富水隧道基于温度比拟法的合理注浆参数研究

邱月，何聪，邹育麟，何 川

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031；3.四川省铁路产业投资集团有限责任公司，四川成都610031)



富水隧道基于温度比拟法的合理注浆参数研究

邱月1，何聪2，邹育麟3，何 川1

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031；3.四川省铁路产业投资集团有限责任公司，四川成都610031)

摘要:以南大梁(南充-大竹-梁平)高速华蓥山隧道为工程背景，针对其在断层富水区段使用的“以堵为主，限量排放”的防排水原则，采用温度比拟法对不同注浆参数下衬砌的外水压力、内力、安全系数以及隧道排水量进行研究。研究结果表明：注浆圈在一定施作范围内可有效降低隧道洞内排水量、衬砌结构外水压及其内力，从而增大衬砌结构安全系数，提高其安全储备能力，但总体而言，注浆参数存在一个相对经济合理的范围。据此，以隧道设计排水量和二次衬砌结构安全性为评判标准，结合隧区生态环境等要求，提出华蓥山隧道注浆参数的设计建议值。

关键词：富水区；隧道工程；温度比拟法；注浆参数；衬砌外水压力

随着隧道建设技术的逐步发展，高速公路网络不断向山区延伸，穿越高压富水地区的高速公路隧道也逐渐增多。而高压富水地区地质条件复杂，断层破碎带、岩溶、局部高水压等不良地质状况十分常见，为了应对隧道建设过程中的经济、技术、环保等一系列的问题，“以堵为主，限量排放”即“堵水限排”的设计理念广泛采用[1-2]。渝怀铁路圆梁山隧道和歌乐山隧道以及宜万铁路重点隧道等工程在穿越高压富水区时均采用这种设计。采用“堵水限排”时，地下水荷载成为衬砌结构的主要荷载，如何确定衬砌水压成为隧道在设计和施工时无法回避的问题[3-4]。目前，衬砌外水压力的计算方法主要有折减系数法、理论解析法以及数值分析方法等。对于复杂的渗流场计算，通常根据实际工程建立数值模型，采用考虑流固耦合的有限差分法或有限元法进行计算[5]。但是，如果计算模型复杂，单元数目庞大的情况下，采用流固耦合计算衬砌水压时间变长，实用性不高。温度比拟法是利用ANSYS中的热分析模块，不考虑流固耦合效应情况下，采用温度场比拟渗流场实现衬砌水压的快速计算[6]。在“堵水限排”结构体系中，注浆圈作为防止地下水进入隧道内部的第一道防线，是控制地下水排放的主要手段。目前，国内外注浆参数设计仍以经验为主[7]，注浆参数设计理论有待进一步的发展。张成平等[8]提出根据排水量和衬砌水压的相互影响关系来确定合理注浆参数；刘招伟等[9]在对充填物结构和强度分析的基础上进行注浆参数设计。本文依托南大梁(南充-大竹-梁平)高速华蓥山隧道，针对其“堵水限排”体系，以快速高效获取衬砌水压为目标，采用温度比拟法，研究断层富水区段衬砌的外水压力、内力、安全系数以及隧道排水量随注浆参数的变化规律，并给出注浆设计参数的建议值，为本工程合理注浆参数的选取提供理论依据。

1工程概况

华蓥山隧道是南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路重点控制性工程，隧道全长8 168 m，设计时速80 km/h。隧道按双向4车道分离式双洞布置，净宽11 m，净高8.68 m，具体设计参数见图1。隧道穿越华蓥山背斜和区域F1断层(图2)，不良地质和特殊岩土包括断层破碎带、岩溶、采空区、煤层瓦斯、石膏及盐溶角砾岩等。隧道通过水平循环带，岩溶强烈发育，施工中存在突水和突泥的风险，局部地段存在软岩变形破坏的可能。

图1　华蓥山隧道内轮廓图Fig.1 Internal contour of Huayingshan tunnel

2计算方法的确定

2.1温度比拟法原理

采用温度比拟法进行衬砌结构水压计算，该法是基于ANSYS中温度场与渗流场的高度相似性，在明确了两场中对应替换的参量之后进行的等效计算。渗流场与温度场在基础理论、初始条件、微分控制方程以及2类边界条件上有着高度的相似性[10]，其相关公式的对照见表1。如果把对应的参数进行替换，渗流场和温度场则可以相应的转换，即渗流计算可以用温度比拟法替代完成。计算时各公式具体参量间的替换见表2。

采用温度比拟法进行渗流场计算分析时，需对计算做以下假设：

1)假设隧道围岩为均质、连续、各项同性介质，不考虑地层构造应力；

2)渗流属于恒定流且满足达西定律；

3)地下水位恒定，不因隧道开挖排水、排水管排水而改变。

2.2计算模型

计算模型由隧道中心点向两侧及上下表面各取约5倍洞径宽度，为50 m(图3)。纵向建立3环环向排水管，相邻两环构成一个排水区间，地下水通过环向和纵向排水盲管以及中央排水沟进行排导(图4)。选取solid70单元模拟围岩、初期支护、二次衬砌、注浆层、中央排水沟、透水层、防水板等。由于隧道断层富水区的围岩并不满足“均质、连续、各项同性”的计算假设，因此，根据地质勘测资料及相关文献，取围岩的综合渗透系数，将破碎岩体等效为渗透系数较大的均质岩体，以满足计算假设[11-14]，围岩及结构物的渗透系数取值见表3。

