張 航,鄒 蔚,楊文波,陳 渤,張文居,朱智勇,黃 濤

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610041; 2.蜀道投資集團有限責(zé)任公司,四川 成都 610095; 3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031; 4.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 610047)

0 引言

為構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量國家立體交通網(wǎng),我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷由東部向中西部延伸。西部山區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜、地形陡峻、地下水系充沛、生態(tài)脆弱[1]。在強卸載、高地應(yīng)力與地下水靜、動壓力耦合作用下,隧道施工中常遇滲漏水、突涌水等災(zāi)害,不僅威脅施工安全、造成隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、襯砌局部裂損破壞等問題,還會產(chǎn)生地下水位下降、地表沉降、生態(tài)環(huán)境退化等次生環(huán)境問題[2-3]。國內(nèi)外學(xué)者從不同專業(yè)角度圍繞隧道水災(zāi)問題做了大量研究[4-7],并提出注漿堵水、支護參數(shù)優(yōu)化、控制層間排水、增設(shè)仰拱閉合支護等防治方法,但實際施工中滲漏水等問題依然棘手。地下水環(huán)境是以上諸多問題的根本誘因,所以研究不同水文地質(zhì)條件下隧道滲流場分布與變化規(guī)律,是防控隧道水災(zāi)、保護地下水環(huán)境,研究高壓富水地層隧道抗防水設(shè)計適用標準的關(guān)鍵。

目前以隧道滲流場為主體的研究常用方法有理論解析法[8-10]、實測法[11]、數(shù)值模擬法[12-13]。利用理論解析法求解隧道滲流場,能簡潔清晰地得到隧道荷載與涌水量,而實際隧道滲流場求解十分復(fù)雜,因此利用現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合數(shù)值模擬方法分析隧道圍巖滲流場具有更廣泛的適用性。已有研究在分析隧道滲流場時考慮的影響因素較單一,而實際地下隧道工程往往處于復(fù)雜的多項耦合環(huán)境。本研究以藏區(qū)汶馬高速公路某隧道工程為例,基于流固耦合的計算原理,考慮地下水位和圍巖透水性變化,研究隧道開挖的滲流場和應(yīng)力場的變化規(guī)律,為同類工程提供借鑒與參考。

1 工程水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)內(nèi)地下水豐富,主要為第四系松散層孔隙水和基巖孔隙裂隙水。其中,第四系松散孔隙水的主要來源是大氣降水和地表水,且每年5—9月是隧址區(qū)的降水高峰期,全年降雨呈雙峰型分布,峰值位于雨季開始和臨近結(jié)束階段。

基巖孔隙裂隙水賦存和運移于隧址區(qū)侏倭組構(gòu)造及風(fēng)化裂隙和砂巖孔隙中,由于場地內(nèi)巖性不均,板巖、干枚巖的孔隙小、孔隙率低,基巖孔隙裂隙水主要賦存于砂巖孔隙裂隙中和基巖強風(fēng)化帶中,板巖、千枚巖則成為相對的隔水層,場地內(nèi)基巖孔隙裂隙水具有層狀特征,因此隧道開挖時會有基巖孔隙裂隙水出水不均現(xiàn)象。

2 數(shù)值計算模型及計算參數(shù)

2.1 數(shù)值模擬

計算中物理模型采用Mohr-Coulomb屈服準則,為了減小邊界效用對計算模型產(chǎn)生過大影響,隧道模型計算區(qū)域取為在隧洞左、右4～5倍洞徑長度,隧洞下側(cè)取約5倍洞徑,隧洞上側(cè)土層取至距洞頂70m處,建立此模型范圍取為120m×100m×100m,由于模型參數(shù)需設(shè)置滲透系數(shù),則模擬土體、襯砌結(jié)構(gòu)單位均采用實體單元。根據(jù)初步設(shè)計資料選取隧道斷面,如圖1所示。

