深埋隧洞高外水压力研究进展

黄 威 孙 云 张建平 王耘梓 张延杰 徐卫亚

(1.河海大学 岩土工程科学研究所, 南京 210098;2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;3.云南省滇中引水工程有限公司, 昆明 650051)

深埋隧洞岩体赋存条件极为复杂,常面临高外水压力、高温、高地应力等多种问题,在地下水位较高的深埋隧洞工程中,高外水压力问题更为突出,对于隧洞的稳定性和安全性产生不可忽视的影响.深埋隧洞指埋深大于300 m 的隧洞,20世纪50-70年代,我国隧洞工程施工方法多采用钻爆法,遇到的主要为浅埋隧洞问题;20世纪70-80年代,隧洞施工采用了“长洞短打”的钻爆法,隧洞长度和埋深都有一定提升;20世纪80年代末至21世纪初,随着先进的勘测设计、施工管理技术及TBM 的引入,我国深埋隧洞发展进入新阶段;进入21世纪以来,随着我国复杂地质条件道路隧道、跨流域调水工程及水电工程建设,深埋隧洞工程发展迅速,在城市交通、水利和能源等领域发挥重要作用,深埋隧洞施工建设难度达到了世界最高水平[1].深埋隧洞面临着更高的地应力及更高的地下水水头,衬砌无法完全承受地下水水头带来的水压,因此高外水压力问题在深埋隧洞中更加显著,如锦屏二级引水隧洞实测水压力超过10 MPa[2-5],严重威胁衬砌的安全.在挪威的海底隧道建设过程中,外水压力高、充足的水源及勘探工作中难以避免的不确定性也使得高外水压力问题更加严重[6].

外水压力指作用于衬砌外壁上的水压力,其大小主要取决于地下水位,外水压力示意图如图1所示.外水压力的本质是在围岩中的渗透水作用在衬砌上的体积力,当衬砌与围岩间存在间隙时,可用衬砌外缘的水压力替代作用于衬砌上的渗流体积力,此时衬砌外缘的水压力称之为外水压力.

张有天等[7-9]在20世纪80年代初提出了隧洞设计三原则:1)隧洞的外水荷载是作用于地下水位以下整个空间的渗流场力;2)应按渗流荷载增量理论分析隧洞应力;3)衬砌与围岩有条件地联合作用.目前国内外对外水压力的分析处理,主要有两类方法:第一种方法视外水压力为作用于衬砌外缘的面力,此方法概念简单,易于分析计算;第二种方法视外水压力为渗透体积力,采用渗流场理论进行分析,进一步使用数值模拟计算外水压力,根据衬砌及围岩内渗流特性计算渗流场,然后确定在渗流场作用下的衬砌应力.

深埋隧洞外水压力问题仍存在巨大挑战,使用折减系数法进行高地下水水头隧洞外水压力计算时,即使采用较小的折减系数值,仍会得到相当高的水压力.这样的高外水压力给衬砌设计带来了困难,难以满足工程要求,同时也增加了工程的施工成本和施工难度.本文对外水压力计算方法进行了综述,并对外水压力模型试验以及深埋隧洞的渗控措施进行了归纳和总结,进一步提出深埋隧洞外水压力问题中需要关注的研究方向,为深埋隧洞工程中的外水压力问题提供更加深入的理解和解决方案,进一步提升工程的安全性和可靠性.

1 典型工程案例

为应对深埋隧洞外水压力问题,许多工程项目在实际施工过程中采取了多种措施和技术手段以降低外水压力对隧洞的影响.表1为国内外部分工程外水压力统计表,可以看出,随着隧洞埋深增加,外水压力普遍呈现上升趋势.这一结论表明,埋深大的隧洞普遍面临更高的外水压力,这对于隧洞工程的设计、施工和渗控措施的选择都带来了更大的挑战.本文将通过分析典型的高外水压力工程案例,探讨这些工程在应对高外水压力方面的方法和经验,为深埋隧洞工程的外水压力管理提供有益的借鉴.

