隧道工程以排為主設計原則的探討

隧道工程以排為主設計原則的探討

1隧道工程水環(huán)境與隧道設計原則目前，中國鐵路和公路的越嶺隧道，尤其是巖漿巖山區(qū)隧道的防洪設計，原則上貫徹“綜合防御、先排水”的綜合開發(fā)利用原則?！耙耘艦橹鳌彪m能減小襯砌水壓力，但不能根治隧道的各種水害，而且直接導致洞頂?shù)叵滤幌陆?、地表水和井泉涸竭、地面巖溶塌陷、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重影響人民的生產(chǎn)和生活，隧道部門也苦于補救和巨額賠償，因而隧道防排水“以堵為主”的呼聲日高。但是，隧道完全封堵地下水便會帶來巨大水壓力，尤其是深埋巖溶長隧道，水壓力往往高達若干兆帕，使襯砌難以承受。因此，隧道工程與地下水形成了復雜的相互作用鏈，從分析這個作用鏈的關鍵環(huán)節(jié)著手，探尋維持水環(huán)境平衡、減少洞頂環(huán)境災害和隧道水害的隧道設計原則具有現(xiàn)實意義。隧道工程與水環(huán)境的相互作用鏈如圖1所示，包括水環(huán)境對隧道工程的作用和隧道工程對水環(huán)境的反作用2個方面。水環(huán)境對隧道工程的作用表現(xiàn)為隧洞涌漏水和承受水壓力。在含水層中開鑿隧道，因洞頂存在一定高度的地下水水頭，導致隧洞中突水和涌水；繼之實施的隧道襯砌，則承受著地下水靜水壓力?！耙耘艦橹鳌钡脑O計原則，就是通過各種排水措施在襯砌外維持長期持續(xù)的排水，從而降低襯砌外水壓力，減小襯砌工程。隧道工程對水環(huán)境的反作用導致洞頂?shù)沫h(huán)境災害。隧道涌排水使地下水逐漸疏干，惡化水文地質條件，使地下水位不斷下降，地下水疏干漏斗不斷擴大，導致洞頂?shù)乇砗雍越?，水環(huán)境失去平衡，進而引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞和巖溶地面塌陷等災害。水環(huán)境與隧道工程之間的作用和反作用是有機聯(lián)系的。隧道“以排為主”則承受水壓力小而環(huán)境災害重，“以堵為主”則承受水壓力大而環(huán)境災害小。同時，隧道工程與水環(huán)境的相互作用是可逆的。隧道“以堵為主”后，隧道工程對水環(huán)境的反作用表現(xiàn)為洞頂水環(huán)境的恢復進程。隧道通過壓漿和防水襯砌，大量減少隧道開鑿時的涌水和襯砌的長期滲水，此時雖然隧道承受的水壓力增大，工程數(shù)量和費用增長，但是洞頂在大氣降水補給大于隧道滲漏的條件下，進入水環(huán)境恢復的過程：地下水位逐漸上升，疏干漏斗逐漸縮小，水環(huán)境逐漸達到新的平衡，環(huán)境災害得以減輕甚至消除。下面從“以堵為主”的原則出發(fā)，定量分析隧道工程與水環(huán)境的相互作用的關鍵環(huán)節(jié)，建立“水環(huán)境平衡”的隧道設計理念。2非穩(wěn)定流法地下水作用于隧道工程導致隧道涌滲水，造成隧道施工、運營中的水害，又反過來改變巖體水文地質條件而導至洞頂水環(huán)境災害。隧道涌滲水包括隧洞(毛洞、輸水洞，后同)涌水和隧道滲水。隧洞涌水指隧洞開鑿至襯砌之間時段的毛洞涌水，確定隧洞涌水量是分析水環(huán)境平衡的第一步。從“水環(huán)境平衡”的隧道設計理念出發(fā)，隧洞襯砌要緊跟掘進，以減少毛洞涌水量。因此隧洞開鑿至襯砌之間時段較短，地下水尚未趨近于降深穩(wěn)定的狀態(tài)，仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)。在眾多隧洞涌水量預測方法中，佐藤邦明法是唯一的非穩(wěn)定流法。