圖1 計算選取的隧道斷面

常用滲流場分析模型有等效連續(xù)介質(zhì)模型、不連續(xù)面網(wǎng)絡(luò)滲流模型、孔隙裂隙混合介質(zhì)模型。其中,等效連續(xù)介質(zhì)模型將裂隙體等效為多孔介質(zhì),適用于經(jīng)典孔隙介質(zhì)滲流分析方法,使用和計算更簡便,為工程中常用方法,所以本文采用等效連續(xù)介質(zhì)模型。所建立計算模型如圖2所示,模型的前后、左右及底部設(shè)為不透水邊界,各工況水位線以上與隧道開挖邊界設(shè)為透水邊界。

圖2 高壓富水地層隧道計算模型

2.2 計算參數(shù)

隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)由該隧道高壓富水段隧址勘察試驗資料結(jié)合工程經(jīng)驗類比確定,如表1所示。參考JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》,選擇隧道物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 隧道支護物理力學(xué)參數(shù)

為研究地下水位高度與圍巖滲透性對高壓富水隧道滲流場的影響,分別擬設(shè)了40m與60m 2個水位高度和2.82×10-6,5.64×10-7,2.82×10-73個圍巖滲透系數(shù)以開展數(shù)值計算分析,具體工況如表3所示。

表3 計算工況

3 高壓富水區(qū)隧道圍巖滲流場特性分析

3.1 隧道圍巖初始滲流場

巖土體的滲流場在未經(jīng)施工擾動前處于平衡狀態(tài),不同的水位高度在相同的圍巖滲透系數(shù)下表現(xiàn)出相似的初始平衡狀態(tài)圍巖孔隙水壓分布規(guī)律,如圖3所示。由圖可明顯看出隧道橫截面研究范圍內(nèi)的初始孔隙水壓呈水平分布。對比不同圍巖滲透系數(shù)下的初始滲流場,地下水位相同的情況下圍巖初始孔隙水壓力基本一致,所以圍巖的滲透性對圍巖初始滲流場的分布影響不大,圍巖的初始孔隙水壓力由初始應(yīng)力場與地下水位高度決定。

圖3 圍巖初始孔隙水壓力(單位:Pa)

3.2 隧道開挖后滲流場

在隧道開挖后,破壞了原有土體的狀態(tài),改變了圍巖的力學(xué)平衡狀態(tài),圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布,在達到新平衡的過程中圍巖會裂隙重新發(fā)育。與此同時,隧道開挖形成的臨空面與圍巖裂隙成為新的滲流通道,并導(dǎo)致孔隙壓力改變?？紫秹毫Φ淖兓粗謺绊憫?yīng)力場,最終二者達到一個動態(tài)平衡。

3.2.1滲流方向

各工況下滲流矢量圖類似,最后開挖完成后巖體滲流方向矢量圖如圖4所示。

圖4 開挖后滲流矢量圖

由滲流矢量圖可知,隧道開挖后主要滲流方向為從洞周向洞內(nèi)滲流,越靠近洞內(nèi)滲流越密集,滲透系數(shù)越高的這一現(xiàn)象越明顯,發(fā)生的滲流越強烈。各工況滲流最密集的部位為拱底和拱腳。這是由于隧道開挖形成泄水井,而拱底即為泄水井底部,洞周圍巖內(nèi)部孔隙水形成滲流漏斗,地下水滲流后在拱底處匯集,導(dǎo)致此處滲流矢量更為密集。隧道開挖后,洞周產(chǎn)生的滲漏水會在拱底與拱腳處淤積,需合理設(shè)計排水措施,引排地下水。

3.2.2孔隙水壓力變化

通過橫向?qū)Ρ?不同水位高度的孔隙水壓變化,得到不同水位下,隧道開挖后,圍巖孔隙水壓力變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 開挖后圍巖孔隙水壓力(單位:Pa)