1)锦屏二级水电站引水隧洞

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州雅砻江干流上,利用大河湾天然落差截弯取直通过隧洞引水发电,总装机容量4 800 MW,引水隧洞共4条,隧洞上覆岩体埋深1 500～2 000 m,最大埋深达到2 525 m.长探洞实测最大外水压力达到10.22 MPa,施工过程中的高压涌水造成工程多次停工及重大经济损失,钢筋混凝土无法承受10 MPa的外水压力,而深埋隧洞的排水措施存在降低地下水位的可能性,因此锦屏二级水电站引水隧洞采取了以堵为主,堵排结合的渗控措施,灌浆压力达到了10 MPa,同时布置了排水孔对外水压力进行控制[2-5].

2)滇中引水工程松林隧洞

滇中引水工程昆明段松林隧洞,隧洞埋深200～400 m,最大埋深606 m,开挖至桩号SLT1+836时,右边墙至顶拱开挖揭露一条宽约1.0～2.0 m、高大于10 m,向右侧狭长延伸大于15 m 的宽缝,大量地下水由宽缝涌出,工程现场如图2所示,隧洞涌水量超过40 000 m3/d,实测外水压力1.5 MPa,最大外水压力为2.0～2.5 MPa.原设计断面只能满足外水水头50 m 工况,同时隧洞存在袭夺泉水点及水井风险,隧洞渗控措施采取了动态调整,通过固结灌浆和排水措施降低外水压力,对衬砌结构进行复核,结合外水压力实测情况改变衬砌结构设计以满足工程需求.

图2 滇中引水工程昆明段松林隧洞SLT1+826洞段突发高外水问题

3)滇中引水工程芹河隧洞

滇中引水工程大理段芹河隧洞埋深150～450 m,最大埋深458 m,发育芹河—北衙岩溶水系统,系统内北衙组灰岩为强富水地层.隧洞主要问题在于穿越软岩和强富水岩溶、断层地层段及穿过承压含水层,桩号DLI85+020洞段初次支护后钢拱架变形达到60～100 cm,针对钢拱架变形及衬砌破裂问题采取了换拱的措施,隧洞变形情况如图3 所示.芹河隧洞3号支洞与4号支洞间岩体存在承压结构,上部古泥石流为隔水层,承压含水层被断层剪切并被挤压向上移动,地表深孔测得地下水头高于地表近50 m,在开挖至承压含水层过程中出现高水压,涌水量超过10 000 m3/d[10].

图3 滇中引水工程大理段芹河隧洞4号支洞软岩大变形导致钢拱架变形

4)日本青函隧道

青函铁路隧道位于日本津轻海峡,是世界上最长的海底隧道.隧道全长53.85 km,其中有23.3 km 位于津轻海峡底部,最深处位于海平面以下240 m,隧道承受240 m 水头压力.青函隧道在施工过程中进行了地层加固以及止水注浆,但仍有10 m3/min 的涌水.为保证隧道的安全运行采取了一系列测试手段,试制抗海水性的防水修补材料新产品,对止水注浆材料进行化学分析,对回填材料中劣化的加气砂浆进行调查及维修[11].

2 外水压力计算

在工程中外水压力是隧洞的稳定性的重要影响因素,因此工程设计阶段需要确定外水压力大小,目前国内外学者主要采用折减系数法、理论解析法和数值解析法推求作用在衬砌上的外水压力.

2.1 折减系数法

对于水文地质条件及工程地质条件较简单的隧洞,可根据《水工隧洞设计规范》SL 279—2016[12]采用折减系数法估算外水压力,计算方法见式(1).

式中:pe为外水压力(k N/m2);βe为外水压力折减系数;γw为水的容重(k N/m3);He为地下水位线至隧洞中心的作用水头(m).

混凝土衬砌隧洞,根据围岩地下水活动情况和地下水对围岩稳定的影响按表2选取外水压力折减系数.对于施作排水设施的水工隧洞,可根据排水结构效果对外水压力进行折减,折减值可通过工程类比或渗流计算分析确定.

表2 《水工隧洞设计规范》规定的外水压力折减系数[12]

对于岩溶地区,邹成杰[13]采用经验类比法,依据围岩岩溶发育程度确定外水压力折减系数(β),取值见表3.

表3 按岩溶发育程度确定的外水压力折减系数[13]

根据东北勘测设计院有关成果[13],按围岩的渗透系数(KR)和混凝土衬砌渗透系数(KS)比值也可确定隧洞折减系数(β),取值见表4.

