岩石隧道衬砌渗透水的影响因素及防治措施

张田涛，张潍漪

(1.齐鲁交通发展集团有限公司建设管理分公司，山东济南 250102；2.济南工程职业技术学院，山东济南 250200)

0 引言

渗透水对隧道的危害极大，是常见的隧道病害之一。隧道长期渗透水使隧道产生侵蚀、积水等，大大降低隧道的使用寿命和功能，恶化隧道的运营行驶条件[1-4]。1)侵蚀。隧道在长期渗透水作用下，其衬砌结构、路基路面、机电及附属设施被水侵蚀，从而加快隧道内部钢筋、锚杆、管线等的锈蚀速度，缩短隧道的使用寿命。2)积水。隧道渗透水造成路面积水，恶化车辆的行使环境。3)冻涨、挂冰。隧道渗透水会使衬砌产生反复的冻融循环，导致衬砌冻涨开裂甚至剥落；在北方地区冬季渗透水会凝结成冰锥等，冰锥脱落时，给隧道内的行车带来极大的安全隐患。

因此，良好的隧道防排水是隧道耐久性和安全性的重要保障。岩石隧道衬砌处的渗水压力是影响隧道渗透水的直接因素，本文计算隧道衬砌处的渗水压力，分析渗水压力的影响因素，同时结合隧道有限元应力分析，找出应力最大的部位，有针对性的提出防治隧道渗透水的措施[5]。

1 岩石隧道衬砌渗水压力的影响因素

水在岩体孔隙中运动时需要克服水与隙壁以及不同流速的水之间的摩擦力而消耗机械能，造成水头损失，可通过水头损失及摩擦力反算隧道衬砌处的渗水压力。根据能量守恒定律，引入达西定律，推导衬砌处渗水压力的计算公式。为简化计算，做以下假设[6-8]：1)岩体含水完全饱和；2)水与岩体之间不发生物理化学反应，渗透路径和渗透系数不发生变化；3)衬砌为不透水材料时，作用在衬砌上的渗水压力为边界力(面力)；当考虑衬砌的渗透性时，此渗水压力为体积力。假设隧道衬砌为透水材料，且计算推导过程不考虑防水板的作用；4)岩体物理特性(渗透性、孔隙、裂隙、倾向、损失系数等)整体一致。

从地表水(特指雨水及地表河流等)及地下水(特指地下暗河、溶洞积水等)两方面考虑，根据能量守恒定律及上述假设条件可知，单位体积水刚好可以从衬砌表面流出时的临界状态公式为：

(FbLb+FxLx)-(hwb+hwx)=FcLc-hwc，

(1)

式中：Fb为单位体积地表水的渗水压力(静水压力)，Fb=ρgHb，其中ρ为水的密度，g为重力加速度，Hb为地表水与隧道衬砌的高差；Lb为地表水的渗透路径长度；Fx为单位体积地下水的渗水压力(静水压力)，Fx=ρgHx，其中Hx为地下水与隧道衬砌的高差；Lx为地下水的渗透路径长度；hwb为单位体积地表水的水位差产生的势能；hwx为单位体积地下水的水位差产生的势能；Fc为隧道衬砌处的渗水压力；Lc为渗透水在衬砌内的渗透路径长度；hwc为隧道衬砌处的渗透水的水位差产生的势能。

由于水的渗透速度v同时对渗水压力的摩擦损失和渗透路径产生影响，由达西定律得

v=ki,

式中：k为渗透系数；i为水力坡度，又称比降，流体从机械能较大的断面向机械能较小的断面流动时，沿流程每单位距离的水头损失，即总水头线的坡度。

渗透水克服摩擦阻力做功会造成水头损失hw，包括沿程水头损失和局部水头损失。

岩体水沿程水头损失

(2)

式中：λs为岩体水沿程损失系数,ds为岩体渗透空间的孔隙直径,ks为岩体的渗透系数,ib为岩体水力坡度[9-12]。

局部水头损失

(3)

式中：ξs为岩体水局部损失系数。

hwx与hwb之和等于hf与hj之和，由式(2)(3)得

(4)

同理，hwc为隧道衬砌处的渗透水的水位差产生的势能,等于衬砌水沿程水头损失与衬砌水局部水头损失之和:

(5)

式中：λc为衬砌水沿程损失系数,dc为衬砌的渗透空间的孔隙直径，kc为衬砌的渗透系数,ic为衬砌水力坡度,ξc为衬砌水局部损失系数。

将式(4)(5)代入式(1)，得渗水压力

(6)

从式(6)可以看出，影响隧道衬砌渗水压力的因素可归结为3个方面：

1)由岩体水、衬砌水水位差产生的势能。隧道埋深、地表水与隧道衬砌的高差，地下水的水位与隧道衬砌的高差等因素与隧道衬砌渗水压力成正比。

2)岩体。主要与地表水在岩体中的渗透路径、地下水在岩体中的渗透路径、水在岩体中流动的沿程损失系数和局部损失系数、水在岩体中流动的水力梯度、水在岩体中的渗透系数、水在岩体中渗透的孔隙直径、岩体的裂隙发育及其倾向和倾角有关，岩体裂隙越发育，隧道衬砌渗水压力越大。

