地下水不同控制排放方案对隧道结构与环境的影响分析

张 铎，张 莹

(1.黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450000;2.中原工学院，郑州 450000)

地下水控制排放是对隧道运营中的排水量进行控制，适量地排出地下水。它是施工的止、排水和结构物防、排水的有效结合。施工中，通过注浆使原围岩减小渗透系数;同时，施作排水系统，达到适量排放地下水的目的，从而降低作用在衬砌上的水压力，减少对地下水环境的恶化，保持地下水的水位平衡［1-4]。

本文依托某在建铁路隧道。该隧道部分段位于中等富水区。该段施工中，涌水量较大。通过研究地下水不同控排方案对隧址区水环境的变化影响，进而得出适宜的隧道防、排水方案，对隧道工程的施工、运营以及当地水环境的保护具有实用价值。

1 分析目标及方案拟定

为研究地下水不同控排方案对隧道结构与环境的影响，取3种处理地下水的方式(全堵法、全排法、控制排放法)进行模拟分析比较，得出对隧道运营中衬砌受力合理、变形较小、结构安全的控排方案。其中模拟的控排方案为控排30%、控排50%与控排80%3种控排工况。即待注浆后，涌水通过注浆圈后的排水速率分别为全排水工况最大涌水量的30%、50%和80%，流程损失分别为70%、50%、20%。

2 模型建立

本文采用Midas/gts软件对中等富水区某一断面进行5种工况的模拟分析［5]。该断面地质钻孔如图1所示。

选取段洞身主要穿越侏罗系砂岩夹泥岩、砾岩，泥质胶结，Ⅳ级软岩，风化厚度20～30 m。地下水位埋深大于100 m，为基岩裂隙水，主要受大气降水补给。

图1 选取段地质剖面

该工程为双洞单线铁路隧道，双洞间距35 m。模拟分析中，将隧道马蹄形断面等效为圆形断面，开挖半径为4 m，初喷C25混凝土厚度10 cm，二衬为35 cm厚C30模筑混凝土，注浆圈为3 m;所建模型在埋深方向上，取60 m砂岩夹泥岩与60 m砂岩夹砾岩，其上黏质黄土地层换算成梯形荷载的形式施加;计算域为235 m×120 m×12 m(12 m为台车施作二衬进尺长度);模型两侧通过水文地质报告所述，总水头为108 m，即地下水位初始高度，且存在稳定的补给水量对该模型区域进行地下水补给;同时，在围岩与衬砌接触面上设立不同排水边界，达到堵水、排水和控排的效果。数值计算采用莫尔 -库仑理论模型［6～9]。具体模型如图2所示。

图2 MIDAS-GTS模型网格局部

3 注浆圈渗透系数的选取

注浆可改变注浆区域围岩的渗透系数，控制涌水通过注浆区域速率，从而达到控制排放或全堵的目的。通过注浆，围岩的透水系数最佳可达到原围岩渗透系数的0.1%～0.5%。在实际山岭隧道中，注浆后透水系数变为原围岩的0.1%～0.5%，这样的情况投入大，且影响工期，一般不予采纳。本文在选取全堵方案的渗透系数比值时，选取注浆后，透水系数变为原围岩渗透系数的1%作为合理的模拟参数。围岩的渗透系数为 0.08 m/d，则全堵模型注浆圈渗透系数为0.000 8 m/d。

控制排放方案中渗透系数比值的选取极为关键，关系到控排方案的实施效果。

根据达西定律可得每延米隧道的涌水量为［11]

隧道衬砌背后水压力为

当P=0时，隧道最大排水量为

式中，Q为每延米隧道排水量;h0为衬砌内表面水头;h1为衬砌背后水头;hr为围岩表面水头;k1为衬砌渗透系数;kg为注浆圈渗透系数;kr为围岩渗透系数;r0为衬砌内半径;r1为衬砌外半径;rg为注浆圈半径;r2为围岩远场半径;γω为水的容重;P为衬砌背后水压力。