表4 按围岩渗透系数和混凝土衬砌渗透系数比值确定的外水压力折减系数[13]

对于工程地质和衬砌结构复杂的情况以及外水压力较大的隧洞,应进行专门研究.例如,在长时间大降雨情况下或隧洞穿越河谷或沟谷底部时,折减系数可能大于1.当隧洞一侧为河谷,一侧为山体时,降水从山体向河谷排泄,此时折减系数接近1.位于山脊下或横穿山体的隧洞在山脊处地下水位最高,折减系数可取0.5～0.8;隧洞穿过孤立山体时,降雨呈轴射状渗入,水流能量消耗大,折减系数取0.3～0.6;对于岩溶发育的岩体,张有天认为岩体中复杂的岩溶管道及暗河体系可以起到排水作用,折减系数取0.1～0.5[9];董国贤[14]则认为在岩溶发育地区隧洞易出现大量涌水,折减系数应取0.8～1.0;对此应根据隧洞与岩溶发育位置确定岩溶对于隧洞的排水作用及储水作用综合考虑选取折减系数.

刘立鹏等[15]考虑灌浆圈、衬砌渗透系数及灌浆圈厚度等参数对隧洞外水压力的影响,提出了不同衬砌类型外水压力折减系数取值所应注意的问题及相应的取值方法.顾伟等[16]根据流体力学原理,建立隧洞排水系统模型,推导得到复合衬砌外水压力的解析解,并提出了一种二衬外水压力折减的新方法.

目前工程设计大多采用折减系数法进行外水压力估算,但折减系数法为经验或半经验性的计算方法,受地质勘探结果等的不确定性影响,在出现断层破碎带等情况下易产生较大误差.

2.2 理论解析法

理论解析法通常作以下假设:①围岩为各向同性均匀连续介质,且含水介质及流体不可压缩;②远场地下水补给充分,地下水面不随隧道排水而降低;③围岩渗流处于稳定层流状态,且服从Darcy定律.在此基础上通过渗流理论即可推导出作用在衬砌上的外水压力[17-20],外水压力计算如图4所示,其中:kl为衬砌渗透系数;km为围岩渗透系数;kg为注浆圈渗透系数;r为研究点的极距;r0为衬砌内径;rl为衬砌外径;rg为注浆圈外径;h为水力势;H为远场水力势.

图4 轴对称隧洞简化计算示意图

在衬砌范围(r=r0～rl)内,有Q/2πr=kldhl/dr,考虑边界条件在r=r0处,hl=0,可得出

在注浆范围(r=rl～rg) 内,有Q/2πr=kgdhg/dr,考虑边界条件在r=rg处,hg=h'g,可得出

在围岩范围(r=rg～H)内,有Q/2πr=kmdhm/dr,考虑边界条件在r=H处,hm=H,可得出

在灌浆圈与围岩边界处,即r=rg处,hg=hm,将式带入式可得灌浆圈内水力势为

同理,在衬砌与灌浆圈边界处,即r=rl处,hl=hg,可得流量为

在r=rl处,考虑H远大于rl,衬砌后的孔隙水压力为

通过理论解析法,可以得到以下规律:衬砌渗透系数越小,作用于衬砌上的外水压力越高;围岩渗透系数越大,作用于衬砌上的外水压力越高;固结灌浆圈渗透系数越大,作用于衬砌上的外水压力越高;固结灌浆圈厚度越小,作用于衬砌上的外水压力越高;若衬砌不排水,则固结灌浆圈不会降低外水压力,外水压力等同于衬砌距地下水位的水头[21].

Bobet等[22-24]基于相对刚度法对小变形情况下隧洞衬砌受力进行了系统推导,并在计算中考虑体外排水[25]、补水断层[26]等因素对于渗流场分布的影响,计算得到了外水压力的大小.在日本青函隧道水压力的设计计算中,根据达西定律推导出作用于衬砌及注浆圈内的孔隙水压力[27].对于非圆形隧洞,可采用等效半径的概念将隧洞断面尺寸转化为圆形隧洞尺寸进行计算[28].戚海棠等[29]基于井流理论,采用了水-岩分算方法,将外部水压力视为岩体受到的边界力,并采用作用系数法对水头压力进行修正.

2.3 数值分析法

在围岩稳定性的数学分析方法中,解析法可用于地质条件简单的隧洞,然而在实际工程中通常有复杂的低质构造及不同的岩石岩性等情况,此时用数值法求解更为高效准确.