3)衬砌。主要与水在衬砌中的渗透路径、水在衬砌中流动的沿程损失系数和局部损失系数、水在衬砌中流动的水力梯度、水在衬砌中的渗透系数、水在衬砌中渗透的孔隙直径有关，总体来说，衬砌越密实、厚度越大，阻抗渗水能力越强，隧道衬砌渗水压力越小。

2 隧道有限元数值模拟

通过假设，得到了影响隧道衬砌渗水压力的理论公式，但理论公式的影响因素较多，较难确定隧道衬砌渗水压力的主要影响因素，为了便于分析应用，将理论公式编写程序嵌入ABAQUS软件，对隧道进行应力分析，以便分析确定隧道衬砌渗透水的主要影响因素。

2.1 工程概况

某水库区位于某隧道左线ZK2+402处东侧660.5 m的风景区山谷内，该段围岩衬砌结构设计图如图1所示。水库当前水位高程182.2 m，隧道ZK2+402处隧底设计高程176.4 m，隧道顶高程188.9 m。该隧道ZK2+402处于Ⅲ级围岩段，该段岩性为中风化灰岩，结构面发育，层间结合较好，大部分镶嵌碎裂结构，局部为整体状结构，节理、裂隙及溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎，易沿裂隙面漏水，围岩自稳能力一般。该水库蓄水后造成水库与隧道底之间的水位差约5.8 ～14.6 m，考虑该段工程地质和水文地质情况，初步估计，施工时出现渗透水的可能性较大。

2.2 基本模型

2.2.1 建立模型

由圣维南原理可知，隧道开挖后的影响面积，大致为距隧道中心点3～5倍的开挖宽度(高度)[13-15]。隧道水平方向上取5倍跨径，约为85 m；隧道垂直方向上分为2部分，第一部分为拱顶以上的上覆岩层，这部分取该隧道的实际距离，即15 m；第二部分为仰拱以下的下覆岩层，这部分取径高的5倍，约为55 m。采用ABAQUS软件建立高80 m、宽170 m的隧道模型，隧道模型及网格划分，如图2所示。

2.2.2 模型计算

隧道模型计算参数如表1所示[16-20]。

2.2.3 应力分析结果

通过ABAQUS软件对有限元模型进行仿真分析，不同水位差时隧道衬砌受力分析结果如图3所示(图中单位为MPa)，不同水头损失时隧道衬砌受力分析结果如图4所示(图中单位为MPa)。

表1 围岩物理力学参数表

a) 水位差为0 b) 水位差为5.8 m c) 水位差为14.6 m 图3 不同水位差时隧道衬砌应力

a) hw=0 b)hw=25%Fc c)hw=50%Fc图4 不同水头损失时的隧道衬砌应力图

由图3可知：当水库与隧道底之间的水位差分别为0、5.8、14.6 m时，隧道最大衬砌应力分别为78.130、9.899、14.630 MPa，即随着水库与隧道底之间的水位差的增大，隧道最大衬砌应力增大，且隧道衬砌最大应力位于墙脚处。因此降低水库与隧道底之间的水位差可以有效降低隧道衬砌应力，保证隧道的安全可靠。

由图4可知：在其他条件不变的情况下，水位损失分别为0、25%Fc、50%Fc时，隧道衬砌的最大应力分别为10.670、9.899、9.028 MPa，即随着水头损失的增加，隧道衬砌的最大应力减少，最大应力位于隧道衬砌墙脚处。

通过注浆、锚杆加固等方式增大围岩的抗渗性能，以减小隧道衬砌上的受力，从而有效抑制隧道施工时出现渗透水的可能性。

3 防治隧道渗水的措施

结合隧道渗水压力的影响因素及有限元分析结果，从水位差势能(储水量)、岩体及衬砌3个方面提出防治隧道渗水的措施。

1)降低水位差势能(储水量)。适当控制水库内的蓄水量，降低水与隧底的水位差；隧道地表做好排水及截水设施；通过井点降水、泄水洞排水、开挖径向注浆堵水等方式降低地下水的水位和水量，从而降低渗水压力[21-22]；开挖前可将水库的水抽干，待工程完结后再将水库中的水放满。

2)改善岩体性质。通过地表注浆、局部注浆、超前水平旋喷桩、锚杆加固等方式，降低岩体的渗透性、提高水流在岩体中流动的损失系数，从而减小水在岩体中的渗透系数[23]。

3)提高衬砌质量。适当加大衬砌的厚度；特殊条件下，可考虑使用防水混凝土；采用合理的施工工艺，避免出现蜂窝、孔洞等形成渗透水的通道[24]，提高隧道衬砌阻抗渗水的能力。

4 结论

1)分析隧道渗透水的危害，引入假设条件，将达西定律带入能量守恒定律，得出隧道衬砌渗水压力的计算公式，将影响隧道渗水压力的各个因素归纳为水位差势能、储水量、岩体、衬砌等4个方面。

2)以某隧道为例，建立该隧道有限元模型，分析隧道衬砌应力随水位差和水头损失的变化情况，找出受力的最大部位。

3)综合隧道渗水压力的各影响因素和隧道衬砌应力的分析结果，从降低水位差、改善岩体性质、提高衬砌质量等方面，提出了防治隧道渗透水的相应措施。