基于集水廊道的裂隙岩体隧道涌水压力折减分析_牟琦.pdf

：基基于于集集水水廊廊道道的的裂裂隙隙岩岩体体隧隧道道涌涌水水压压力力折折减减分分析析牟琦，付强，邵江，袁泉（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 ）摘要随着隧道建设中，由于对地下水环境的要求日益提高，对涌水的处置，也由“以排为主”向“以堵为主、堵排结合”发生转变。因此对隧道结构在开挖支护过程中，所承受的地下水压力如何分析以及各主要因素影响程度是隧道勘察设计中面临新的地质问题。论文根据裂隙岩体在隧道开挖过程中集水廊道的形成分析方法，推导了地下水水头折减系数公式，并根据公式分析了渗透系数、埋深高度 等对水头折 减系数的影响。通过分析说明了渗透系数是裂隙岩体水头折减系数的主要影响因素，可以采用注浆降低围岩渗透性，来降低水头折减系数，减少地下水对隧道结构的水头压力。对于全断面注浆封堵开挖，地下水不进入隧道，支护结构所承受的地下水压力可以直接通过水头折减系数与地下水相乘即获得；而在以封堵为主，地下水部分进入隧道，则隧道结构所承受的地下水压力受进入隧道的涌水量与隧道总涌水量的相对关系以及水头折减系数所确定。关键词集水廊道；水头折减系数；涌水压力；渗透系数；裂隙岩体中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目四川重点交通科技项目（）作者简介牟琦（），男，四川平昌人，高级工程师，主要从事道路工程的设计和科研工作。，（o oo ，）：oo o ，o o o o，o o o o o“o ”o“o ，o o”o，o o o o o o o o o o o oo o o o o o o oo o oo oo o o o，o o oo o o，o oo o o o o o o o o ，o oo o o o o o o o o，o o o o o，o o o o oo o o o o o，o o o ，o o o o oo o，o o o o o ，o o o o o o o o o o o o o：oo oo；o o；o o；o o引言隧道涌突水灾害是隧道施工中主要的灾害类型，在涌突水过程中，通常由于水头高，压力大，具有爆发的突然性，并易产生隧道初支大变形，甚至塌方，而涌出的巨大水量会携带大量碎屑物流出，造成施工掌子面施工风险大，施工处置困难，但在勘察设计过程中，隧道的涌水量大小才是关注的重点，是设计所需要的主要参数，而该处的地下水水头压力相对关注要少得多，或几乎不进行说明。这主要因对涌突水段的处置设计采用以“以排为主”的设计原则为主，而随着对地下水环境要求的日益增加，“以堵为主，堵排结合”的设计原则逐渐成为涌突水处置的趋势，而也就需要对涌突水段地下水压力进行分析，以满足隧道结构的承载设计要求。在山岭隧道的水压分析中，基于流固耦合的数值模拟分析能较好的适应山岭岩体的非均匀性，在对较复杂的水压力分析中，有相应的采用，主要还停留在研究和探索性应用中，年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.由于应用难度大，对一般山岭隧道的水压分析中极少采用。在分析现有山岭隧道在承受水压计算中，主要采用折减系数法 ，若隧道水位高度为，则全水压为，但在掌子面所测得的水压为折减后水压为（为折减系数），而折减系数的选取，主要根据在隧道开挖过程中所调查的地下水的流出状态进行选取，也可在勘察设计阶段根据对隧道开挖各段的水文地质特征分析评价成果所得出的判断进行选取。此种方法中对折减系数的选取主要凭借设计人员的经验判断，且取值范围宽泛，仅能在评估中作为参考。部分学者 采用镜像法、复变函数方法分析，类比竖井的涌水量分析，求解了理想状态下半无限含水体中隧道各结构层的水压，基于该方法的水压折减分析，以隧道各结构层为研究受渗流分析主体，对各结构层对地下水渗流量和渗透压力的影响分析具有较好的指导作用，但与实际的隧道开挖地下水排泄特征存在一定差异；张祉道、蒋忠信等 根据隧道开挖阶段所揭示涌水量的变化，来分析注浆等工程对水头折减的影响，但对于前期的水头折减系数则未能涉及。