在外水压力数值解析法中,有限元法运用最为广泛,其优点是可以考虑岩体的非均质和不连续性,通过数值计算得到岩体应力、变形及渗流场的大小和分布,可以进一步分析隧洞的变形破坏机制.张继勋等[30]为研究获取合理的灌浆圈深度和渗透系数降低的数量级,对不同灌浆圈深度、不同渗透系数进行组合,通过有限元方法获得了隧洞外水压力分布规律.伍国军等[31]基于多孔介质有效应力原理,得到了改进后的饱和岩体孔隙率、渗透系数的动态演化模型,通过考虑渗透性动态演化的数值计算方法对引水隧洞稳定性进行了研究.Liu等[32-33]在考虑隧洞渗流场时基于岩体完整性和渗透性及裂隙的发育程度,采用了等效连续介质-裂隙网络耦合渗流模型对隧洞渗流场进行了数值模拟,得到了隧洞外水压力,验证了现有排水体系的合理性.对于非圆形隧洞,在解析解中通常采用等效半径进行计算,而在数值计算中,可直接建立隧洞断面模型分析隧洞周边渗流场及外水压力,同时可对等效半径方法进行验证[34].Shin 等[35]通过有限元计算分析了外水压力对衬砌受力的影响,考虑到隧洞排水条件恶化时衬砌的受力变化,提出了衬砌外水压力荷载计算设计曲线.Arjnoi等[36]对曼谷蓝线南延线地铁隧道进行了有限元分析,分析了不同排水条件下外水压力分布、渗流场分布及衬砌受力,认为双隧道采用全排水措施最大压应力可降低30%,最大拉应力可降低55%.

有限元法分析成果的可靠性主要取决于以下两个条件:一是地质条件模拟准确,包括岩体的岩性分界、断层以及节理裂隙的分布规律;二是岩体参数描述准确,包括在复杂应力和渗流条件下的变形、强度、渗流特性以及破坏规律[37].在实际施工时,由于地下硐室的开挖所出现超挖、欠挖等作用,围岩与隧洞支护之间会出现很多贯通和半贯通的空隙,有时甚至会在衬砌外缘形成一个渗水通道,对衬砌结构受力产生不利影响[38].因此,在数值解析法中,围岩与隧洞间的接触关系对外水压力的计算至关重要,当不考虑围岩与衬砌之间的接触关系时,会夸大衬砌结构承担外压的能力.考虑围岩与衬砌之间的接触关系时,围岩与衬砌不是一个整体,不能给衬砌提供拉力,而不考虑围岩与衬砌之间的接触关系,围岩可以分担一部分外压,得到的安全系数较实际情况高[21].

在岩体较为破碎的情况下也可采用颗粒流法进行分析,倪小东等[39]结合颗粒流法与流体动力学数值模拟的有限体积法,模拟了储水断层隧洞开挖引起的渗透破坏现象,能够反映开挖过程中微裂隙的扩展及渗透张量的变化.

3 外水压力物理模型试验

模型试验是地下工程围岩稳定性问题的研究的重要方法,模型试验能否反映工程实际情况的关键在于模型与实际工程的相似性.在进行外水压力理论计算时,通常会对工程条件进行一定简化和假定,且分析中所用参数的精度和可靠度有限,因此理论分析结果与工程实际状况可能存在一定偏差.针对理论分析中存在的缺陷和不足,模型试验研究可以很好的补充理论计算成果,验证理论计算得到的外水压力.

3.1 相似理论

由于无法实现完全同比例的模型,因此需要考虑流固耦合情况下的材料相似比.为了实现试验的相似性,可以将试验相似材料视为均匀连续介质,并采用流固耦合数学模型推导流固耦合的相似理论[40-45],其流固耦合方程可由以下公式表示:

式中:Kx、Ky和Kz分别为3个坐标方向的渗透系数;p为水压力;S为储水系数;e为体积应变;W为源汇项.

平衡方程为

式中:CG为剪切弹性模量相似比尺;Cu为位移相似比尺;Cl为几何模型尺寸相似比尺;Cλ为拉梅常数相似比尺;Cγ为容重相似比尺;Ce为体积应变相似比尺;Cρ为密度相似比尺;Ct为时间相似比尺.

