高水压山地城市隧道地下水限量排放研究

朱小兵,周元辅,安 柯,汪振伟,周学勇

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 401121;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;3.中建隧道建设有限公司,重庆 400054)

0 引言

近些年来,西南山区的地下水问题成了该区域隧道工程建设面临的主要问题之一,隧道发生涌水时,根据以往的工程经验多采用“宁疏勿堵”的原则。然而经验证明,隧道地下水的排放将导致水层被疏干,使生态环境恶化,同时丰富的地下水和不完善的防排水系统导致隧道水害问题频发,影响隧道行车安全,降低衬砌结构的耐久性。因此,“控制型防排水”的理念随之产生。

国内众多专家和学者在该方面开展了一系列的研究。付钢针对隧道采用“以堵为主,限量排放”的防排水措施后,衬砌外水荷载的计算,以及排水系统排水能力大小对衬砌外水荷载的影响进行了探讨[1]。赵瑞等开展了隔挡式背斜区隧道群地下水渗流模拟演化研究,认为数值法可以较好地模拟预测隧道群开挖过程中隔挡式背斜区的渗流场变化[2]。基于此,本文以重庆土主隧道为依托工程,应用FLAC3D有限差分软件建立三维模型,研究不同水压作用下隧道支护结构受力,为我国山岭隧道设计提供科学参考,具有显著的社会价值。

1 数值模型与计算参数

整个模型的计算范围为135 m×2 m×1 700 m。孔隙水压力为静水压,初支、二衬用实体单元模拟。隧道围岩体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,其他材料均为弹性。隧道初期支护主要由喷射混凝土、钢筋网和钢拱架组成,在FLAC3D隧道数值模拟中,采用实体单元来模拟喷射混凝土,钢筋网和钢拱架采用等效的方法来考虑钢拱架和钢筋网在支护系统中的作用。模型的边界条件包含模型位移边界条件和模型渗流边界条件,位移边界:模型除顶面为自由边界外,其余五个面约束法向位移。渗流边界:隧道开挖之前,内部含水岩土体假定为富水饱和状态,相应的静孔隙水压力与所在位置的埋深成正比线性关系,模型Z=max处为透水边界相应的孔压为零,其他表面均为不透水边界,随着围岩体的开挖相应的临空面会发生渗流运动,临空面为透水边界其孔压设定为零。所分析的隧道为深埋隧道,岩土体的初始地应力场仅考虑自重应力。

计算所用材料参数和支护结构参数的选取参考了《公路隧道设计规范》(JTG D70-2018)、《公路隧道设计规范细则》(JTG/T D70-2010)及土主隧道地勘资料所得,详见表1。

表1 模拟计算参数

2 计算工况

本研究分析了隧道施工过程中地下水位在20～100 m时,Ⅳ级和Ⅴ级不同围岩等级,以及不同截面条件下,隧道涌水量、位移场、外水压力、衬砌受水压力演化规律。具体计算工况见表2。

表2 计算工况

3 结果分析

3.1 隧道涌水量

地下动力学法对模拟工况各水位下的隧道涌水量进行预测。模拟的工况根据土主隧道水文地质资料进行设计,地下水位至隧道底部的深度取30、40、50、60、70、80、90、100和110 m。分别计算Ⅳ级和Ⅴ级不同围岩等级不同水位高度对应的正常涌水量:

Ⅳ级、Ⅴ级围岩土主隧道围岩涌水量随着静水位至隧底深度的升高而增加,且围岩等级越差,其隧道涌水量越大,相同静水位时,不同围岩等级隧道涌水量相差约为400 m3/d。

3.2 围岩变形分析

水平位移和竖向位移是分析围岩变形特征的主要指标。图1,图2分别是工况1(Ⅳ级围岩)与工况2(Ⅴ级围岩)在地下水位变动情况下横向位移与竖向位移变化趋势图,通过对比Ⅳ级围岩与Ⅴ级围岩的横竖向位移可以发现,两种工况的位移均随着水位高度的升高而升高,而Ⅴ级围岩的位移略大于Ⅳ级围岩,其中横向位移最值在水位为100 m时达到了5.22 mm,竖向位移最值在水位为100 m时达到了43.17 mm;从数值上看位移值较小,说明衬砌仍能够发挥较好的支护作用。

图1 横向位移变化趋势 图2 竖向位移变化趋势

3.3 外水压力分析

在隧道开挖前,内部含水岩土体假定为富水饱和状态,岩体内的初始孔隙水压力符合静孔隙水压力特征,呈γh的线性分布,其中γ=104,h表示水头高度,随着地下水位深度的增加而增大,最大孔隙水压力位于模型最底部,以地下水位为60 m的模型为例,水头高度为模型地下水位高度至模型底部,即h=130 m,此时模型底部的水压力为1.3 MPa,这与理论计算数值孔隙水压力P=γh=104×130=1.3 MPa相一致。

