道模型计算区域取为在隧洞左、右4～5倍洞径长度,隧洞下侧取约5倍洞径,隧洞上侧土层取至距洞顶70m处,建立此模型范围取为120m×100m×100m,由于模型参数需设置渗透系数,则模拟土体、衬砌结构单位均采用实体单元。根据初步设计资料选取隧道断面,如图1所示。

图1 计算选取的隧道断面

常用渗流场分析模型有等效连续介质模型、不连续面网络渗流模型、孔隙裂隙混合介质模型。其中,等效连续介质模型将裂隙体等效为多孔介质,适用于经典孔隙介质渗流分析方法,使用和计算更简便,为工程中常用方法,所以本文采用等效连续介质模型。所建立计算模型如图2所示,模型的前后、左右及底部设为不透水边界,各工况水位线以上与隧道开挖边界设为透水边界。

图2 高压富水地层隧道计算模型

2.2 计算参数

隧道围岩物理力学参数由该隧道高压富水段隧址勘察试验资料结合工程经验类比确定,如表1所示。参考JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》,选择隧道物理力学参数如表2所示。

表2 隧道支护物理力学参数

为研究地下水位高度与围岩渗透性对高压富水隧道渗流场的影响,分别拟设了40m与60m 2个水位高度和2.82×10-6,5.64×10-7,2.82×10-73个围岩渗透系数以开展数值计算分析,具体工况如表3所示。

表3 计算工况

3 高压富水区隧道围岩渗流场特性分析

3.1 隧道围岩初始渗流场

岩土体的渗流场在未经施工扰动前处于平衡状态,不同的水位高度在相同的围岩渗透系数下表现出相似的初始平衡状态围岩孔隙水压分布规律,如图3所示。由图可明显看出隧道横截面研究范围内的初始孔隙水压呈水平分布。对比不同围岩渗透系数下的初始渗流场,地下水位相同的情况下围岩初始孔隙水压力基本一致,所以围岩的渗透性对围岩初始渗流场的分布影响不大,围岩的初始孔隙水压力由初始应力场与地下水位高度决定。

图3 围岩初始孔隙水压力(单位:Pa)

3.2 隧道开挖后渗流场

在隧道开挖后,破坏了原有土体的状态,改变了围岩的力学平衡状态,围岩应力发生重分布,在达到新平衡的过程中围岩会裂隙重新发育。与此同时,隧道开挖形成的临空面与围岩裂隙成为新的渗流通道,并导致孔隙压力改变。孔隙压力的变化反之又会影响应力场,最终二者达到一个动态平衡。

3.2.1渗流方向

各工况下渗流矢量图类似,最后开挖完成后岩体渗流方向矢量图如图4所示。

图4 开挖后渗流矢量图

由渗流矢量图可知,隧道开挖后主要渗流方向为从洞周向洞内渗流,越靠近洞内渗流越密集,渗透系数越高的这一现象越明显,发生的渗流越强烈。各工况渗流最密集的部位为拱底和拱脚。这是由于隧道开挖形成泄水井,而拱底即为泄水井底部,洞周围岩内部孔隙水形成渗流漏斗,地下水渗流后在拱底处汇集,导致此处渗流矢量更为密集。隧道开挖后,洞周产生的渗漏水会在拱底与拱脚处淤积,需合理设计排水措施,引排地下水。

3.2.2孔隙水压力变化

通过横向对比,不同水位高度的孔隙水压变化,得到不同水位下,隧道开挖后,围岩孔隙水压力变化规律,如图5所示。

图5 开挖后围岩孔隙水压力(单位:Pa)

对比可发现水位线越低,开挖扰动造成的渗流场变化程度越小,且进口段水压力变化幅度比出口段小。水位线越高,当岩体内部出现孔隙水压力为0的渗流界面时,涌入的水压力更大,造成孔隙水压力变化幅度增大,使得水位线更高的情况下渗流场变化幅度更大;同时,隧道进洞处由于先进行开挖和支护处理,减小了该截面的水压力,并使得该截面的渗流场与应力场的耦合作用发生时间更长,使其达到一个相对平稳的平衡状态,且随着隧道的不断开挖,向后延伸的隧道开挖截面,在自身相互耦合的同时,对前一截面的水压力进时释放,降低了作用在前一截面的孔隙水压力,降低了渗流场的变化波动。而隧道出洞处,开挖后耦合作用时间不足以使静力场和渗流场达到平衡状态。

围岩的渗透系数减小后孔隙水压力趋于不均匀分布,在拱顶和拱底处渗流强烈的区域出现零孔隙水压区域,在拱腰处出现高孔隙水压集中区域。渗透性较低的围岩中隧道开挖时洞周孔隙水压较难消散,隧道周围的地下水向洞内渗流,拱顶、拱底处孔隙水压迅速释放,拱腰处由于渗流量较小,故孔隙水压消散速度相对较慢,形成压力集中区。