3.2 相似材料选取

相似材料的选取是物理模型试验的关键,只有在相似材料关键参数满足相似关系时模型试验结果才能反映工程现场情况.然而实际试验中相似材料往往难以完全满足相似原理,在深埋隧洞外水压力试验中,研究对象为外水压力大小、岩体应力应变特征及渗流场分布等,因此相似材料的密度、弹性模量及渗透系数应优先满足相似关系,而其他参数可以适当放宽限制以提升试验的可行性.

在外水压力模型试验中,通常选取砂、滑石粉等材料作为骨料,水泥、凡士林、硅油等材料作为胶结剂,通过夯实、浇筑等方式制作相似材料,部分学者在模型试验中采用的相似材料成分及主要材料参数见表5.

表5 外水压力模型试验相似材料成分及参数

李利平[41]通过大量试验发现,在相似材料中,通过调节某一材料的含量可以改变材料的特性.例如,增加石蜡含量可以提高材料的弹性模量和抗压强度.然而,当石蜡含量超过7%后,进一步增加石蜡含量并不能显著提高材料的弹性模量和抗压强度.增加砂的含量可以增强材料的摩擦力,从而提高材料的弹性模量.滑石粉的添加可以提升材料的密实度.如果增加砂的含量而相对降低滑石粉含量,则会降低材料的抗压强度.此外,石蜡含量越高,材料的渗透系数会降低.最后,材料的成型温度也会影响材料的强度和弹性模量,成型温度越高,材料的强度和弹性模量越高.

3.3 外水压力影响因素

外水压力大小和分布受到多种因素的影响,这些影响因素包括但不限于地下水位、围岩渗透性、地质构造、地下水流动速度等.厘清这些影响因素对外水压力的影响程度,对于设计合理的渗控措施和确保隧洞工程的稳定和安全具有重要意义.在试验中,可以设定不同的地下水位条件、调整围岩渗透性、模拟特定的地质构造等,并通过试验结果对比分析,各个影响因素的作用程度,确定对外水压力具有主导影响的因素,从而为制定有效的渗控措施提供科学依据.

深埋隧洞渗流场分布是高外水压力模型试验的重要研究目标,通过模型试验研究不同因素对渗流场分布的影响,可准确地评估影响因素的重要性,确定必要的渗控措施.高新强等[48]以圆梁山隧道毛坝向斜高水压地段为工程背景开展高外水压力模型试验,模型试验结果表明,隧洞开挖后渗压等值线以隧洞为中心呈圆形分布,即靠近隧洞处渗压较低,灌浆圈处等值线较密,表明渗压在灌浆圈处明显降低,衬砌处外水压力也会因灌浆圈的施作明显减小.相懋龙等[49-50]基于3D 打印技术建立了高铁隧道及排水结构模型,研究了在不同排水涉及程度和排水管堵塞情况下衬砌外水压力的分布.在0～0.8 m 管径工况下,随着管径增加,深埋水沟的排水量明显增加.衬砌水压的分布形式从原先的“扇贝型”,即隧底最大、拱顶和拱腰次之、墙脚最小的分布逐渐转变为“桃型”,底部结构从整体显著隆起逐步转为轻微沉降状态;在排水管堵塞后,水压分布如图5所示,结构的外水压力逐渐从“扇贝型”分布转变为“静水压型”分布.

图5 高铁隧道60 m 水头下排水管堵塞后水压分布[50]

外水压力影响因素及排水措施对隧洞外水压力的影响研究有助于深入了解外水压力的成因和变化规律.于丽等[46]采用大型隧道渗流模拟试验系统,分析围岩渗流场分布和隧道外水压力的影响因素.研究结果表明,围岩渗透影响范围与围岩渗透系数和隧道排水率呈正相关关系,渗透系数对于围岩渗透影响范围的影响较大,并得到了隧道外水压力的计算公式.丁浩等[51]通过相似模型试验研究公路隧道的外水压力问题,分析了水头高度、围岩渗透系数、隧道排水量等因素对外水压力折减系数的影响,研究结果表明,水头高度越高、围岩渗透系数及排水量越低,外水压力折减系数越小,且在进行相似类比时,水头的高度的相似应采用平方关系.

