永寿梁隧道渗流场分析＊*

李 德，李德武，王 钎

(1.西平铁路有限责任公司，陕西 西安 712046;2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070;3.西安铁路局，陕西 西安 712046)

随着我国经济建设的蓬勃发展，对基础设施，尤其是交通隧道建设的需求在不断增加，大量隧道将修筑在深埋高水压的山岭地区。在隧道施工和运营过程中，不可避免地碰到地下水问题，地下水与隧道二者相互影响，紧密联系，主要表现在以下2个方面:

(1)地下水通过隧道空间被大量排放，造成部分隧道地表井泉干枯、工农业生产生活用水缺失、地表沉降、岩溶塌陷、水土流失、土壤沙化等系列环境问题。

(2)地下水软化岩层，使隧道围岩松弛，地层压力增大，影响隧道稳定。对围岩侵蚀(冲刷、带走、分解部分围岩)，造成衬砌背后空隙。地下水聚集在衬砌背后，使衬砌承受额外的水压力。同时，地下水渗漏给行车安全、隧道本身的稳定和工程的社会经济效益带来严重的负面影响。

对于隧道工程的环境效应与环境保护对策等方面的研究，如上海越江隧道、西安安康线秦岭隧道、成渝高速公路中梁山隧道、南京地铁和玄武湖水底交通隧道等，研究表明隧道工程不同程度地改变了原有区域地下水的径流、排泄条件，导致水文循环失衡、地下水位下降、地下水资源大量流失、天然供水水源枯竭、劣质水入侵、地下水水质恶化等一系列负效应。有的进而引起地表塌陷，地面建筑物开裂，大泉枯竭。相比之下，地下水环境保护的措施和对策研究是一个薄弱环节［1－2］。

通过MIDAS/GTS有限元软件模拟隧道开挖过程，分析永寿梁隧道开挖对水环境所产生的影响，即地下水的变化规律和变化趋势等，以期对该工程止(排)水措施的设计提供参考。

1 工程概况

永寿梁隧道穿越渭河与泾河水系的分水岭永寿梁，为双洞单线隧道，线间距35 m;左线DK95+605 ～DK112+761，全长17.156 km;右线 DyK95+605 ～DyK112+739，全长 17.127 km;为西平铁路的控制性工程。

永寿梁以北及蒿店梁以东的地表水汇入泾河，永寿梁以南与蒿店梁以西的水汇入渭河，较大冲沟沟底常有小股水流。永寿梁黄土覆盖，仅岭顶及沟底零星出露基岩。分水岭顶(靠线路附近)标高1390 m，岭两侧黄土塬顶标高约为1240 m及1160 m。本文选取左右线DK111+200Ⅲ级围岩马蹄形复合衬砌断面进行研究，所选区段属于裂隙水中等富水区(Ⅱ1)，该含水岩组分布于隧道浅埋地段的沟谷区和拜家河沟向斜轴部附近，由于上覆黄土层厚度小，基岩破碎，且埋藏浅，易接受大气降水及沟谷中地表水的季节性补给，并通过节理、裂隙垂向渗透补给下部基岩裂隙水。该岩组地层以侏罗系砾岩夹砂岩、砂岩夹泥岩和三叠系砂岩夹页岩为主，节理、裂隙发育，且连通性较好，主要为构造裂隙水，水量较大。

2 隧道围岩渗流场分析

隧道属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，其纵向没有位移，只有横向产生位移。建模时考虑隧道开挖半径和渗流场的影响，同时考虑研究的必要性和代表性，取宽度方向计算范围为65 m，深度方向取12.5 m(开挖进尺为每循环2.5 m，每5组浇注二衬混凝土1次)。整个计算范围为65 m×60 m×12.5 m。考虑到结果的可信性以及模拟的真实性，数值模拟中采用实际设计马蹄形隧道断面形状，隧道为五心圆，最大开挖高度8.52 m，宽度6.12 m，初次衬砌厚度0.08 m，二次衬砌厚度0.3 m。

模型岩层自地表向下分别为黏质黄土层、粉质粘土层、砂岩加页岩层，根据工程地勘报告，拟选取分层高度分别为10，11.5和38.5 m。模型中采取左、右线隧道全断面同时施作，线间距为35 m。材料计算参数如表1所示。