該法預測單位長度隧洞的最大涌水量q0(m3/(d·m))、正常涌水量qS(m3/(d·m))、自最大涌水量開始衰減至某時刻ti(d)的涌水量qt(m3/(d·m))的公式為式中：K為滲透系數(shù)(m/d)，h為靜止水位至隧洞底的高度(m)，r0為隧洞橫截面等價圓半徑(m)，H為含水體厚度(m)，μ為含水體給水度(裂隙度，無因次)，B為洞體寬度(m)。該法適用于潛水非完整式。隧洞一般都符合非完整式埋藏條件，但如果深埋于承壓含水層中，應用此法可能有一定偏差，此時可用大島洋志公式、落合敏郎推薦公式和鐵路勘測的經(jīng)驗公式進行校核：式中：R為洞頂?shù)孛媸韪砂霃?m)。據(jù)經(jīng)驗，隧洞開鑿至襯砌之間時段小于衰減歷時tS，因此穿過含水層長度為L的隧洞在開始襯砌時刻t1的單位長度隧洞涌水量q1和襯砌前的累計涌水量Q分別為因隧洞往往穿過不同的含水層單元，應分段按不同的水文地質參數(shù)進行計算。3地下水通道降低，引發(fā)水環(huán)境災害隧洞涌水會疏干地下水，反過來又改變含水層的水文地質條件。表現(xiàn)為地下水位下降和形成疏干漏斗并擴大，還可能因地下水通道被疏通而使含水層滲透性增大，導致疏干漏斗范圍內的地表水干涸，引發(fā)水環(huán)境災害。由“水環(huán)境平衡”的隧道設計和洞頂環(huán)境災害預測，確定地下水位的下降值和疏干漏斗的范圍十分重要。3.1非穩(wěn)定流泰斯公式隧道排水與大口徑井抽水類似，將在洞頂含水層中形成疏干漏斗，其引用半徑R0=R+B/2。隧洞排水引發(fā)的洞頂環(huán)境災害主要發(fā)生在疏干漏斗的范圍內。由于隧道長度遠大于寬度，加之洞口段含水量的厚度往往變小，因此洞頂疏干漏斗與井點降落漏斗的形態(tài)還有區(qū)別，其空間形狀不是倒圓錐體而是倒橢圓錐體，其地面范圍不呈圓形而近似于橢圓形。將倒橢圓錐體的非標準徑向流近似于倒圓錐體的標準徑向流，則R應近似于降落漏斗的地面影響半徑R′。在非穩(wěn)定抽(排)水過程中，隨抽水時間t的延長，影響半徑隨之增大，但增速逐漸減小，最終趨于定值和穩(wěn)定抽水。因隧道襯砌時地下水尚處于非穩(wěn)定狀態(tài)，故疏干半徑R(t)應以非穩(wěn)定流公式為基礎來計算。從地下水徑向非穩(wěn)定流泰斯公式的雅各布近似式可得式(10)～(12)中：q為t1時刻的流量，s為水位降深，r為距隧洞壁的平均距離，T為承壓含水層導水系數(shù)(m3/(d·m))，S為貯水系數(shù)(無因次)。設u=r2S/(4Tt)，雅各布近似式僅適用于u≤0.05的情況。因為隧洞在襯砌前的涌水時段t1不長，故u值較大，在距隧洞的平面距離r較大處，u值更大。已經(jīng)證明，當u值較大時(u=0.001～1)，最貼合泰斯曲線近似式為W(u)=10.9504u-0.06575-10.85，其中井函數(shù)。由此導出水位降深s和地面影響半徑R′分別為由式(14)，(15)按各含水層單元分別求出影響半徑R′，進而繪出地面的橢圓形疏干范圍為橢圓長徑(沿隧道走向)：橢圓短徑(垂直隧道走向)：當然，據(jù)式(14)，(15)計算出的R′值也有偏差，因為在R′處的u=S[2.145(Tt1/S)1/2]2/(4Tt1)=1.15，已稍超出式(13)的適用上限(u=1)。3.2疏干0.3比公式根據(jù)疏干漏斗的空間形態(tài)，可確定疏干的體積和地下水下降的幅度，為評估缺水災害和恢復水的平衡提供依據(jù)。疏干漏斗的體積V，理論上等于隧道襯砌前從漏斗中涌漏的總水量Q與貯水系數(shù)S之比，即V=Q/S。但是，據(jù)式(9)計算的是處于非穩(wěn)定狀態(tài)下的涌水量，包括漏斗內的失水量和漏斗以外的側向補給量，二者的比例隨時間而變化，難以區(qū)分。因此，基于式(13)代表的泰斯公式的近似式來計算疏干漏斗的體積比較可行。據(jù)式(13)，標準的倒圓錐體疏干漏斗的體積V′為隧洞含水層疏干漏斗體積V可近似地分解為兩個倒半圓錐體漏斗體積V′加上其間的“V”形槽體積V′。