3.4 衬砌受力及隧洞稳定性

灌浆及排水措施的施作决定了外水压力的大小及渗流场分布,而外水压力又影响了衬砌的受力.外水压力作用于衬砌上,外水压力过高引起的衬砌开裂严重影响工程安全,因此高外水压力条件下衬砌的受力特征是外水压力模型试验研究的重点.Fang等[52-53]设计了非圆形隧道外水压力试验系统,研究了外水压力对非圆形隧道衬砌的受力情况.试验结果表明,较低的外水压力可以降低隧洞偏心受压情况,而更高的外水压力会导致隧道边墙衬砌开裂,降低隧洞的稳定性.在外水压力条件下,衬砌与围岩之间的空腔也会一定程度上降低衬砌的承载能力.凌永玉等[54]通过物理模型试验对水工隧洞承压过程中围岩与衬砌联合受力变化等问题进行了研究,研究结果表明,水工隧洞衬砌在承受外水压力作用时,衬砌环向和径向始终处于受压状态.随着外水压力的增加,隧洞衬砌各位置的压应力也相应增加.在1 MPa外水压力条件下,衬砌最大环向应力达到-3.894 MPa.李璐等[55]利用大型组合式三维均匀梯度加载试验系统,开展了高地应力、高外水压力作用下深埋隧洞三维地质力学模型试验,通过多个千斤顶施加竖直地应力及水平地应力,利用3层超弹力乳胶管进行渗流梯度模拟,研究在地应力、外水压力超载条件下两相邻隧洞开裂破坏过程,在加载至1.3倍地应力情况下,隧洞出现裂纹张开和部分大面积脱落现象,但未出现裂纹大面积贯通.研究指出,在高地应力和高外水压力条件下,该工程中相邻隧洞开挖的影响范围小于1倍洞径的范围内,验证了隧洞间距选取的合理性.

4 深埋隧洞渗控措施研究

4.1 深埋隧洞渗控问题

渗控措施作为解决深埋隧洞外水压力问题的重要手段,对于保障隧洞工程的稳定和安全具有不可替代的作用.然而,在实践中,渗控措施面临着一系列复杂而具有挑战性的问题.

1)地质条件复杂.深埋隧洞岩体赋存条件复杂,不同的地质条件如岩层渗透性、地下水位、断层破碎带等因素会导致外水压力的变化,使得渗控措施的选择和设计必须充分考虑地质特征的多样性.

2)环境保护问题.在采取排水措施降低外水压力时,还需考虑排水措施对生态环境的影响,但过量排水会导致地下水位降低,袭夺泉水点及水井,影响民众生活并造成经济损失[56-57].

3)渗控技术难度.采取有效的渗控措施需要具备相应的技术和工程能力,包括工程设计、施工技术和监测手段等方面的要求.

4)经济成本.渗控措施在降低外水压力的同时可能会导致较高的经济成本,包括设备投资、施工费用和维护费用等,选取渗控措施方案时应在效果和成本之间进行平衡考虑.

5)可持续性.深埋隧洞全生命周期一般为50年甚至100年,渗控措施应具有一定的可持续性及可维护性,保证隧洞工程全生命周期的稳定和安全.

面对这些挑战,科学合理地选择和实施渗控措施,采用综合性的工程管理和监测手段,以及持续改进和创新是确保渗控措施能够有效解决外水压力问题、确保深埋隧洞工程的稳定和安全的关键.只有通过克服各种挑战,才能确保渗控措施在实际工程中取得可靠且持久的效果.

4.2 深埋隧洞渗控措施

对工程设计来说,外水压力研究主要集中在两个方面:确定外水压力的大小以及如何降低外水压力以确保围岩的稳定性.为了减小外水压力,通常存在两种观点:一种是采用堵的方法,通过减少固结灌浆圈和衬砌的渗透性,将外水压力隔离在固结灌浆圈之外,或者增强衬砌材料的强度,使其能够承受外水压力;另一种是采用排的方法,将水引入隧洞中并排出,可采取透水衬砌、排水孔、排水洞等措施来实现[21].