3.3 衬砌外水压力分布

取模型中段,进尺20m处设置监测断面,监测衬砌拱腰处的外水压力。绘制各水位下不同渗透系数时外水压力值随施工开挖步的变化曲线,如图6所示。

图6 二衬外水压力时程曲线

同一渗透系数下,不同水头高度,二衬外水压力大小也不同。二衬所受外水压力大小随水头高度的增加而显著增大。由图6a,6b可知,当水头高度从40m增至60m时,二衬所受最大外水压力分别为0.48,0.69MPa,增长44%;由图6c,6d可知,二衬所受最大外水压力分别为0.80,1.11MPa,增长39%;由图6d,6e可知,二衬所受最大外水压力分别为0.95,1.05MPa,增长11%。这说明当水头高度的变化幅度一定时,围岩渗透系数越大,对水头高度变化越敏感,从而导致的二衬背后外水压力的增幅也越大。

不同渗透系数下衬砌外水压力随开挖变化规律相似,均呈现先增大后降低再增大最后趋于平稳的趋势。当隧道刚开挖时,监测断面处还未施作衬砌结构,此时监测点位处围岩孔隙水压处于较低水平,且各部位处外水压力相差不大,与静水压力值相当。后续隧道持续开挖,导致隧道周边渗流场发生改变,随着掌子面的临近,监测点位处各部位围岩内部孔隙水产生向掌子面渗流的趋势,导致水压持续增大。当隧道开挖至监测断面时,由于在监测断面形成临空面,导致各监测点的外水压力值陡降。后续随着衬砌结构的及时施作,以及另一临空面即掌子面的远离,监测断面处二衬背后外水压力再次呈增长趋势,且持续增长至稳定值后基本不再变化。

4 现场监测结果整理分析

为研究隧道在施工初期的渗流场演变规律,在断面里程ZK162+965处安装了水压力监测元件,安装位置为隧道初支与围岩接触处的拱顶以及左右拱肩、拱腰。监测结果如图7所示。由曲线可看出,隧道初支施作后外水压力迅速上升,右拱腰处水压力上升最快,最高达到288.58kPa;拱顶处的水压力上升最慢。10～20d后水压力变化趋势转为缓慢平稳上升,经过40～50d后,各处的水压力趋于平稳,120d时右拱腰处水压力依旧最高,为280.44kPa;其次为左拱腰,水压力为224.58kPa;而拱顶处最低,为69.15kPa。监测结果表明,隧道的外水压力分布呈现出不对称性,50d后衬砌外水压力几乎不再变化,渗流场已趋于稳定。

图7 隧道外水压力时程曲线

结合数值模拟结果进行对比,从二衬背后外水压力的分布规律看,现场监测结果表明,衬砌外水压力在监测断面非对称分布,二者出现差异的原因在于数值模拟所选模型是等效连续介质模型,将岩体裂隙的渗流平均到岩体中,但实际情况下隧道渗流场受地下水、节理、裂隙等因素影响。现场监测结果与数值模拟均表明,二衬承受水压最大部位为拱腰,拱顶和拱底所受外水压力水平较其他部位偏低,这与图6对应一致。故在隧道设计、施工中,应对拱腰处的结构受力和防水进行着重考虑。

5 防排水措施

1)根据超前预报针对不同地质情况采用全断面深孔预注浆、周边深孔预注浆与开挖后周边注浆的围岩注浆止水方案。

2)衬砌混凝土采用防水混凝土浇筑,在混凝土中添加密实微膨胀剂(如HEA防水剂、UEA及AEA膨胀剂等),以达到衬砌密实、防裂及防水目的,二次衬砌混凝土抗渗等级≥S8。

3)施工缝防水采用背贴式止水带和遇水膨胀止水条,两侧边墙纵向施工缝采用遇水膨胀止水条;沉降缝防水采用背贴式止水带和中埋式钢边橡胶止水带;抗震缝防水采用背贴式止水带和中埋式钢边橡胶止水带。

4)明洞采用“两布一膜”(无纺布+EVA防水板+无纺布),暗洞采用EVA防水板+无纺布。防水板采用热熔化双焊缝无钉铺挂。

5)隧道边墙及拱墙背后设置环向排水带,两侧边墙底背后各设置1道纵向排水管,路面基层下设置横向排水管,路面基层下设置横向及纵向塑料盲沟,隧道路面两侧设置7cm×8cm纵向开口式路侧排水浅槽,隧道中线路面下设置纵向矩形排水沟,车行、人行横通道边墙脚设纵向排水管。

6 结语

1)实际山体地下水渗流情况复杂,地下水分布受到水源补给情况、地形地貌、节理裂隙发育等情况影响。开挖前渗流场平衡,开挖后呈先降低后升高的变化趋势,所以在开挖与支护前做好充足的地下水防渗工作。

2)由于开挖隧道,围岩中出现了空室,在重力作用下,地下水在隧洞周边的渗流趋势加剧,同时由于隧道结构在重力和浮力的共同作用下,洞室下的地下水也会呈现向上渗流的趋势,隧道拱顶与拱底处的防水需重点考虑。

3)围岩孔隙水压力在拱腰附近较大,由渗流方向矢量图可知,渗流矢量由拱腰向拱顶和拱底发散,由此可得,围岩渗流较弱的区域在结构设计中需重点设防。

4)较高的围岩渗透系数会导致渗流过于剧烈,为避免地下水大量流失,隧道需采取注浆封堵与限量排放等措施。