對比可發(fā)現(xiàn)水位線越低,開挖擾動造成的滲流場變化程度越小,且進口段水壓力變化幅度比出口段小。水位線越高,當巖體內(nèi)部出現(xiàn)孔隙水壓力為0的滲流界面時,涌入的水壓力更大,造成孔隙水壓力變化幅度增大,使得水位線更高的情況下滲流場變化幅度更大;同時,隧道進洞處由于先進行開挖和支護處理,減小了該截面的水壓力,并使得該截面的滲流場與應(yīng)力場的耦合作用發(fā)生時間更長,使其達到一個相對平穩(wěn)的平衡狀態(tài),且隨著隧道的不斷開挖,向后延伸的隧道開挖截面,在自身相互耦合的同時,對前一截面的水壓力進時釋放,降低了作用在前一截面的孔隙水壓力,降低了滲流場的變化波動。而隧道出洞處,開挖后耦合作用時間不足以使靜力場和滲流場達到平衡狀態(tài)。

圍巖的滲透系數(shù)減小后孔隙水壓力趨于不均勻分布,在拱頂和拱底處滲流強烈的區(qū)域出現(xiàn)零孔隙水壓區(qū)域,在拱腰處出現(xiàn)高孔隙水壓集中區(qū)域。滲透性較低的圍巖中隧道開挖時洞周孔隙水壓較難消散,隧道周圍的地下水向洞內(nèi)滲流,拱頂、拱底處孔隙水壓迅速釋放,拱腰處由于滲流量較小,故孔隙水壓消散速度相對較慢,形成壓力集中區(qū)。

3.3 襯砌外水壓力分布

取模型中段,進尺20m處設(shè)置監(jiān)測斷面,監(jiān)測襯砌拱腰處的外水壓力。繪制各水位下不同滲透系數(shù)時外水壓力值隨施工開挖步的變化曲線,如圖6所示。

圖6 二襯外水壓力時程曲線

同一滲透系數(shù)下,不同水頭高度,二襯外水壓力大小也不同。二襯所受外水壓力大小隨水頭高度的增加而顯著增大。由圖6a,6b可知,當水頭高度從40m增至60m時,二襯所受最大外水壓力分別為0.48,0.69MPa,增長44%;由圖6c,6d可知,二襯所受最大外水壓力分別為0.80,1.11MPa,增長39%;由圖6d,6e可知,二襯所受最大外水壓力分別為0.95,1.05MPa,增長11%。這說明當水頭高度的變化幅度一定時,圍巖滲透系數(shù)越大,對水頭高度變化越敏感,從而導(dǎo)致的二襯背后外水壓力的增幅也越大。

不同滲透系數(shù)下襯砌外水壓力隨開挖變化規(guī)律相似,均呈現(xiàn)先增大后降低再增大最后趨于平穩(wěn)的趨勢。當隧道剛開挖時,監(jiān)測斷面處還未施作襯砌結(jié)構(gòu),此時監(jiān)測點位處圍巖孔隙水壓處于較低水平,且各部位處外水壓力相差不大,與靜水壓力值相當。后續(xù)隧道持續(xù)開挖,導(dǎo)致隧道周邊滲流場發(fā)生改變,隨著掌子面的臨近,監(jiān)測點位處各部位圍巖內(nèi)部孔隙水產(chǎn)生向掌子面滲流的趨勢,導(dǎo)致水壓持續(xù)增大。當隧道開挖至監(jiān)測斷面時,由于在監(jiān)測斷面形成臨空面,導(dǎo)致各監(jiān)測點的外水壓力值陡降。后續(xù)隨著襯砌結(jié)構(gòu)的及時施作,以及另一臨空面即掌子面的遠離,監(jiān)測斷面處二襯背后外水壓力再次呈增長趨勢,且持續(xù)增長至穩(wěn)定值后基本不再變化。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果整理分析

