富水區(qū)深埋無壓長隧洞排水措施及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析研究

蘇 丹，李繼偉，馬 俊

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 國內(nèi)外隧洞地下工程發(fā)展現(xiàn)狀

日本青函隧道是世界上最長的一條隧道。它跨越津輕海峽，連接北海道和本州的鐵路。最大水深140m，最小覆蓋層厚100m。施工時，要用澆灌機在隧道壁上以80kg/m2重的壓力注入水泥、苛性鉀和硅石混合組成的砂漿，構(gòu)成海底深處的隧道撐墻，以堵塞海床裂縫和斷層可能造成的危害，借以封固海底隧道，以免海水滲透侵入。

英法隧道，由三條長51km的平行隧洞組成，其中海底段的隧洞長度為3×38km，是世界第二長的海底隧道及海底段世界最長的鐵路隧道。它故意設(shè)計為滲水模式以防水壓：若不滲漏，則無法承受隧道周圍巖石中的水壓。

我國引水輸水的隧道工程規(guī)模也相當(dāng)大。以引漢濟渭秦嶺隧洞項目為例，輸水隧洞總長98.3km，穿越秦嶺送至關(guān)中地區(qū)，地下埋深最深達(dá)2000m。

公路隧道、海底隧道還是穿越山嶺的跨流域調(diào)水隧洞，都是復(fù)雜的工程，而外水壓力評估及防排水措施更是重中之重。

2 削減富水區(qū)外水壓力的工程措施[1]

近年來在實際工程中采用灌漿封堵和施打排水孔排水的工程措施。

灌漿有以下作用：①固結(jié)、黏合、防滲的作用；②提高基巖的承載強度、抗變形能力和改善傳遞應(yīng)力的條件；③改善壩基滲流條件和減少滲漏量。但灌漿無法有效降低作用于襯砌上的外水壓力。

3 黃三段富水區(qū)防排水方案比選及外水壓力評估

3.1 圍巖富水性及涌水問題評價

黃三段總長16.52km，位于南秦嶺中段、漢江以北的中低山區(qū)，局部為中山區(qū)。黃三段沿線地形起伏較大，總體呈中部高、兩端低的形態(tài)，隧洞沿線中等富水區(qū)有2段，主要分布在區(qū)域性斷裂帶，總長度1150m，占隧洞全長的7.0%。隧洞施工中，洞壁以線狀流水、滴水為主，局部可能產(chǎn)生較大集中涌水。隧洞沿線弱富水區(qū)有4段，主要分布裂隙相對密集區(qū)，總長度2690m，占隧洞全長的16.3%。隧洞施工中，洞壁以線狀流水、滴水為主，局部可能產(chǎn)生集中涌水。

中等富水區(qū)和弱富水區(qū)是施工排水及外水壓力計算時需要考慮的重點。

3.2 排水方案確定

為保證有效降低作用于襯砌上的外水壓力，對位于中等富水區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖中隧洞以及弱富

表1 外水壓力折減系數(shù)

水區(qū)Ⅴ類圍巖中隧洞對防排水板與排水孔相結(jié)合的排水方案和毛細(xì)透排水帶排水方案進行比選，作用于襯砌上的外水壓力根據(jù)滲流計算結(jié)果確定。

3.2.1毛細(xì)透排水帶方案

防淤堵效果好；具有的毛細(xì)力及虹吸力特性能增進排水功效；接縫較少，施工工藝相對簡便，由于采取間隔鋪設(shè)，無法隔斷內(nèi)外水聯(lián)系；投資相對大。

3.2.2防排水板方案

存在于排水板上縱橫相通的排水通道將大大降低因局部堵塞造成的排水失效；可以保持混凝土澆筑過程中倉面的干燥，保證襯砌混凝土澆筑質(zhì)量；施工工藝相對復(fù)雜；投資相對小。

經(jīng)綜合比較分析，采用新型HW防排水板作為襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的防排水層。

3.3 推薦結(jié)論

位于中等富水區(qū)、弱富水區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖中以及貧水區(qū)Ⅳ、Ⅴ類圍巖中隧洞采用防排水板與排水孔相結(jié)合的排水方案。外水壓力折減系數(shù)見表1。

4 二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析

計算工況選取運行、檢修和施工三種工況。

黃三段隧洞橫斷面形式采用馬蹄形斷面，斷面型式如圖1所示。

圖1 馬蹄形斷面

采用有限元計算軟件SAP84進行計算，按荷載結(jié)構(gòu)法計算隧洞襯砌內(nèi)力，該程序采用的是襯砌邊值問題的數(shù)值解法，即計算襯砌的內(nèi)力和變形時，不需事先對抗力做出假設(shè)，而由程序自動迭代求出。

秦嶺隧洞黃三段穿越Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，因為外水壓力是襯砌結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，因此結(jié)合排水設(shè)計方案選擇典型斷面。Ⅱ類圍巖段不計外水壓力，且圍巖類別好，混凝土襯砌僅為減糙作用，本次計算不計算Ⅱ類圍巖斷面。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段均采用防排水板與排水孔相結(jié)合的排水方案，因此各選取1個典型斷面，內(nèi)力結(jié)構(gòu)如圖2—4及表2所示。

圖2 Ⅲ類圍巖內(nèi)力圖

圖3 Ⅳ類圍巖內(nèi)力圖

圖4 Ⅴ類圍巖內(nèi)力圖

軸力襯砌厚度/m內(nèi)力/(kN·m)頂拱側(cè)拱底拱軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩最大裂縫寬度/mmⅢ類圍巖運行期檢修期施工期0.4182.3-24.84-24.9222.3-28.52-19.43222.332.19-19.43185-19.77-13.14212.428.3112.36212.4-19.3312.361570220.4-142.8156639.22-28.5148184.46-91.0—Ⅳ類圍巖運行期檢修期施工期0.45447.159.5595.99735.7235.4185.8735.7235.4185.8693.648.6-86.36846.9223.3180846.9223.31801840158.1-375.91863516.5413.21863516.5413.20.231Ⅴ類圍巖運行期檢修期施工期0.5522.3-99.95101.6832.7197.7196.8704.229.58-212.553443.9683.35-832.6-271.9184.9832.6132.2184.91557258.1-396.91395509.3400.8135432.71-4770.174

注：軸力以壓為正，彎矩以桿件下部受拉為正。

5 結(jié)語

富水區(qū)的深埋隧洞，不論是在施工過程中還是在投入運行后，襯砌結(jié)構(gòu)一直處于地下水包圍之中。合理的排水措施、有效的降低外水壓力，結(jié)合灌漿等措施，才能使隧洞襯砌結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、工程投資經(jīng)濟。

黃三段深埋隧洞位于中等富水區(qū)、弱富水區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖中的洞段采用防排水板與排水孔相結(jié)合的排水方案，是一種合理有效的防排水措施。該防排水系統(tǒng)，改變了以往隧洞多采用防水板十排水盲溝的傳統(tǒng)型式，使得隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)的尺寸更優(yōu)化和配筋量更經(jīng)濟、排水能力與襯砌結(jié)構(gòu)的抗水壓能力更協(xié)調(diào)。為以后類似的工程提供了良好的借鑒。