鮑洪韜， 徐金華， 周華求， 王洪杰， 熊文威， 錢王蘋

(1.浙江交投高速公路建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310000； 2.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000； 3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031； 4.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，國內(nèi)交通線路規(guī)劃也在逐漸增加。目前，對(duì)于高水壓隧道設(shè)計(jì)多采用“堵水限排”的設(shè)計(jì)理念，即采用注漿等技術(shù)封堵隔離地下水并允許地下水的合理排放。而此理念的關(guān)鍵在于探求隧道允許排水量與襯砌背后水壓力的動(dòng)態(tài)平衡?；诖?，國內(nèi)外學(xué)者開展了深入的探討。丁小平等[1]將設(shè)置有排導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)合襯砌進(jìn)行簡化處理，得到了一個(gè)襯砌簡化修正滲透系數(shù)，為復(fù)合襯砌涌水量的預(yù)測提供了有效的方法；王克忠等[2]探討了裂隙介質(zhì)滲流理論下的圍巖與襯砌滲透系數(shù)對(duì)滲流場的影響，認(rèn)為增加襯砌結(jié)構(gòu)材料的滲透性或設(shè)計(jì)合理的排水孔是減小襯砌外水壓力的有效措施；張成平等[3]、張志強(qiáng)等[4]、游劍南[5]探討了高壓富水隧道注漿圈對(duì)復(fù)合式襯砌荷載和內(nèi)力的影響，認(rèn)為注漿對(duì)于襯砌不同位置受力的折減效果不同，注漿對(duì)襯砌仰拱處內(nèi)力折減效果最好，對(duì)拱腰處內(nèi)力折減效果最?。桓咝聫?qiáng)[6]、李鵬飛等[7]、宋凱等[8]模擬了不同支護(hù)參數(shù)下隧道襯砌水壓力的變化規(guī)律，認(rèn)為注漿圈厚度與襯砌排水量越大時(shí)，襯砌水壓力系數(shù)的折減效果越顯著；李曉軍等[9]采用修正的初襯滲透系數(shù)推導(dǎo)了復(fù)合式襯砌的滲透系數(shù)計(jì)算公式，認(rèn)為復(fù)合式襯砌滲透系數(shù)與環(huán)向排水管間距、初襯厚度、初襯滲透系數(shù)密切相關(guān)，且環(huán)向排水管間距越大，復(fù)合式襯砌滲透系數(shù)越小；王永吉[10]、郭瑞等[11]認(rèn)為在“以堵為主，限量排放”排水模式下，通過降低注漿圈和襯砌滲透系數(shù)值對(duì)襯砌水壓力影響較顯著，注漿圈厚度對(duì)襯砌水壓力影響較小，當(dāng)注漿圈厚度大于2 m反而會(huì)使襯砌水壓力增大；張頂立等[12]采用多種注漿工藝和材料復(fù)合以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成了復(fù)合注漿的新理念，更有效地解決了隧道的抗?jié)B和穩(wěn)定性問題。

對(duì)于高水壓隧道的放排水設(shè)計(jì)理念，眾多學(xué)者在理論及實(shí)踐上的研究為富水隧道設(shè)計(jì)及施工提供了理論依據(jù)，本文以臨安建德段虎溪臺(tái)隧道為工程背景，基于ABAQUS探究了虎溪臺(tái)隧道在高水壓條件下的初支、注漿圈等滲透系數(shù)及注漿圈厚度對(duì)初期支護(hù)階段、運(yùn)營階段的隧道涌水量和襯砌背后水壓力的影響，對(duì)于后續(xù)的施工設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