将临空面孔压设为零作为自由透水边界,围岩体内地下水渗流流入开挖空间,区域内渗流场会发生变化。隧道开挖之后地下水向开挖区域发生渗流运动,地下水不断涌入隧道内,在临空面周围渗流运动尤为剧烈,形成了一个渗流漏斗区域,根据渗流矢量云图,渗流方向垂直临空面为隧道径向,大体上隧道拱脚和拱底处渗流梯度较大而拱腰和拱顶位置的渗流梯度较小,渗流主要朝着渗流梯度大的方向进行,且该处水压等势线尤为密集,相应的渗透压力也最大。从拱顶至地下水平面起每5m提取该位置的孔隙水压力值,提取结果如图3所示。

根据曲线变化值可发现,距拱顶60～20 m这一范围内,孔隙水压力会随着地下水深度的增大而近似线性增大,与初始状态下的孔隙水压力数值基本一致,在距离隧道拱顶0～20 m范围内,孔隙水压力呈现非线性变化,孔隙水压力减小十分明显,这是因为在流固耦合计算过程中,隧道开挖之后地下水不断涌入孔隙水压力为零的隧道临空面内,地下水不断流失,从而引起隧道周围孔隙水压力比初始状态下的孔隙水压力小,这也使得渗流计算后岩体孔隙水压力云图呈现出渗流漏斗形状。Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩开挖后水压力变化曲线如图4所示。

根据曲线变化值可发现,Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩的孔隙水压力分布规律基本一致,说明了衬砌外水压虽然与围岩渗透系数有关,但围岩渗透系数影响十分有限,而且Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩渗透系数相差不大,主要还是取决于计算位置到地下水位的距离,因此Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩的孔隙水压力分布曲线基本一致。

图3 孔隙水压力变化值 图4 水压变化图

3.4 衬砌受水压力分析

探究不同地下水位产生的水压力作用在隧道衬砌结构的水压分布特征,当采用Ⅳ级围岩时,衬砌水压力变化曲线图,如图5所示。

图5 衬砌水压力变化 图6 衬砌水压力变化

通过衬砌水压力变化曲线可以发现,随着水位逐渐升高,衬砌所承受的水压力呈近似线性增加,符合水压力的变化规律,地下水位为20 m时衬砌所受水压极值最小,为0.041 7 MPa,地下水位为100 m时衬砌所受水压极值最大,为0.150 7 MPa,与最小值相比增加了约260%,从水压值看,衬砌所受水压较小,处于较安全的受力状态。数值计算也说明隧道在不同地下水位时进行排水,衬砌所受水压力比不排水的水压小,适当的排放地下水可降低衬砌受地下水压力。Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩衬砌所受水压力变化曲线如图6所示。

通过对比Ⅳ级围岩可以发现,Ⅴ级围岩衬砌所受水压力极值略大于Ⅳ级围岩,这是由于Ⅴ级围岩的渗透系数较大,有更多的地下水可以到达隧道衬砌从而引起更大的水压力。从变化规律上看,Ⅴ级围岩的水压力变化和Ⅳ级围岩相同,均接近线性分布,同样满足水压力的变化规律,在20 m水位时所受水压最小,为0.044 2 MPa,100 m水位时所受水压最大,为0.16 MPa,与最小值相比增加了约260%,与Ⅳ级围岩衬砌水压变化值相近,因此围岩参数的改变对衬砌所受水压影响较小,应综合考虑衬砌总应力。

4 结语

结合重庆土主隧道,通过FLAC3D有限差分软件,对不同水头下,不同围岩等级及不同截面条件下隧道支护结构的较深入的研究,主要结论如下:

(1)不同围岩等级、截面尺寸和埋深条件下,水位高度变化对隧道衬砌结构受水压力和最大、最小主应力的影响规律,利用衬砌安全系数得到各工况下衬砌能够承受的极限水位高度,以该水位高度所对应的地下水排放量作为对应工况下地下水限量排放的最低标准值。

(2)围岩等级越高,围岩质量越差,隧道周边位移越大,从总体上看Ⅴ级围岩的位移略大于Ⅳ级围岩,其中横向位移最值在水位为100 m时达到5.22 mm,竖向位移最值在水位为100 m时达到43.17 mm,与Ⅳ级围岩的横向位移最值4.49 mm相比增加了16.2%,与Ⅳ级围岩的竖向位移最值43.76 mm相比减少了约1.3%。三车道隧道的横竖向位移极值均大于两车道隧道,其中三车道隧道在地下水位100 m时,水平方向最大位移为4.68 mm,竖直方向最大位移为44.82 mm。与两车道隧道相比,水平方向位移极值增大了约4.2%,竖直方向位移极值增大了约2.4%。

(3)对比不同围岩等级条件下的水压力分布特征可以发现,Ⅳ级、Ⅴ级围岩水压力分布相差不大,围岩等级对水压力分布的影响较小。三车道隧道的水压力分布规律与两车道隧道相似,但水压极值比两车道隧道大约0.08 MPa。三车道隧道衬砌所受水压力极值为0.158 MPa,比两车道的情况大约4.8%。

(4)在隧道开挖前各工况水压力为均匀分布,水压力大小均满足理论计算数值;隧道开挖后距拱顶60～20 m这一范围内,孔隙水压力随着地下水深度的增大而近似线性增大,与初始状态下的孔隙水压力数值基本一致,在距离隧道拱顶0～20 m范围内,孔隙水压力呈现非线性变化,约从0.4～0.5 MPa降至衬砌受水压0.04～0.15 MPa值。