根据以上公式，以及模拟全排方案得出的最大涌水量数据进行计算，推算出各控排方案围岩的渗透系数，如表1所示(全排方案不注浆，渗透系数仍为原围岩渗透系数)。

表1 不同工况注浆圈渗流计算参数

4 结果分析与推荐方案

通过对5种工况的模拟分析结果来看，兼顾结构安全和环保2方面，首先将排水量较大，地下水位线下降较多，对水环境危害较大的全排和控排80%工况排除，重点就其他3种工况进行结构安全上的比较。5种工况地下水水位下降高度比较见图3，3种方案排水稳定后二衬各节点孔隙压力数值比较见图4。

图3 5种工况地下水水位下降高度比较

表2 3种工况模型结果二衬受力对比 MPa

表3 3种工况二衬结构变形值 mm

在隧道运营阶段，应力释放已结束，二衬上的孔隙水压，作为一项重要的结构安全指标，本文主要从这一指标来研究隧道结构的受力分析。从表2、3和图4可得，全堵方案二衬上受孔隙压力的数值和变形量上都较控排30%和50%两种方案大。全堵方案施加在二衬上的孔隙压力最大，对长期运营不利，该方案予以否定。同时，这3种模型在拱顶和仰拱处孔隙压较大，会造成拱顶下沉和仰拱隆起等现象，应在实际工程中引起重视，做好这2处的支护。

余下2种控排方案的比选主要从环保上进行比较。控排30%方案，水位下降约8 m，而控排50%水位线下降约30 m。因此，在实际选择中，选择二者折中的方案，控排40%为较佳方案。

本文模拟出控排40%方案，排水稳定后二衬上的孔隙压力为0.35 MPa，比全堵方案孔隙压力小了50%，同时，水位下降20 m，排水量只为全排方案的三分之一。综合考虑，控排40%方案较合理、有效;既兼顾了长期运营的安全，又对环境影响较小。所以，推荐控排40%方案在实际工程中参考、借鉴。

另外，本文还就所模拟工况数据整理出不同工况衬砌外水压力折减系数，如图5所示。最后，根据不同工况的模型结果，整理出排水量与注浆圈渗透系数之间的关系图(图6)，仅供实际工程中，已知排水量优化注浆圈渗透系数、辅助注浆参考使用。

图5 不同工况衬砌外水压力折减系数

5 推荐工况实施可行性

控排40%方案通过计算，注浆圈渗透系数为0.001 7 m/d，是原围岩渗透系数的2%。在实际同类工程中，可参考此渗透系数注浆，以达到控制排放的目的。同时，待注浆后，可比较无注浆情况，得出流程损失，以此来验证控排方案的实施效果。

图6 排水量与注浆圈渗透系数之间的关系

为达到控制排放，除要施作注浆圈减少流向衬砌背后的总渗流量外，还需在衬砌背后建立抗渗水压二次衬砌和排水网络系统组成复合防、排水结构，将剩余的水量排出，减小外水压力，达到控制排放［12]，如图7所示。

图7 控制排放与注浆系统

6 结语

通过对5种工况的模拟，结论如下。

(1)全排和控排80%方案，排水量大，超出地下水补给范围，水位线下降较多，对水环境危害严重，2种方案均不可取。

(2)全堵方案待注浆圈施作后，模型的地下水环境保持良好，没有破坏。但因地下水拥积，在衬砌与注浆圈上孔隙压力较大，结构安全受到威胁，不利长期运营，也不提倡。

(3)随着注浆圈渗透系数的增加，涌水量明显降低，能起到限量排放的作用，也可减小衬砌背后的水压力。在隧道允许的排水量范围内，增大排水量和减小衬砌水压力两者之间，存在一个较合理的排水量。

(4)比较各控排方案，综合结构受力、长期运营与环保等因素，推荐控排40%方案在实际工程中参考、借鉴。

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