虎溪臺(tái)隧道為浙江臨金高速公路上的一處高速公路隧道，臨金高速公路起點(diǎn)位于浙皖交界的千秋關(guān)，終點(diǎn)相交于滬昆高速(杭金衢高速)二仙橋東，全長85.4 km。隧道擬建路線主要在浙西中低山丘陵區(qū)，本隧道主要地貌為底山-高丘陵侵蝕剝蝕地貌，隧道主要通過地層為弱風(fēng)化花崗巖，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告可知，弱風(fēng)化花崗巖的彈性模量為2 GPa，泊松比為0.25，其孔隙比經(jīng)換算得出為0.305，密度為2 200 kg/m3。注漿圈參數(shù)選用與弱風(fēng)化花崗巖參數(shù)一致。初期支護(hù)的彈性模量為32.05 GPa，泊松比為0.2，密度為2 400 kg/m3。

2 數(shù)值模擬

為研究虎溪臺(tái)隧道在高水壓條件下的初支、注漿圈等滲透系數(shù)對(duì)初期支護(hù)階段、運(yùn)營階段的隧道涌水量和孔壓分布的影響，依據(jù)《虎溪臺(tái)隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的巖土滲透參數(shù)，采用ABAQUS軟件建立隧道危險(xiǎn)截面處二維模型，計(jì)算模型如圖1所示。模型尺寸為B×H=500 m×380 m，隧道半徑為7.185 m，隧道埋深為42 m，限定模型兩側(cè)水平位移和模型底部兩個(gè)方向位移，并設(shè)置隧道洞周孔壓邊界為0 kPa(透水邊界)，模型共計(jì)60 168個(gè)單元。

圖1 危險(xiǎn)截面二維模型示意圖

在進(jìn)行研究前，本文做以下假定：①假定圍巖為均質(zhì)、不可壓縮、各向同性介質(zhì)；②假定隧道開挖后能達(dá)到穩(wěn)定的滲流狀態(tài)且水流符合達(dá)西定律。

2.1 初期支護(hù)滲透系數(shù)對(duì)滲流場分布的影響研究

為研究隧道在初期支護(hù)階段-運(yùn)營階段過程中不同初支滲透系數(shù)條件下的隧道涌水量和孔壓變化情況，數(shù)值計(jì)算模型模擬兩種初支滲透系數(shù)(工況1、工況2)進(jìn)行對(duì)比，其具體工況參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 模擬工況表

2.1.1 初期支護(hù)滲透系數(shù)對(duì)襯砌背后水壓力的影響分析

分析比較工況1和工況2在不同初期支護(hù)滲透系數(shù)條件下的襯砌背后水壓力變化。計(jì)算得到工況1(初期支護(hù)滲透系數(shù)為0.008 m/d)和工況2(初期支護(hù)滲透系數(shù)為0.8 m/d)的初期支護(hù)階段、運(yùn)營階段襯砌背后水壓力分布如圖2所示。

圖2 工況1與工況2在不同初期支護(hù)滲透系數(shù)條件下襯砌背后水壓力柱狀圖

在施作初期支護(hù)階段，兩種工況隧道所承受的襯砌背后水壓力最大值均出現(xiàn)在拱腳處，且隧道附近的孔隙水壓力與初期支護(hù)滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，工況1隧道拱腳襯砌背后水壓力為36.96 kPa，工況2中隧道拱腳襯砌背后水壓力為1.39 kPa，相較于工況1下降了96.2%；在運(yùn)營階段，隧道附近襯砌背后水壓力與初期支護(hù)滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，工況1隧道拱腳襯砌背后水壓力為12.57 kPa，工況2該處的襯砌背后水壓力為1.12 kPa，相較于工況1下降了91.1%。

在初期支護(hù)階段和運(yùn)營階段，當(dāng)初期支護(hù)滲透系數(shù)增大，襯砌背后水壓力將顯著減小，故改變初期支護(hù)的抗?jié)B能力對(duì)于隧道孔隙水壓力的影響作用明顯，初期支護(hù)的抗?jié)B能力可被視為隧道襯砌背后水壓力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素。