4.2.1 堵水措施

围岩承载设计思想的原理是通过支护控制围岩在开挖过程中发生的应力重分布,以围岩为主体,围岩-支护共同承载开挖引起的应力变化[5],对此,可以采用固结灌浆的方式提高围岩的承载能力,同时固结灌浆可以封堵围岩中的裂隙,增强围岩的抗渗能力.李林毅等[25]推导了考虑注浆圈作用的体外排水隧道涌水量及结构外水压力解析解,理论解析结果表明,增大围岩渗透比值可以显著降低涌水量,但同时会增加结构的外水压力;增加注浆圈厚度可以加强对底部外水压力的控制效果.

衬砌本身也具有一定承受外水压力的能力,若衬砌结构满足要求,改善衬砌设计使其足以承受外水压力可显著加快工程进度、降低工程造价.丁浩等[58]研究了衬砌在外水压力作用下的力学响应,发现衬砌的边墙和底板存在明显的应力集中现象.为了优化衬砌设计,引入了下半断面矢跨比的概念,增大半断面矢跨比是衬砌优化的主要策略.在高外水压力条件下,隧洞长期服役过程中灌浆圈的力学性能逐渐劣化是影响高外水隧洞长效服役的主要因素之一.徐磊等[59]基于饱和多孔介质有效应力原理,综合考虑围岩、灌浆圈和衬砌混凝土的动态演化和时变劣化,提出了渗流-应力-损伤-劣化耦合模型,分析结果表明,随着时间的推移,灌浆圈的力学性能逐渐劣化,塑性屈服区会从自开挖边界逐渐向深部扩展,导致衬砌压损程度增加,并可能引发混凝土衬砌的压溃现象,从而导致高外水隧洞结构体系的稳定性和安全性下降.

4.2.2 排水措施

若隧洞埋深较大、地下水面线高,工程则面临高外水、高涌水量等问题,此时通过堵的方式难以保证隧洞安全[60],通常需要结合透水衬砌、排水孔等措施降低外水压力.傅睿智等[47]开展了不同高水头环境下复合衬砌堵水与排水系统对衬砌上水压力的影响规律研究,结果表明:在全封堵情况下,衬砌上水头高度与地下水位高度相同,外水压力折减系数为1,而对于具有排水能力的衬砌结构,灌浆层厚度的增加或灌浆层的渗透系数的减小可明显降低外水压力大小,根据试验数据给出了不同排水面积占比时的外水压力折减系数.还有许多学者进行了排水方案的优化[61-62]以改善渗流场分布,降低衬砌外水压力,提高隧洞施工期及运行期的安全性.Yan等[63-65]研究了衬砌排水孔布置对于外水压力及渗流场的影响,提出衬砌排水孔的孔压消散效果在孔左右15°范围内,因此排水孔的布置在15°～30°范围内时可有效降低外水压力.排水孔对于降低衬砌外水压力有明显效果,但降压范围较小,可在衬砌与围岩间采用毛细排水带等汇水材料,扩大排水孔降压范围[66].

4.2.3 锦屏二级水电站渗控实例

以锦屏二级水电站为例进行外水压力渗控分析,锦屏二级水电站覆盖层达2 525 m,最大主应力接近50 MPa,最大外水压力超过10 MPa,掘进过程中的高地应力和高外水压力问题导致了多次停工及重大经济损失.若采用全封堵式的衬砌支护方式,则衬砌将完全承担地应力、外水压力,高地应力、高外水压力及变动的内水压力对衬砌要求高,在工程建设过程中经济性也较差,因此在深埋隧洞中全封堵式衬砌结构的可行性较低,而过高的排水量会降低隧洞区域的地下水位影响隧洞区域的生态环境.任旭华等[1]针对锦屏二级水电站隧洞进行了多种渗控措施计算方案的求解,考虑工程对地下水环境的影响,提出了最优渗控方案,采取“以堵为主、堵排结合”的渗控设计原则,在预注浆基础上采取高压注浆的方式充填岩体孔隙,降低围岩渗透率,利用围岩灌浆圈与衬砌联合承载,保证隧洞安全稳定的基础上,有效降低工程施工难度.

