不同防排水形式下高水压海底隧道物理场分布规律研究

张佑钧， 刘志春， 孙晓迈

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东 日照 276800)

过去常见的山岭隧道多采用半包式防排水设计，但由于海底隧道最大的风险在于基岩裂隙水的渗流，并随着渗流通道裂隙的不断扩大产生突涌水灾害，致使海平面与隧道开挖区域贯通，使得海底隧道冲毁。因此海底隧道一般不适宜采用半包式防排水设计，采用全封堵的防排水设计能够较好地防范化解突涌水等工程灾害。全封堵市防排水设计如仅从防止突涌水的理念出发，为较好的防排水设计方案，但是全封堵式排水设计无法产生半包式防排水设计的限量排放对衬砌背后水压力的折减释放作用，对衬砌的受力变形状态控制较为不利。

以往的学者根据不同的海底隧道工程，进行了防排水形式的研究：张鹏等[1-5]分别以厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道和青岛地铁过海隧道为研究背景，对海底隧道不同的防排水形式进行研究，分析了注浆圈外和衬砌背后水压力分布和变化规律，指出海底隧道注浆圈外侧水压分布近似圆形，衬砌背后水压分布近似“葫芦”状。适当的排水，有利于发挥注浆加固区对衬砌背后水压的折减作用，指出注浆加固圈对于保障海底隧道安全的必要性。吕明[6]结合挪威海底隧道相关工程经验，指出采用超前帷幕注浆对开挖区域的渗流控制效果较好。王向阁[7]通过理论解析法研究后，指出在堵水限排条件下，注浆圈厚度越大，注浆圈渗透系数越小，衬砌背后水压力越小。其他学者[8-10]研究发现海底隧道穿越破碎带区域时，破碎带区域的应力与位移均发生较大增长。注浆加固圈对于海底隧道变形控制有显著的效果。

综合上述各位学者的研究成果发现，海底隧道防排水形式大多遵循堵水限量排放的设计理念，合理地设置注浆圈后，对于海底隧道衬砌背后水压力的折减和变形控制均产生了显著效果，据此针对汕头湾海底隧道工程，优化设计了一种适用于高水压海底隧道的防排水设计方案。

1 工程概况

汕头湾海底隧道为全国第一条高速铁路穿越高水压密集断裂带区域的海底隧道。

汕头湾海底隧道拟采用三台阶临时仰拱法进行该段海底隧道的开挖，初期支护C25喷射混凝土厚度为28 cm，并采用0.8 m/榀的型钢钢架I20。C50二次衬砌厚度为60 cm。临时仰拱采用临时型钢钢架I18和25 cm厚的C25喷射混凝土。开挖循环进尺设置为1 m，台阶长度为6 m，初期支护比开挖滞后1 m，二次衬砌按照设计要求及时施作，比初期支护滞后20 m。防排水设计分别采用不同的方式：全封堵式，半包式，限排式(拱底设置泄压阀限压排水)。在该3种设计的基础上，进行超前帷幕注浆堵水，止水岩盘超前距离为3 m。

隧道最大埋深约180 m，海域段最大水压为0.97 MPa，隧道穿越地质从淤泥到微风化花岗岩复杂多变，共穿越9条断裂带。本段海底隧道区为强富水区，在隧道施工过程中极易引起隧道突水、突泥。围岩的稳定性差，岩土体内赋存高水压，衬砌背后承受着较高的水头压力，施工风险性极高。

2 计算模型及计算工况

2.1 模型参数选取

根据相关地质条件资料，围岩土体采用Mohr-Column本构模型。假定4层岩土体，由上到下分别为淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、全风化花岗岩。锚杆及注浆加固等效为围岩加固圈。喷射混凝土、二次衬砌、临时仰拱均采用弹性本构。结合设计资料及现场勘查情况，当汕头湾海底隧道海域矿山法V级围岩段采用全封堵式防排水设计时，假定临时仰拱、二次衬砌不透水。模型计算参数详见表1。

表1 计算参数

2.2 尺寸及边界条件

2.2.1 位移及应力边界条件

根据下穿主航道的汕头湾海域矿山法V级围岩地段相关地质条件资料，以及Vha型复合式衬砌设计相关资料，为减少边界效应的不良影响，本文采用模型尺寸：160 m×30 m×150 m，网格划分见图1。

图1 网格划分

模型前后左右与底部边界设置了位移边界条件，约束边界上所有节点法向的位移，并按岩土体重度随深度方向设置梯度分布的初始竖向应力场，并设置侧压力系数为0.6。

2.2.2 渗流边界条件

由于本工程位于海底，另设置渗流边界条件，模型顶部即为海底，汕头湾主航道此处水深为18.7 m，因此渗流边界条件设定应符合海底孔隙水压力初始应力场特征，在模型顶部固定水头压力为0.187 MPa，模型的前、后、左、右、底部均设置为不透水边界。

泄压阀区域边界条件的设置：当拱底孔隙水压力大于0.5 MPa时，泄压阀打开，此时通过将泄压阀处实体网格的孔隙水压力降至0.5 MPa，模拟泄压阀打开泄水时的状态，由于泄压阀的泄水符合堵水限量排放的理念，即当泄压阀排水降低拱底衬砌背后水压力为0.5 MPa时停止排水。图2所示为泄压阀的网格处理。

图2 泄压阀网格处理

2.3 防排水形式及工况设计

汕头湾海底隧道防排水设计见图3、图4，工况设计见表2。

图3 汕头湾海底隧道防排水辅助措施(单位：mm)