2.1.2 初期支護(hù)滲透系數(shù)對(duì)涌水量的影響分析

工況1和工況2在不同初期支護(hù)滲透系數(shù)條件下的涌水量變化如圖3所示。初期支護(hù)階段，工況1的隧道涌水量為11.15 m3/d，工況2的隧道涌水量為11.77 m3/d，相較于工況1提升了5.3%；運(yùn)營階段，工況1的隧道涌水量為3.73 m3/d，工況2的隧道涌水量為3.80 m3/d，相較于工況1提升了1.8%。

圖3 工況1和工況2在不同初期支護(hù)滲透系數(shù)條件下的涌水量

對(duì)比上述兩種工況的初期支護(hù)階段和運(yùn)營階段涌水量變化可知，減小初期支護(hù)滲透系數(shù)在初期支護(hù)階段和運(yùn)營階段隧道的涌水量均有降低，在初期支護(hù)階段降低比運(yùn)營階段降低幅度稍大，但下降幅度不明顯。說明提高初期支護(hù)的抗?jié)B性，降低初期支護(hù)的滲透系數(shù)對(duì)于減少隧道涌水量效果不顯著。從經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)于隧道涌水量的影響可忽略不計(jì)，故初期支護(hù)的抗?jié)B能力也并非隧道涌水量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素。

2.2 注漿圈滲透系數(shù)對(duì)滲流場分布的影響研究

為研究隧道在運(yùn)營階段過程中不同注漿圈滲透系數(shù)條件下的隧道涌水量和孔壓變化情況，數(shù)值計(jì)算模型模擬三種注漿圈滲透系數(shù)(工況3～5)進(jìn)行對(duì)比，其具體工況參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 模擬工況表

2.2.1 注漿圈滲透系數(shù)對(duì)襯砌背后水壓力的影響分析

分析比較工況3、工況4和工況5在不同注漿圈滲透系數(shù)條件下的襯砌背后水壓力變化。計(jì)算得到工況3(注漿圈滲透系數(shù)為0.005 m/d)、工況4(注漿圈滲透系數(shù)為0.05 m/d)和工況5(注漿圈滲透系數(shù)為0.5 m/d)的運(yùn)營階段襯砌背后水壓力分布如圖4所示。

圖4 三種工況在運(yùn)營階段拱腳處襯砌背后水壓力

運(yùn)營階段下三種工況的隧道所承受的襯砌背后水壓力最大值仍出現(xiàn)在拱腳處，且隧道附近的孔隙水壓力與注漿圈滲透系數(shù)呈正相關(guān)，工況3隧道拱腳襯砌背后水壓力為12.57 kPa，工況4拱腳處的背后水壓力為34.02 kPa，相較于工況3上升了63%。工況5拱腳處的背后水壓力為52.58 kPa，相較于工況3上升了76.1%。通過比較不同工況可以得出，不同注漿圈滲透系數(shù)條件下，隧道附近的襯砌背后水壓力與注漿圈滲透系數(shù)呈正相關(guān)。在運(yùn)營階段注漿圈滲透系數(shù)增大，孔壓隨之增大，且作用效果較大。故改變注漿圈的抗?jié)B能力對(duì)于隧道襯砌背后水壓力的影響作用明顯，提高注漿圈的抗?jié)B能力可以有效地降低襯砌外水頭以及孔隙水壓力影響范圍。

2.2.2 注漿圈滲透系數(shù)對(duì)涌水量的影響分析

運(yùn)營階段下三種工況的涌水量如圖5所示。

圖5 三種工況在運(yùn)營階段的涌水量

由圖5可以看出，運(yùn)營階段，工況3的隧道涌水量為3.73 m3/d，工況4的隧道涌水量為10.41 m3/d，相較于工況3增加64.2%，工況5的隧道涌水量為12.72 m3/d，相較于工況3增加70.7%。

通過比較不同工況可以得出，不同注漿圈滲透系數(shù)條件下，運(yùn)營階段減小注漿圈滲透系數(shù)，隧道的涌水量均有降低，且在運(yùn)營階段降低幅度很大，說明提高注漿圈的抗?jié)B性，降低注漿圈的滲透系數(shù)可以有效地減少運(yùn)營階段的隧道涌水量。