為研究隧道在施工初期的滲流場演變規(guī)律,在斷面里程ZK162+965處安裝了水壓力監(jiān)測元件,安裝位置為隧道初支與圍巖接觸處的拱頂以及左右拱肩、拱腰。監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由曲線可看出,隧道初支施作后外水壓力迅速上升,右拱腰處水壓力上升最快,最高達到288.58kPa;拱頂處的水壓力上升最慢。10～20d后水壓力變化趨勢轉(zhuǎn)為緩慢平穩(wěn)上升,經(jīng)過40～50d后,各處的水壓力趨于平穩(wěn),120d時右拱腰處水壓力依舊最高,為280.44kPa;其次為左拱腰,水壓力為224.58kPa;而拱頂處最低,為69.15kPa。監(jiān)測結(jié)果表明,隧道的外水壓力分布呈現(xiàn)出不對稱性,50d后襯砌外水壓力幾乎不再變化,滲流場已趨于穩(wěn)定。

圖7 隧道外水壓力時程曲線

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進行對比,從二襯背后外水壓力的分布規(guī)律看,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明,襯砌外水壓力在監(jiān)測斷面非對稱分布,二者出現(xiàn)差異的原因在于數(shù)值模擬所選模型是等效連續(xù)介質(zhì)模型,將巖體裂隙的滲流平均到巖體中,但實際情況下隧道滲流場受地下水、節(jié)理、裂隙等因素影響。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬均表明,二襯承受水壓最大部位為拱腰,拱頂和拱底所受外水壓力水平較其他部位偏低,這與圖6對應(yīng)一致。故在隧道設(shè)計、施工中,應(yīng)對拱腰處的結(jié)構(gòu)受力和防水進行著重考慮。

5 防排水措施

1)根據(jù)超前預(yù)報針對不同地質(zhì)情況采用全斷面深孔預(yù)注漿、周邊深孔預(yù)注漿與開挖后周邊注漿的圍巖注漿止水方案。

2)襯砌混凝土采用防水混凝土澆筑,在混凝土中添加密實微膨脹劑(如HEA防水劑、UEA及AEA膨脹劑等),以達到襯砌密實、防裂及防水目的,二次襯砌混凝土抗?jié)B等級≥S8。

3)施工縫防水采用背貼式止水帶和遇水膨脹止水條,兩側(cè)邊墻縱向施工縫采用遇水膨脹止水條;沉降縫防水采用背貼式止水帶和中埋式鋼邊橡膠止水帶;抗震縫防水采用背貼式止水帶和中埋式鋼邊橡膠止水帶。

4)明洞采用“兩布一膜”(無紡布+EVA防水板+無紡布),暗洞采用EVA防水板+無紡布。防水板采用熱熔化雙焊縫無釘鋪掛。

5)隧道邊墻及拱墻背后設(shè)置環(huán)向排水帶,兩側(cè)邊墻底背后各設(shè)置1道縱向排水管,路面基層下設(shè)置橫向排水管,路面基層下設(shè)置橫向及縱向塑料盲溝,隧道路面兩側(cè)設(shè)置7cm×8cm縱向開口式路側(cè)排水淺槽,隧道中線路面下設(shè)置縱向矩形排水溝,車行、人行橫通道邊墻腳設(shè)縱向排水管。

6 結(jié)語

1)實際山體地下水滲流情況復(fù)雜,地下水分布受到水源補給情況、地形地貌、節(jié)理裂隙發(fā)育等情況影響。開挖前滲流場平衡,開挖后呈先降低后升高的變化趨勢,所以在開挖與支護前做好充足的地下水防滲工作。

2)由于開挖隧道,圍巖中出現(xiàn)了空室,在重力作用下,地下水在隧洞周邊的滲流趨勢加劇,同時由于隧道結(jié)構(gòu)在重力和浮力的共同作用下,洞室下的地下水也會呈現(xiàn)向上滲流的趨勢,隧道拱頂與拱底處的防水需重點考慮。

3)圍巖孔隙水壓力在拱腰附近較大,由滲流方向矢量圖可知,滲流矢量由拱腰向拱頂和拱底發(fā)散,由此可得,圍巖滲流較弱的區(qū)域在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需重點設(shè)防。

4)較高的圍巖滲透系數(shù)會導(dǎo)致滲流過于劇烈,為避免地下水大量流失,隧道需采取注漿封堵與限量排放等措施。