采用温度比拟法求得衬砌外水压力并将其施加在二次衬砌表面，利用荷载-结构模型计算衬砌结构内力和安全系数，荷载结构模型及荷载组合如图5所示。衬砌结构采用梁单元进行模拟，并通过单向受压土弹簧进行约束。土压荷载按照《公路隧道设计规范》[13]规定选取。

表2　渗流场与温度场参量替换表

3结算结果分析

3.1注浆参数对隧道排水量的影响

由图6可得如下结论：

1)注浆材料渗透系数相同时，注浆圈厚度越大，排水量越小；注浆圈厚度相同时，注浆材料渗透系数越小，排水量越小。表明增强注浆参数能够有效降低隧道排水量。

图3　模型整体示意Fig.3 Whole model diagram

图4　防排水系统示意图Fig.4 Waterproofing and drainage system

图5　荷载结构模型及荷载组合Fig.5 Load-structure model and load combination

围岩初衬二砌防水板透水垫层排水管渗透系数/(cm·s-1)2×10-41×10-51×10-64×10-94×10-44

图6　隧道排水量随注浆参数的变化规律Fig.6 Change law between discharge and grouting parameter

2)当h≥5 m或n≥50时，继续增加注浆圈厚度或减小注浆圈渗透系数，隧道排水量的降低不再明显。可见，注浆参数存在一个相对合理、经济的范围，并不是注浆材料的渗透系数越低、注浆圈的厚度越大，对排水量的控制效果越好。

3.2注浆参数对衬砌水压的影响

在拱顶静水头H=40 m工况下，分别计算h=1～10 m，n=10～100时衬砌的外水压力。由于各工况下衬砌水压的分布规律基本一致，本文仅给出h=5 m且n=50时的衬砌水压分布(图7)。拱顶和仰拱水压随注浆圈厚度与注浆材料渗透系数的变化规律见图8～9。

单位：m图7　h=5 m且n=50时衬砌外水压分布图Fig.7 Water pressure of lining under h=50 m and n=50

图8　拱顶水压随注浆参数的变化规律Fig.8 Change law between vault’s water pressure and grouting parameter

图9　仰拱水压随注浆参数的变化规律Fig.9 Change law between invert’s water pressure and grouting parameter

由图7～9可得如下结论：

1)拱部水压沿纵向周期性分布，在排水节间中部最大，在环向排水管处最小，故选取排水节间中部断面作为衬砌内力及安全系数的计算断面。

2)注浆材料渗透系数相同时，注浆圈厚度越大，衬砌结构水压越小；注浆圈厚度相同时，注浆材料渗透系数越小，衬砌结构水压越小。表明注浆圈的施作能够阻挡地下水向隧道内部汇集，使衬砌外水压力大幅减小。

3)当h≥5 m或n≥50时，继续增加注浆圈厚度或减小注浆圈渗透系数，拱顶和仰拱水头值的减小不再明显。可见，注浆参数存在一个相对合理、经济的范围，并不是注浆材料的渗透系数越低、注浆圈的厚度越大，对衬砌水压的折减效果越好。

3.3注浆参数对衬砌内力的影响

二次衬砌的边墙和仰拱间采用小半径隅角过渡，其拱脚容易产生应力集中。在拱顶静水头H=40 m工况下，分别计算h=1～10 m，n=10～100时衬砌的轴力和弯矩分布。h=5 m且n=50时的衬砌轴力和弯矩分布见图10。衬砌的最大轴力和最大弯矩随注浆圈厚度与注浆材料渗透系数的变化规律如图11～12。

(a)轴力分布(单位：N)；(b)弯矩分布(单位：N·m)图10　h=5 m且n=50时衬砌内力分布图Fig.10 Internal force of the lining under h=50 m and n=50

图11　最大轴力随注浆参数的变化规律Fig.11 Change law between maximum axial force and grouting parameter

图12　最大弯矩随注浆参数的变化规律Fig.12 Change law between maximum bending moment and grouting parameter

由图10～12可得如下结论：

1)衬砌的轴力在拱顶处最小，在拱脚处最大；弯矩也在拱脚处最大。

2)注浆材料渗透系数相同时，注浆圈厚度越大，衬砌的最大轴力和弯矩越小；注浆圈厚度相同时，注浆材料渗透系数越小，衬砌的最大轴力和弯矩也越小。表明施作注浆圈可使衬砌的内力分布更均匀，有利于结构受力。