V′=AL,A=A′+A′。A′為倒圓錐體疏干漏斗的截面積(m2)，A′為洞壁降深s0與隧洞寬度B之積。由式(13)得故由式(18)，(20)得洞頂疏干漏斗體積V為3.3下挖深度t、t、s疏干漏斗橫截面的邊界線即下降后的地下水位線(浸潤線)，可用式(13)表征。由式(13)可知，因u=r2S/(4Tt)，推得s∝r0-.1315，即浸潤線為單葉上凸雙曲線，地下水位下降值隨距隧洞側壁的距離r的加大而以減速度遞減。在用式(13)求降深s(t,r)時，對式中參數(shù)的取值要注意以下幾方面：(1)式(13)的適用范圍為u=0.001～1，故只能求出距洞壁r=(0.06325～2)(Tt/S)1/2處的s值。上述式(20)的s0只能近似采用r=0.06325(Tt/S)1/2處的s值。(2)q用平均涌水量q2,q2=(q0+q1)/2。同時，因為q與倒圓錐漏斗相應，q1與單寬“V”形槽相應，在忽略兩種形態(tài)側向補給面積的比例從而忽略側向補給水量的差異后，則有(3)t要用開始襯砌時隧洞涌水歷時t1。(4)隧洞處s以洞壁位置(r=r0)代表來計算。因為泰斯公式的條件是無邊界、無越流的承壓含水層定流量抽水，故據(jù)式(8)，(13)，(18)，(19)，(21)計算的t1時刻距隧洞r處的地下水下降值s是近似的。注意到采用的是隧洞平均涌水量，長隧洞通過的含水層遠大于疏干漏斗范圍，從長周期看，潛水的延遲效應可忽略不計，長期的越流使?jié)撍c承壓水含水層的水位趨于一致，因此上述公式仍基本適用。4kk經(jīng)驗式由地表流域的水循環(huán)平衡式W=H′+h′+E，得年補給的地下徑流量Q′(m3)為式中：W為年平均降水量(mm)；H′為年地表徑流深(mm)；h′為年地下徑流深(mm)；F為流域面積(km2)；E為年地表蒸發(fā)量(mm)，可用妥克(L.Turk)經(jīng)驗式近似計算：式中：T′為年平均氣溫(℃)。如隧道實施“以堵為主”的工程措施，當襯砌的常年滲水量q′小于降水入滲量Q′時，洞頂水環(huán)境會得到逐步恢復?；謴瓦M程分恢復地下徑流和恢復地表徑流兩個階段。(1)地下徑流恢復階段：根據(jù)洞頂缺水災情，要求n個水文年內補充按式(9)計算的全部被疏涌的地下徑流Q，此時H′=0,F為地面疏干漏斗面積，則允許的襯砌常年滲水量1q′(m3/(d·m))為(2)地表徑流恢復階段：在恢復地表徑流后，根據(jù)地表水需求，要求恢復1/N的地表河湖泉徑流，則允許襯砌的常年滲水量q′2(m3/(d·m))為同時滿足洞頂兩階段水環(huán)境恢復的襯砌的常年允許滲水量q′(m3/(d·m))為當然，上述恢復水環(huán)境達到的水平衡只是隧道允許滲水量與地表徑流損失量達成的新平衡，并未回復到初始的水平衡。5隧道壓力5.1隧道土體水壓力隧道水壓力指含水層作用于隧道襯砌外壁的靜水壓力。近年來，由于國內深埋巖溶長隧道開始嘗試實施“以堵為主”的措施，襯砌外水壓力的問題才凸現(xiàn)出來，故其計算方法尚處于探討階段，提出的解析–數(shù)值法或三重介質三維流模型尚不夠成熟和實用，仍主要借鑒水工隧洞的經(jīng)驗性折減系數(shù)法。國外尚未見深埋巖溶長隧洞外水壓力計算方法的報道，近年多見的成果報道偏重于隧道排水所致土體孔隙水壓力變化對隧道應力的影響及其測量，基巖破碎帶中修建隧道所致瞬態(tài)水文地質響應的數(shù)值模型等方面。水頭折減系數(shù)β為一綜合性指標，包括外水壓力傳遞過程中受阻的水頭損失、水壓作用于隧道的面積和排水卸壓情況等因素。水工隧洞的β主要根據(jù)隧洞滲漏水情況而選擇，難以在隧洞開鑿前的設計階段確定。因此，交通隧道設計時宜采用按圍巖類別或巖溶程度確定β值的方法，如表1,2所示。水頭高為h的全封閉襯砌的外水壓力P0=βh/100。對于深埋于含水層的隧道，尤其是巖溶隧道，其P0值過大，襯砌難以承受，允許適當滲水以減壓是合適的。