2.3 注漿圈厚度對(duì)滲流場分布的影響研究

為研究隧道在運(yùn)營階段過程中不同注漿圈厚度對(duì)隧道涌水量和孔壓變化情況的影響，數(shù)值計(jì)算模型模擬三種注漿圈厚度(工況6～8)進(jìn)行對(duì)比，其具體工況參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 模擬工況表

2.3.1 注漿圈厚度對(duì)襯砌背后水壓力的影響分析

分析比較工況6、工況7和工況8在不同注漿圈厚度條件下的襯砌背后水壓力變化。計(jì)算得到工況6(注漿圈厚度為3 m)、工況7(注漿圈厚度為5 m)和工況8(注漿圈厚度為8 m)的運(yùn)營階段襯砌背后水壓力分布如圖6所示。

圖6 三種工況在運(yùn)營階段拱腳處襯砌背后水壓力

運(yùn)營階段，三種工況下隧道所承受的襯砌背后水壓力最大值均出現(xiàn)在拱腳處，且隧道附近的襯砌背后水壓力與注漿圈厚度呈負(fù)相關(guān)，工況6隧道拱腳襯砌背后水壓力為12.57 kPa，工況7該處襯砌背后水壓力為9.60 kPa，相較于工況6下降了23.6%，工況8該處襯砌背后水壓力為7.58 kPa，相較于工況6下降了39.7%。

通過比較不同工況可以得出，不同注漿圈厚度條件下，隧道所承受的襯砌背后水壓力最大值均出現(xiàn)在拱腳處。在運(yùn)營階段注漿圈厚度增大，襯砌背后水壓力隨之減小，且作用效果相對(duì)明顯。故增厚注漿圈可以有效地降低運(yùn)營階段的隧道襯砌背后水壓力。

2.3.2 不同注漿圈厚度對(duì)涌水量的影響分析

運(yùn)營階段下三種工況的涌水量如圖7所示。

圖7 三種工況在運(yùn)營階段時(shí)的涌水量

由圖7可以看出，運(yùn)營階段工況6的隧道涌水量為3.727 m3/d，工況7的隧道涌水量為2.761 m3/d，相較于工況6的涌水量降低了25.9%，工況8的隧道涌水量為2.093 m3/d，相較于工況6的涌水量降低了43.8%。

通過比較不同工況可以得出，不同注漿圈厚度條件下，增加注漿圈厚度，在運(yùn)營階段隧道的涌水量有較大下降，說明增加注漿圈的厚度對(duì)于減少運(yùn)營階段的隧道涌水量有顯著作用。

3 結(jié) 論

本文探究了隧道在高水壓條件下的初支、注漿圈滲透系數(shù)以及注漿圈厚度對(duì)初期支護(hù)階段、運(yùn)營階段的隧道涌水量和襯砌背后水壓力的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 在初期支護(hù)階段和運(yùn)營階段，當(dāng)初期支護(hù)滲透系數(shù)增大，襯砌背后水壓力將顯著減小；而隧道涌水量在初期支護(hù)階段僅提高了5.3%，運(yùn)營階段僅提高了1.8%。故在滿足涌水量要求的條件下，可以適當(dāng)提高初期支護(hù)的滲透系數(shù)以降低隧道襯砌背后水壓力。

(2) 在運(yùn)營階段，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)增大，拱腳處襯砌背后水壓力以及隧道的涌水量也顯著增大，故從滿足涌水量要求和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低隧道注漿圈的滲透系數(shù)。

(3) 在運(yùn)營階段，隧道附近的襯砌背后水壓力與注漿圈厚度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)注漿圈厚度增大時(shí)，拱腳處襯砌背后水壓力以及隧道的涌水量有一定程度的減小，故從滿足涌水量要求和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加隧道注漿圈厚度。