5 研究展望

目前,对于隧洞高外水压力的研究主要集中于计算方法及模型试验方面,高外水压力计算方法主要为折减系数法、解析法和数值法,主要研究了围岩、灌浆圈、衬砌的渗透率等参数对于外水压力的影响,模型试验则主要研究外水压力大小、围岩及衬砌参数等对于隧洞稳定性的影响.通过梳理和分析近年来深埋隧洞高外水压力相关成果,展望需进一步研究的几个问题:

1)对复杂地质条件下深埋隧洞岩溶导水构造进行划分,明确地下水流动形式.岩溶地区的介质通常包括裂隙、溶隙和管道介质,在孔径较小的裂隙、溶隙中,水流通常以层流形式流动,而在岩溶含水层的主要通道中,流动通常表现为紊流,水流流动状态会对隧洞工程的水文地质特征、结构稳定性及维护需求产生不同的影响.因此,在研究深埋隧洞高外水问题时,首先需确定该隧洞工程的导水构造,并划分地下水流动形式,以更好地理解和解释隧洞的水文地质特征.

2)考虑隧洞周围的水文地质结构和地下水动力特征,建立水文地质结构模型.有助于深入理解隧洞周围的水文地质过程,通过分析和模拟水文地质结构和地下水动力特征,可以揭示隧洞周围的水文地质现象和机制,如地下水补给和排泄路径、水文地质参数的空间分布等,为制定科学合理的渗控措施和应对策略提供基础.

3)建立深埋隧洞的水文地质观测体系.基于水文地质结构模型,进行更大范围的水文地质观测;借助地表深孔监测不同岩层的水压力,研究不同岩层间的水力联系特征,并探究地下水动力机制,为深埋隧洞外水压力大小的选取提供更可靠的依据,通过收集更多的水文地质数据来验证和完善水文地质结构模型,进一步提高模型的准确性和可靠性.

4)根据工程现场实际观测结果并结合地质条件,建立针对深埋隧洞外水压力的岩体分类.在深埋隧洞工程中,岩体的渗流和力学特性通常存在差异.综合考虑工程现场的实际观测结果,结合地质条件建立针对深埋隧洞外水压力的岩体分类,可以更好地理解和解释深埋隧洞的水文地质结构.

5)引入岩体参数场描述隧洞岩体的水文地质结构模型.根据工程现场勘察结果,不同位置岩体在渗流和力学特性上存在差异,但整体上呈现一定的规律性.通过引入岩体参数场,使得岩体的渗流和力学特性在整体上呈现出一定的趋势性,并在局部上具有随机性,可更准确描述隧洞岩体的水文地质结构模型.

6)开展深埋长隧洞围岩-灌浆圈-衬砌支护结构与外水压力的相互作用机理研究.在实际工程中,围岩、灌浆圈和衬砌支护结构与外水压力相互影响.外水压力变化会改变围岩-灌浆圈-衬砌支护结构的应力和渗流状态,而围岩、灌浆圈和衬砌支护结构也会影响外水压力及围岩渗流场分布.通过深入研究围岩-灌浆圈-衬砌支护结构与外水压力的相互作用机理,可揭示深埋长隧洞施工期堵排措施与地下水的交互影响机理,并优化深埋隧洞的渗控技术和堵排方案.

7)在渗控措施的选择过程中,综合考虑排水对生态环境、周围水体和地下水环境的影响.隧洞排水可能导致地下水位下降,进而对周围地下水资源和相关生态系统产生影响.此外,排水也可能直接或间接地进入地表水库和河渠水体,改变水文特性,对水质和水量产生影响.因此,应建立深埋隧洞的水文地质观测体系以深入理解隧洞排水对地下水位和地表水体的影响机制,制定有效的渗控策略,以保护水生态系统的健康发展.

8)加强深埋隧洞工程施工期及运行期的外水压力监测系统,并基于数字孪生技术建立智能化、数字化的外水压力监测体系.加强深埋隧洞工程外水压力监测系统,通过数字孪生技术建立数字孪生模型,利用传感器网络和数据采集系统,收集大量的实时监测数据,对外水压力的变化进行精确建模和预测,可实现渗控措施和堵排方案的优化,提高工程效率保障工程安全.

9)加强深埋隧洞高外水压力的风险防控研究,开展隧洞安全不确定性分析.在深埋隧洞工程中,岩体参数的获取通常受到多种因素的限制,这些不确定性因素会对外水压力的预测和评估产生影响.因此,应进行深埋隧洞外水压力的不确定性分析,通过敏感性分析、参数统计分析和蒙特卡罗模拟等方法来量化岩体参数对外水压力的影响程度,得到关于隧洞安全可靠性的可靠性指标,用于评估深埋隧洞高外水压力的风险水平.