在襯砌外水壓力近似式的基礎上，據(jù)動、勢能轉化的能量守恒原理可知，q∝v∝h1/2(v為流速)，因此，襯砌外水壓力公式為式中：q′為襯砌常年允許滲水量，由式(25)確定；qs為隧道正常涌水量，由式(2)確定。當P值仍過大時，則應結合防治隧道突涌水災害，在掘進前對圍巖進行預注漿。注漿形成的止水圈往往能承擔大部分水壓。將式(28)中的q′換為注漿后的隧洞涌水量q′，可得止水圈承受的水壓力為P1。再計算出注漿圈內的襯砌水壓力P2(MPa)為5.2圍巖注漿抗壓強度對形成止水減壓圈的圍巖全斷面注漿，據(jù)隧洞允許滲水量q′按下式確定注漿半徑D(m)：式中：H′為地下水位埋深(m)；K,K1分別為注漿前、后的圍巖滲透系數(shù)(m/d)；D為2r0～3r0。實踐中常采用小導管超前注漿，并在開挖后進行徑向注漿或帷幕注漿。注漿壓力取靜水壓力至超過靜水壓力1.5MPa之間，并視巖層完整狀況而異。注漿材料采用水泥漿或雙液漿(水泥水玻璃)。圍巖注漿止水減壓后，根據(jù)允許常年滲水量，設計有滲水孔(管)的減壓襯砌。滲水孔可設于襯砌下部，滲水管埋于襯砌背后，以適量排水達到部分減壓的目的。6通過預注漿來減少洞頂?shù)叵滤韪珊徒档退淼罎B水量通過以上定量分析，恢復隧道水環(huán)境平衡、防治隧道水患和洞頂水環(huán)境災害的隧道防排水設計原則可歸納如下：(1)根據(jù)式(1)，(8)，(9)代表的佐藤邦明法，預測隧洞涌水量及可能發(fā)生涌水災害的地段；(2)根據(jù)基于泰斯公式近似式(14)～(17)，預測洞頂?shù)叵滤韪傻牡孛娣秶_定可能產(chǎn)生缺水災害的地域；(3)根據(jù)以式(13)代表的泰斯公式的近似式及式(22)，預測洞頂?shù)叵滤档偷姆?，評估環(huán)境災害的嚴重程度；(4)根據(jù)洞頂降水補償能力，按式(23)，(25)～(27)確定恢復水平衡所允許的隧道常年滲水量；(5)根據(jù)允許的隧道常年滲水量，按式(28)，(29)計算作用于圍巖注漿圈和隧道襯砌的外水壓力；(6)根據(jù)隧道水壓力和洞內水害程度，確定預注漿止水的范圍和力度；(7)根據(jù)預注漿設計，重復上述各個步驟；(8)按第(7)步計算結果及圍巖壓力，進行隧道防排水與襯砌結構的設計。7隧道滲流量計算因上述設計原則尚來不及系統(tǒng)地付諸實踐，僅以嘗試實施堵水減壓措施的渝懷鐵路圓梁山隧道作為算例。圓梁山深埋巖溶隧道全長11068m，其中，進口段2050m通過的毛壩向斜有T1d,P2c+w,P1m+q等3層承壓含水層，均為碳酸鹽巖層，其間有越流補給，可視為一統(tǒng)一含水層。承壓水標高1016m，隧道標高556m，水頭高h=460m。含水層參數(shù)平均值：厚度H=800m，滲透系數(shù)K=0.0234m/d；給水度μ=0.0058。其中給水度采用巖體的裂隙度，據(jù)分段的巖溶溶隙度平均而得。洞體橫截面等價圓半徑r0=4.15m，洞體寬度B=7.0m。(1)涌水量計算。由式(1)～(8)算得：單位長度隧洞的最大涌水量q0=10.14m3/(d·m)，正常涌水量qS=9.41m3/(d·m)。按掘進后半個月施工襯砌，則襯砌時q1=10.04m3/(d·m)。用式(4)～(7)驗證，q0–1=10.69m3/(d·m)，q0–2=20.72m3/(d·m)，q1–1=15.90m3/(d·m)，q1–2=7.26m3/(d·m)?？梢?，按潛水的佐藤邦明法所得q0稍小，qS適中。綜合按q0=12m3/(d·m)，q1=11.8m3/(d·m)，qS=10m3/(d·m)，得襯砌前的隧洞總涌水量Q=365925m3。(2)疏干漏斗計算。隧洞穿過的含水層中段的H=920m，兩端的H=460m。據(jù)式(14)～(17)，疏干半徑中R=506m，端R=358m。地面疏干漏斗形狀為長徑(沿隧道走向)R1=2766m、短徑R2=1020