在实际山岭隧道施工中，隧道开挖地下水渗流场存在较快的变化，下面以实际的裂隙岩体隧道在隧道施工中所表现的地下水渗流特征来分析水头折减系数的变化特征。可作为在隧道施工中，揭露涌突水段的，对预留岩盘的分析计算的依据，也可对在以堵为主的隧道后期水位逐渐恢复，作为隧道结构承受水压的参考。基于集水廊道的的水头损失分析对于在隧道开挖揭穿含水层，地下水从含水体中流入隧道，并逐渐形成排水廊道，在揭穿含水体至形成排水廊道过程中，在不同位置的地下水排泄过程中，当不同位置的地下水在流至隧道的时间相同时，则这些位置的地下水会同时流入隧道，构成隧道的地下水流量。根据不同位置的地下水流至隧道的时间相同，可以得出如下等式。（）式中：为隧道正上方某一位置的地下水流元流至隧道所需要的时间；为隧道正上方偏移某一位置的地下水流元流至隧道所需要的时间。图 降落漏斗中地下水渗流分析示意图为了便于解析分析，假定偏移的地下水流线近似于隧道正上方流线偏移 的流线。其上一段流元与隧道的距离用（）表示，而隧道中轴线上一段流元与隧道的距离用 表示。其两端流元流至隧道的时间相当。并假定在地下水储水空间中，由地表向地下渗流过程中，在相同的水位高程其渗透压力相同（图）。因此可以得如下等式：（）（）（）在（）上其中一段长为 的流元水力梯度（）为：（）（）（）其中：（）o；（）o；（）o；（）o则，（）（）o（）o将（）带入以上等式，其中 （）（），可得：（）o由于 o，所以（）；亦即（）在揭穿富水带，产生集水廊道时，对集水廊道范围内，地下水的排泄流量进行分析。假定地下水的排泄流量为，在 厚度范围内地下水的总量为 同时流至隧道，并在 时间内排泄完成，则其流量可用如下式子表示：（）其中：o o （）（）式中：为含水层厚度。（）（）则可得到：（）（）（）化简得：（）（）（）由于 相对于 影响极小，因此上式也可简化为：（）（）同时也可以得出地下水水头折减系数 为：（）（）由上式可见，若渗透系数 和 为定值，水头折减系数 的大小的确定主要与 和 相关。其中可以确定，当隧道开挖揭穿地下水时，隧道受到的水头压力最大，此时集水廊道内的地下水还没有开始排泄，却处于排泄临界点，当开始排泄后，水头压力会逐渐衰减。在上式对水头折减系数 的计算中，当 最大时，也即此时地下水均堆积于集水廊道内向隧道排泄的时候，水头折减系数 最大。水头折减的影响特征下面通过事例来说明渗透系数以及水头高度 与水头折减系数 的关系和影响。假定含水带的渗透系数在 间变化，取值为 ，含水层厚度为 ，渗透流量为 ，降落漏斗的变化角度在 范围内变化，则可以根据前述推导公式进行相应的分析确定各参数与水头折减系数之间的关系。由图 可见，在其余参数一定的条件下，水头折减系数 与降落漏斗角度之间的对应变化并不是特别明显，在 的角度变化间，水头折减系数仅仅从 变化到 ，而这种变化幅度，对于水头折减影响极小。从图 可见，水头折减系数与涌水量呈线性关系，随着涌第 卷第 期地下水 年 月水量的增加，水头折减系数减小，这说明在水位高度不变的情况下，涌水量的增加反而会使水头折减系数降低。对于水头折减系数与渗透系数关系也是最直接的，水头折减系数与渗透系数呈幂指数关系，见图，亦即当 时，迅速接近 甚至，此时的地下水在渗透条件良好的岩体中渗透时，对地下水水头的折减极少；当渗透系数 时，；其中当 时，仅为 。而通常情况下，对于非构造破碎带，即较完整 较破碎的岩体，此时岩体的渗透系数 ，甚至量级仅有 ，此时地下水在裂隙岩体中呈极其缓慢的渗流状态，通常隧道在此种岩体中的地下水呈点滴状 线流状为主，或呈小股状。对隧道施工的危害也极小。图 水头折减系数 与降落漏斗角度（）的关系图 水头折减系数与涌水量 的关系图 水头折减系数 与渗透系数 之间的关系图不同水头 在不同渗透系数下的水头折减系数 变化规律相同，均呈现出在一定渗透系数下，水头折减系数迅速增加，达到一定量值后趋于平缓，变化幅度极小，且无限接近于。