图4 海底隧道防排水形式

表2 海底隧道不同防排水设计工况

(1) 半包式防排水设计：防水层仅拱墙位置处设置，仰拱处不设防水层，除初期支护具有透水性能以外，允许仰拱处衬砌透水，释放拱底较高的水头压力，拱底衬砌(透水处)渗透系数为5.12×10-7cm/s。

(2) 限排式防排水设计：防水层全环布置，仅在拱底设置泄压阀，当隧道拱底的水压力达到泄压阀临界压力0.5 MPa以上时，泄压阀打开，开放泄水通道，释放拱底水压力，直到拱底水压力小于或等于0.5 MPa时关闭泄压阀，封闭泄水通道，使拱底水压力始终不超过0.5 MPa。

(3) 全封堵式防排水设计：防水层全环设置，除初期支护具有透水性能以外，不允许二衬衬砌透水，不允许仰拱处衬砌透水，拱底有较高的水头压力。

3 渗流场分布规律

如图5所示，全封堵式防排水设计时，不论有无加固区孔压分布均相同，拱顶衬砌背后水压为0.79 MPa，拱底衬砌背后水压为0.94 MPa。

图5 全封堵式渗流场分布(单位:MPa)

通过对比有无加固区的限排式(拱底设置泄压阀)两种防排水设计条件下的渗流场(如图6所示)，发现渗流场的分布形态表现为：有加固圈时，因加固圈较低的透水性，海底隧道周围水压变化较为缓慢，但泄压阀在拱底附近区域所产生的泄压效应影响范围更广；无加固圈时，海底隧道周围水压由于泄压阀的存在，且由于海床下基岩较高的透水性，使其呈现出更明显的漏斗状分布形态，但对拱底附近区域所产生的水压折减影响范围更小。由于固定了拱底的泄压阀临界压力为0.5 MPa，因此不论是否设置加固区，拱底衬砌背后水压力均为0.5 MPa，拱顶衬砌背后水压均为0.75 MPa，有加固区时，洞周拱底附近区域的衬砌背后水压折减效果更佳。

图6 限排式渗流场分布(单位:MPa)

如图7所示，通过对比半包式防排水有无加固区工况的渗流场分布形态可知，当有加固区时，由于加固区较低的透水性，对仰拱附近区域的水压折减影响范围更广；无加固区时，海底隧道周围水压由于仰拱的透水性能，且由于海床下基岩较高的透水性，使其呈现出明显的漏斗状分布形态，但对仰拱附近区域所产生的水压折减影响范围更小。

图7 半包式渗流场分布(单位:MPa)

不同防排水形式衬砌背后水压力分布如图8所示。可知采用全封堵式防排水设计时衬砌背后的水压力分布按照初始状态的渗流场分布，不论是否施作加固区，都无法折减衬砌背后的水压力，因此该种设计的水压力最大，对于衬砌的受力状态与支护设计的经济性十分不利；半包式防排水设计条件下，衬砌背后的水压力最小，加固区可以提高水压力的折减效应影响范围；限排式(拱底设置泄压阀)设计条件下，衬砌背后的水压力较小，加固区同样可以提高水压力的折减效应影响范围。结合海底隧道的排水成本，从不同防排水形式的衬砌背后水压分布规律出发，限排式(有加固区)为最佳的防排水设计。

图8 不同防排水形式衬砌背后水压力分布(单位：MPa)

4 位移场及应力场分布规律

不同工况下的位移与结构应力计算结果，如表3所示。可知在高水压海底隧道施工开挖过程中，限排式设计的变形控制效果最好，半包式设计次之，全封堵式设计的变形控制效果最差，施作加固圈能够显著提高围岩强度，并使变形控制的效果显著。与全封堵式防排水设计相比，半包式防水设计更有利于控制洞周的变形，说明进行排水折减衬砌背后水压力有利于变形的控制，由于拱底衬砌的透水性能，折减衬砌背后水压力后，使得拱底的隆起值较小。与不设置加固区相比，加固区能有效控制半包式防排水设计的变形，改善衬砌的受力变形状态。限排式防排水设计也能产生类似半包式防水设计的变形控制效果，拱底受泄压阀的水压折减影响区域所产生的位移较小，说明高水压海底隧道开挖过程中，进行排水有利于变形控制，在进行排水的基础上，再辅以合理的注浆加固，能提高变形控制效果。

表3 不同防排水设计工况的位移及应力值

由表3分析不同的防排水形式衬砌结构的应力，其中应力值的负号代表压应力，正号代表拉应力。就应力水平而言，加固区能够有效降低高水压海底隧道的衬砌结构应力水平，且通过排水有利于折减衬砌背后的水压力，但综合考虑经济性等相关因素，半包式防排水形式的排水量相较于限排式的防排水形式，排水量过大，且限排式的结构应力状态已得到较好改善，因此就衬砌结构应力水平与变形控制效果而言，最佳的防排水设计为限排式(防水层全环设置但拱底设置泄压阀)。

5 结论

(1)高水压海底隧道的防排水设计理念应遵循堵水限量排放原则，与全封堵式防排水设计相比，进行适当的排水更有利于衬砌背后水压力的折减，改善衬砌的受力状态，再辅以合理的注浆加固，更有利于海底隧道开挖时穿越密集断裂带区域软弱围岩的变形控制。

(2)注浆加固区能够显著增强高水压海底隧道的变形控制效果，同时也能提高衬砌背后水压力的折减效果，因此海底隧道开挖施工过程中进行注浆加固很有必要。

(3)从改善海底隧道衬砌结构受力状态与变形控制的角度出发，应力状态最佳且变形控制效果最佳的防排水设计方案为限排式(防水层全环设置但拱底设置泄压阀)。