深埋隧洞透水衬砌渗控研究

葛金花，任旭华，张海波，张继勋，温毓繁

（1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；2.青岛市市政工程管理处，山东 青岛 266022）

0 引 言

深埋隧洞面临高外水压力，水荷载是最主要的荷载之一[1]。在地下水渗流作用下，隧洞衬砌承受的水压力有外水压力和内水压力。外水压力是指在衬砌外围的地下水作用在衬砌边缘的压力，而内水压力是指作用衬砌内的水压力。目前，计算外水压力的方法可以归纳为外水压力折减系数法、解析数值模拟法[2]和渗流场分析方法。外水压力折减系数法局限性大，适用于水文地质条件一般的隧洞，而对于更多的水文地质条件复杂的隧洞则不能直接根据表格取值计算。对无压隧洞，需考虑在隧洞上设置排水孔来减小地下水压力。解析数值模拟法没有考虑隧洞的排水设置情况以及衬砌渗透性对渗流场的反作用，计算得到的外水压力和实际渗流场影响下隧洞的外水压力是不一样的。渗流场分析方法对围岩和衬砌中的渗流场及应力场进行耦合分析，较符合工程实际。

对外水压力的处理方法一般是 “以排为主”和“以堵为主，堵排结合”的方式。 “以堵为主，堵排结合”在工程上一般采用超前预注浆[3]的方式。理想情况下，注浆后加固圈与衬砌紧密结合，并且是完全不透水的，加固圈承受所有的外水压力。但在实际工程中，注浆加固圈与衬砌不可能紧密结合，水流会从围岩中渗出，进入围岩和衬砌之间的空间，渗出的水就会对衬砌结构产生水压力。随着时间的推移，进入存水空间的水量会不断增加，水压力也会不断增大。因此，必须采取措施来消减注浆加固圈和衬砌之间的水量。本文采取的措施是围岩灌浆之后在隧洞衬砌面上钻孔排水。

1 衬砌受力分析

1.1 模型与参数

用ANSYS建立局部隧洞三维模型，模型尺寸为100 m×100 m×120 m。其中，120 m为沿洞长方向长度，隧洞衬砌后直径为10 m，衬砌厚0.8 m，灌浆圈厚10 m。计算参数均按照某工程具体实例取值。衬砌的渗透系数为1×10-7m/s，围岩渗透系数为6×10-4m/s。在隧洞周围衬砌上布置钻孔，间距为2.5 m，钻孔贯穿衬砌并深入围岩10 cm。透水衬砌三维模型见图1。

图1 透水衬砌三维模型

（1）有限元网格剖分:总单元共115200个，节点共123904个。为便于准确模拟隧洞周边及衬砌部位的实体，采用加密网格的处理方法，其中衬砌部分总单元共15360个，节点数共23232个。较大的计算规模可以有效保证结构分析模型的计算精度。

（2）边界条件:计算模型的底边界取为隔水边界，顶部边界取为定水头100 m，左、右边界按水力梯度施加。前后垂直于洞长方向的边界均取为隔水边界。隧洞衬砌内壁当作透水边界来处理。

1.2 设计计算

首先按衬砌连续无钻孔密实状态计算。灌浆圈渗透系数分别取为2.5×10-6m/s（方案1）和2.5×10-7m/s（方案2）。图2为方案1和方案2衬砌的等压力水头线，可得衬砌外缘最大渗透压力分别为1.297 MPa和0.532 MPa。深埋隧洞水压力由衬砌和注浆加固圈共同承担，衬砌和注浆加固圈最大裂缝宽度计算Wmax公式为

式中，α1为考虑构件受力特征的系数；α2为考虑钢筋表面形状系数；α3为考虑荷载长期作用影响系数；d为受拉钢筋直径；c为最外排纵向受拉钢筋边缘至受拉区底边的距离；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率；σsl为按荷载效应的长期组合计算的构件纵向受拉钢筋应力。

图2 衬砌等压力水头线 （单位:kPa）

DL/T 5195—2004《水工隧洞设计规范》要求Wmax≤0.20mm，方案 1和方案 2计算出的分别为0.34 mm和0.21 mm。要满足规范要求，需要的配筋量很大，而在Ⅳ、Ⅴ类围岩中很难进行配筋施工[4]。为此，对原衬砌结构进行了改进。

在隧洞周围衬砌上布置钻孔，间距2.5 m，钻孔贯穿衬砌并深入围岩10 cm。灌浆圈渗透系数分别取为 2.5×10-9m/s （方案 3）、2.5×10-10m/s （方案 4）。图3为4个方案计算所得整体模型的断面等压力水头线分布。

图3 整体断面等压力水头线 （单位:kPa）

根据灌浆圈和衬砌断面等压力水头线，选取相同节点分别计算在4个方案下的渗透梯度并进行比较。计算结果见表1。

2 计算结果分析

（1）方案1和方案2都为不透水衬砌，方案2灌浆圈渗透系数比方案1小一个数量级，灌浆圈的渗透梯度大约是方案1的3倍，衬砌外缘最大水压力由1.297 MPa减小到0.532 MPa，效果显著，说明不透水情况下灌浆圈渗透系数越小，渗入灌浆圈和衬砌结合面的水越少，衬砌外缘外水压力越小，衬砌渗透梯度也大大减小。

表1 不同方案计算结果

（2）方案3和方案4都为透水衬砌，方案4灌浆圈渗透系数比方案3小一个数量级，灌浆圈的渗透梯度没有改变多少，这说明灌浆圈的渗透系数减小到一定程度之后对灌浆圈渗透性影响不大。衬砌外缘最大水压力大幅减小，由0.016MPa减小到0.010MPa。

（3）不透水衬砌和透水衬砌方案下，灌浆圈渗透梯度由34.878增大到164.091，增大了371%，这是由于灌浆圈的渗透系数由2.5×10-6m/s下降为2.5×10-10m/s，衬砌外缘最大水压力由1.297MPa减小到0.010 MPa，下降了99.23%，衬砌渗透梯度由1368.914减小到9.880，下降了99.28%，因此，在保证灌浆圈的渗透系数足够小的情况下，透水衬砌具有很大的优越性。

3 结 论

根据三维数值计算结果，从外水压力的大小、灌浆圈渗透梯度、衬砌结构受力3个方面论证了透水衬砌能很好地防治高外水压力，也能大幅度减小外水压力，并且节省钢筋，便于施工，为在类似地区修建地下工程提供参考。

［1］DL/T5195—2004 水工隧洞设计规范[S].

［2］王建秀，杨立中，何静.深埋隧道外水压力计算的解析—数值方法[J].水文地质工程地质，2002（3）:17-19.

［3］张继勋，任旭华，姜弘道，等，高外水压力下隧道工程的渗控措施研究[J].水文地质工程地质，2006（6）: 62-65.

［4］蔡晓鸿，贺昔元.断裂力学在水工高压隧洞限裂设计中的应用探讨[J].江西水利科技，2000，26（3）: 159-166.

［5］张巍，郑晶星，黄立才，等.惠州抽水蓄能电站A厂上游水道设计综述[J].水力发电，2010，36（9）:33-36.

［6］梁成平，黄立财，卢兆康.广蓄二期工程高压隧洞设计[J].水力发电，2001（11）: 34-36.