表1 材料计算参数Table 1 Mechanics parameters of all materials

2.1 隧道全排水孔隙水压分析

由永寿梁隧道工程地质及水文勘察报告，在DK111+200处，地下水位高程约为947.000 m，距离隧道衬砌顶部7.2m左右。模型中沿隧道开挖方向指定节点总水头为32m，在隧道初支表面节点设置全排水边界［3－4］。隧道开挖扰动了初始渗流场，同时导致了地下水孔隙压力的变化，如图1～2所示。

图1 初始状态孔隙水压(单位:kN/m2)Fig.1 The initial state of pore water pressure

图2 五循环施工后孔隙水压(单位:kN/m2)Fig.2 The state of pore water pressure after the construction of five cycles

2.2 隧道注浆堵水孔隙水压分析

由永寿梁地区地质勘探报告，所选研究区段属于中等富水区域，单位正常涌水量为2084.7 m3/d·km，正常涌水量为4857.5 m3/d，最大涌水量为12143.7 m3/d。根据地质预测、预报成果及水压、流水量测试资料决定采用何种注浆方案。结合目前永寿梁隧道施工过程中所揭示的地质状况来看，在一般溶隙地层和节理、裂隙发育、一般富水地段、岩体完整及局部渗漏水隧道范围，可采用径向注浆及局部补充注浆方案［5－6］。

径向注浆加固范围为开挖轮廓线外5 m，注浆孔呈梅花型布置，孔环向间距60 cm，纵向间距60 cm。径向注浆采用φ42 mm的TSS管注浆。径向注浆孔TSS管采用引孔顶入法，即先用风钻钻设φ50 mm，深5 m的孔，然后将TSS管顶入。注浆材料采用超细水泥单液浆。

通过分析可以发现，依据之前所制定的径向注浆措施，在每循环初支后，及时的进行径向全断面注浆。改变了原页岩岩体的渗透系数，使得地下水位下降趋势减缓，说明制定的方案措施发挥了其控排功效，图3～4所示为采用径向注浆措施与否开挖300 d后孔隙水压的情况。

图3 注浆后孔隙水压示意图Fig.3 The schematic of pore water pressure after grouting

图4 未注浆孔隙水压示意图Fig.4 The schematic of pore water pressure before grouting

2.3 隧道环向盲沟间距分析

2.3.1 盲管

根据“永寿梁隧道水沟设计图纸”，本模型中模拟隧道采用环、纵向φ75盲管，泄水槽宽4 cm，见图5。

图5 洞内盲沟排水示意图Fig.5 The schematic of the cave blind ditch drainage

2.3.2 盲沟环向间距分析

模型中隧道在开挖阶段采用径向注浆措施，盲管纵向通长布置，环向间距分别取5，8和12 m 3种工况，模拟分析地下水变化趋势。图6～8为不同环向盲管间距情况下，水位在初始时刻，100，200和300 d和稳定后水位高度。

图6 5 m间距时水位变化Fig.6 Changes in water level with 5 m annular spacing

图7 8 m间距时水位变化Fig.7 Changes in water level with 8 m annular spacing

图8 12 m间距时水位变化Fig.8 Changes in water level with 12 m annular spacing

图9为不同间距下，在初始时刻，100，200和300 d和稳定后一条环向盲管涌水量情况。

图9 不同间距时涌水量变化情况Fig.9 Water inflow curve with different annular spacings

通过比较可以看出，在3种不同环向盲管间距情况下，水位下降漏斗随着环向盲管间距的增大而减小。出于对地下水环境的保护，当间距为12 m时，地下水在单位时间流失量较少，控排效果相对较好，同时可以据此确定水沟的设计尺寸。

3 结论

(1)隧道开挖后若不进行围岩注浆，在隧道周围将造成孔隙水压的急剧降低，对于水压大的隧道将导致地下水的大量流失，带来一系列环境问题。

(2)隧道周围的水位沉降漏斗随着环向盲管间距的增大而减小。考虑隧道的实际情况和尽量减小对当地水文的影响，推荐环向盲管泄水孔间距为12 m，此时控排效果相对较为理想。

(3)通过模拟分析得到了单个泄水孔的流量，此值可以作为排水沟断面设计的参考。

(4)本文计算参数，尤其是渗透系数的选取是按照经验选定，其值对计算结果的量值有一定影响，模拟计算量值大小仅供参考。

［1］张祉道.山岭隧道地下水处理及结构设计探讨［J］.铁道工程学报，1995(1):103－111.ZHANG Zhi-dao.Discussion on underground water treatmentand structure design of mountain tunnels［J］.Jounrnal of Railway Engineering Society，1995(1):103 －111.

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