3)当h≥5 m或n≥50时，继续增加注浆圈厚度或减小注浆圈渗透系数，最大轴力和弯矩的减小不再明显。可见，注浆参数存在一个相对合理、经济的范围，并不是注浆材料的渗透系数越低、注浆圈的厚度越大，对衬砌内力的减小效果越好。

3.4注浆参数对衬砌安全系数的影响

安全系数是结构安全性能的直观体现，在拱顶静水头H=40 m工况下，分别计算h=1～10 m，n=10～100时衬砌的安全系数。h=5 m且n=50时衬砌的安全系数分布见图13。衬砌安全系数最小值随注浆参数的变化规律见图14。

由图13～14可得如下结论：

1)衬砌的安全系数在拱脚处最小，为横截面上控制部位。

图13　h=5 m且n=50时衬砌安全系数分布图Fig.13 Safety factor of lining under h=50 m and n=50

图14　安全系数随注浆参数的变化规律Fig.14 Change law between safety factor and grouting parameter

2)注浆材料渗透系数相同时，注浆圈厚度越大，衬砌的安全系数越大；注浆圈厚度相同时，注浆材料渗透系数越小，衬砌的安全系数也越大。表明施作注浆圈可使衬砌的安全储备提高，满足规范的要求。

3)当h≥5 m或n≥50时，继续增加注浆圈厚度或减小注浆圈渗透系数，安全系数的增大不再明显。可见，注浆参数存在一个相对合理、经济的范围，并不是注浆材料的渗透系数越低、注浆圈的厚度越大，对安全系数的提高越大。

4合理注浆参数的确定

由前述分析可知，注浆参数h与n共同决定了隧道排水量和衬砌的外水压力、内力以及安全系数，且存在一个相对合理、经济的范围。在隧道建设过程中，为了有效地保护地下水和生态环境，需要确定地下水排放标准，即设计排水量。在满足设计排水量的同时，隧道结构的安全性能需要达到规范的要求。因此，本文通过隧道设计排水量和衬砌结构安全性两方面综合考虑进行合理注浆参数的确定。

鉴于目前的注浆技术水平，注浆圈渗透系数降低为注浆前围岩渗透系数的1/20～1/50是比较可行和经济的[15]。因此，综合以上两点要求，建议华蓥山断层富水区的注浆参数选取注浆圈厚度h=4 m，注浆材料渗透性能n=50，即注浆圈渗透系数kg=4×10-6cm/s，为围岩渗透系数的1/50，其确定步骤如图15所示。该注浆参数可以满足设计要求，在现场应用时，可通过帷幕注浆的方式实现。

图15　合理注浆参数确定步骤Fig.15 Program of determining appropriate parameters of grouting circle

5结论

1)基于有限元计算软件ANSYS中温度场和渗流场在基础理论、微分控制方程、初始条件和边界条件等四方面的相似性，明确了温度场和渗流场进行置换的相应参量，为ANSYS温度比拟法计算渗流问题的可行性提供了理论依据。

2)由于排水系统的影响，二次衬砌水压在纵向呈现周期性分布，隧道纵向最大水压出现在两环向排水管中部，最小水压出现在环向排水管处。

3)施作注浆圈可以降低隧道排水量、衬砌水压与内力，增大衬砌安全系数，提高结构安全储备。然而，其值的变化不随注浆圈厚度和注浆材料渗透系数的改变线性变化，注浆参数存在一个相对经济合理的范围。

4)本工程的合理注浆参数选取是以隧道设计排水量和二次衬砌结构安全性为判断标准，并结合华蓥山隧道现场资料，建议其注浆参数取值为：隧道断层富水区拱顶静水压力H=40 m地段，注浆圈厚度为4 m，注浆圈渗透系数为围岩渗透系数的1/50，即4×10-6cm/s。

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Study on the appropriate parameters of grouting circle for tunnel base on temperature analogy method in water-enriched regionQIU Yue1, HE Cong2, ZOU Yulin3，HE Chuan1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China；3. Sichuan Railway Investment Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China)

Abstract：This paper is based on huayingshan tunnel in Nandaliang highway, which connects Nanchong and Dazhu and Liangping. In view of the controlled drainage system in water-enriched fault region, temperature analogy method was adopted to discuss discharge, internal force and safety factor of tunnel lining under different grouting parameters. The results show that grouting circle can reduce discharge and internal force effectively, at the same time increase safety factor of lining. However, there exists a reasonable and economic range of grouting parameters. Taking designed discharge and structure safety as judgment criterion, reasonable grouting parameter for recommendation of Huayingshan tunnel through proposed on the basis of the field data.

Key words：water-enriched region; tunnel engineering; temperature analogy method; grouting parameter; water pressure of lining

中图分类号：U455.4

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0723-07

通讯作者：邱月(1990-)，女，四川成都人，博士研究生，从事隧道与地下工程设计理论研究工作；E-mail：849362131@qq.com

基金项目：国家自然基金煤炭联合基金重点项目(U1361210)；国家科技支撑计划课题(2013BAB10B04)；四川省交通科技项目(110109066)

收稿日期：2015-07-29