蘇 丹，李繼偉，馬 俊

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

1 國(guó)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(zhǎng)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(shí)，要用澆灌機(jī)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(zhǎng)51km的平行隧洞組成，其中海底段的隧洞長(zhǎng)度為3×38km，是世界第二長(zhǎng)的海底隧道及海底段世界最長(zhǎng)的鐵路隧道。它故意設(shè)計(jì)為滲水模式以防水壓：若不滲漏，則無(wú)法承受隧道周?chē)鷰r石中的水壓。

我國(guó)引水輸水的隧道工程規(guī)模也相當(dāng)大。以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞項(xiàng)目為例，輸水隧洞總長(zhǎng)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(píng)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(lái)在實(shí)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(qiáng)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(wú)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(píng)估

3.1 圍巖富水性及涌水問(wèn)題評(píng)價(jià)

黃三段總長(zhǎng)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(xiàn)地形起伏較大，總體呈中部高、兩端低的形態(tài)，隧洞沿線(xiàn)中等富水區(qū)有2段，主要分布在區(qū)域性斷裂帶，總長(zhǎng)度1150m，占隧洞全長(zhǎng)的7.0%。隧洞施工中，洞壁以線(xiàn)狀流水、滴水為主，局部可能產(chǎn)生較大集中涌水。隧洞沿線(xiàn)弱富水區(qū)有4段，主要分布裂隙相對(duì)密集區(qū)，總長(zhǎng)度2690m，占隧洞全長(zhǎng)的16.3%。隧洞施工中，洞壁以線(xiàn)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(jì)算時(shí)需要考慮的重點(diǎn)。

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(duì)位于中等富水區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)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(lèi)圍巖中隧洞對(duì)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(jìn)行比選，作用于襯砌上的外水壓力根據(jù)滲流計(jì)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(jìn)排水功效；接縫較少，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，由于采取間隔鋪設(shè)，無(wú)法隔斷內(nèi)外水聯(lián)系；投資相對(duì)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(guò)程中倉(cāng)面的干燥，保證襯砌混凝土澆筑質(zhì)量；施工工藝相對(duì)復(fù)雜；投資相對(duì)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(lèi)圍巖中以及貧水區(qū)Ⅳ、Ⅴ類(lèi)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(jiàn)表1。

4 二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析

計(jì)算工況選取運(yùn)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(jì)算軟件SAP84進(jìn)行計(jì)算，按荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算隧洞襯砌內(nèi)力，該程序采用的是襯砌邊值問(wèn)題的數(shù)值解法，即計(jì)算襯砌的內(nèi)力和變形時(shí)，不需事先對(duì)抗力做出假設(shè)，而由程序自動(dòng)迭代求出。

秦嶺隧洞黃三段穿越Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖，因?yàn)橥馑畨毫κ且r砌結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，因此結(jié)合排水設(shè)計(jì)方案選擇典型斷面。Ⅱ類(lèi)圍巖段不計(jì)外水壓力，且圍巖類(lèi)別好，混凝土襯砌僅為減糙作用，本次計(jì)算不計(jì)算Ⅱ類(lèi)圍巖斷面。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)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(gè)典型斷面，內(nèi)力結(jié)構(gòu)如圖2—4及表2所示。

圖2 Ⅲ類(lèi)圍巖內(nèi)力圖

圖3 Ⅳ類(lèi)圍巖內(nèi)力圖

圖4 Ⅴ類(lèi)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(lèi)圍巖運(yùn)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(lèi)圍巖運(yùn)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(lèi)圍巖運(yùn)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(yǔ)

富水區(qū)的深埋隧洞，不論是在施工過(guò)程中還是在投入運(yùn)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(jì)合理、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、工程投資經(jīng)濟(jì)。

黃三段深埋隧洞位于中等富水區(qū)、弱富水區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)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(jì)、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(lèi)似的工程提供了良好的借鑒。