同时，上图也说明，当渗透系数 时，深度 对水头折减系数的影响极小，仅当 时，水头折减系数呈现一定的差异，但也并非呈现线性变化。由以上敏感性分析，可知对于水头折减系数，降落漏斗的降落浸润线的开口幅度对水头折减系数的影响极小；涌水量的大小对水头折减系数虽有，涌水量的大小对水头折减系数有一定影响，但影响幅度有限；隧道上覆水位深度在渗透系数较大时，其对水头折减系数的影响极小，均在 以上，仅在渗透系数较小时，对水头折减系数存在较大影响。说明，渗透系数 是水头折减系数的主要影响因素。隧道水压力的注浆圈影响分析由上面的分析可见，掌子面水头的折减系数受渗透系数影响最直接，降低掌子面围岩的渗透系数能够有效降低水头折减系数，也能够有效减小作用在掌子面的水压，减小隧道掌子面由于水头压力大而产生的掌子面围岩失稳，产生塌方。在隧道的涌水段处置中，为了防止地下水的流逝，产生的降落漏斗对环境产生影响，通常会采用注浆封堵措施，而根据注浆封堵与掌子面开挖顺序的先后差异，通常会有两种处置工艺。一种是先对会产生涌水的段落破碎岩体进行注浆，在注浆完成后，再进行开挖；另一种是在地下水排放一段时间，出现衰减后，再进行开挖支护，并对涌堵水段进行注浆封堵。因此地下水产生的水头高度对注浆圈产生的压力影响注浆圈的稳定。如何确定注浆圈所承担的压力，对隧道洞室稳定性分析极为重要。前一种是先对围岩进行注浆，形成注浆圈，在开挖过程中，没有或少有地下水的涌出，以注浆圈承受地下水压力。后一种是由于地下水在施工过程中会排泄产生降落漏斗，掌子面地下水压力消减，在开挖支护过程中后注浆，形成注浆圈，在注浆后地下水位会逐渐升高，恢复到一定的水位高度。注浆圈厚度 的确定对于实行了注浆堵水的隧道，由于注浆圈的分担作用，原作用在掌子面或二衬上的地下水压力，将由注浆圈进行分担，但根据注浆圈的封闭效果，若存在部分地下水未完全封闭，进入隧道空间，根据 对水压折减系数的定义，则可根据地下水的流入量进行分担，分担后作用在注浆圈上的地下水水位高度为，渗流入注浆圈内部作用到隧道结构上的水头为，在保障隧道结构所能承受的水头高度 的基础上，则可进行隧道注浆圈厚度 与注浆圈注浆程度的探讨，而注浆圈注浆程度通常可用注浆后的注浆圈渗透系数 来表示。根据竖井地下水稳定流的拉普拉斯方程和达西定律给出的渗流衬砌外水压力公式：()（）为形成注浆圈后进入隧道的涌水量；为注浆前毛洞情况下涌入隧道的涌水量。其中：来表达。则可得出：（）（）（）联解（）与（），其中 （），为隧道半径，则得到：（）（）（）（）对上式进行化简，得到：（）（）对上式进行解算，可以得到：其中 （）根据上式，在初步确定 的基础上，可以确定 的计算方法，同时若在知道 的基础上，也可相应确定相应的注浆圈系数。（）（）假定围岩的渗透系数 ，水头折减系数 ，则相应的 ，隧道洞径 ，则在若保持相同的水头折减程度的情况下，注浆圈的渗透系数 和相应的注浆圈长度 之间的关系见图。由图 可见，渗透系数 与注浆圈长度 之间并非线性关系，但能基本说明为了使隧道结构承受一定的水头压力，对于隧道围岩的注浆圈，若注浆圈渗透程度低，即注浆程度高，注浆量多，则注浆圈厚度相对较小；若注浆圈渗透程度高，即注浆量少，则注浆圈厚度相对较大。注浆圈对水头折减的影响第 卷第 期地下水 年 月同样在基本明确 和 的基础上，可以得出注浆后的隧道结构所承受的水头高度 可以在知道地下水水位 的基础上，根据隧道围岩的水头折减程度 叠加围岩注浆圈的水头折减 ()）可以得到下式：()（）若 ，则 ，说明若对隧道涌水段采取以排为主，围岩中的地下水均通过隧道排泄，则隧道结构可不考虑水头压力；若 ，则 ，说明围岩中地下水均不通过隧道排泄，隧道结构也不承受地下水水头压力，水头压力主要被隧道围岩注浆圈所承受。由：()，其中：（），将其代入，即可得。（）（）（）式中：隧道涌水段的涌水量 可通过隧道施工中测量得到，也可通过施工探测得到，其中围岩渗透系数、隧道水位 均为施工勘察阶段的勘察成果，为隧道半径为已知条件，为注浆圈厚度，为已知的定值。则对于特定涌突水带，隧道结构