吳劍疆

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

對(duì)深埋隧洞來說，外水壓力是襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的荷載，因其可能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)起控制作用，并直接影響襯砌結(jié)構(gòu)尺寸和長(zhǎng)期運(yùn)行安全，因此通常需采取措施對(duì)外水壓力進(jìn)行削減。為合理確定工程措施和襯砌結(jié)構(gòu)尺寸，評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全，還需根據(jù)圍巖地質(zhì)構(gòu)造、滲透特性、襯砌型式和工程措施等諸多因素，選取適宜的取值方法，合理確定襯砌外水壓力值。

1 減小襯砌外水壓力措施分析

為減小襯砌外水壓力，通常采用滲控的方法，即截、堵、排等措施，改變襯砌周邊區(qū)域的滲流場(chǎng)，使大部分外水水頭由圍巖承擔(dān)，以達(dá)到減小襯砌外水壓力的目的。

最簡(jiǎn)便和常用的方法是在襯砌上設(shè)排水孔，采用“內(nèi)排”的方法將外水壓力進(jìn)行釋放。優(yōu)點(diǎn)是方便實(shí)用、造價(jià)較低，但主要在無壓洞中使用，如在有壓洞中使用則需考慮內(nèi)水外滲問題。

對(duì)于富水地區(qū)的深埋隧洞，單一排水方案可能大幅度降低隧洞附近區(qū)域地下水位，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定負(fù)面影響，并可能疏干地表泉、井，嚴(yán)重影響附近居民生活用水，帶來較大社會(huì)影響，對(duì)圍巖條件較差的洞段，還可能存在因滲流場(chǎng)變化導(dǎo)致的圍巖滲透穩(wěn)定問題，從而影響隧洞安全，這時(shí)需采用“堵排結(jié)合”的方案。即對(duì)襯砌周圍一定范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，降低圍巖的滲透特性，并提高圍巖的整體性和強(qiáng)度，將圍巖作為承載主體，最大限度地利用圍巖的自承能力，使其成為阻水和承載的主要結(jié)構(gòu)。同時(shí)根據(jù)排水條件在襯砌上設(shè)排水孔或在襯砌與圍巖之間設(shè)置排水，排走經(jīng)灌漿圈滲透的地下水，以進(jìn)一步降壓。地下水可排入隧洞時(shí)，優(yōu)先采用在襯砌上設(shè)置排水孔的內(nèi)排方式。當(dāng)?shù)叵滤嬖谖廴静贿m宜排入隧洞時(shí)，則考慮在襯砌與圍巖之間設(shè)置排水墊層或排水管的“外排”方式，將滲水排至洞外。排水孔有穿透固結(jié)灌漿層和不穿透固結(jié)灌漿層兩種，前者排水效果較好，有利于減小襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力，但不能充分發(fā)揮固結(jié)灌漿圈的阻水作用，且滲水量較大，后者對(duì)灌漿圈損害小，但排水效果差。排水墊層應(yīng)為一定厚度能夠緩沖和吸收圍巖壓力且能排除地下水的土工化學(xué)材料，如排水板、防水板+土工格室或土工格柵等。排水墊層由于將圍巖和襯砌完全分開，滲水面積較大，排水效果較好，且在有壓和無壓隧洞中均可使用，但墊層的施工存在一定難度，檢修維護(hù)比較困難，造價(jià)也相對(duì)較高，另外也存在運(yùn)行淤堵和結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)做專門研究。還有由于墊層的隔離作用，襯砌和圍巖在運(yùn)行中單獨(dú)受力，不能充分發(fā)揮圍巖和襯砌的聯(lián)合作用，可能導(dǎo)致工程投資增加較多。為了確保水質(zhì)和工程安全，這也是一種不得已而為之的辦法。

這些措施中，“排”是關(guān)鍵措施，一是“排”對(duì)減小襯砌外水壓力的效果明顯，特別是在無壓隧洞襯砌上設(shè)置排水孔，往往可達(dá)到事半功倍的效果。二是如果僅考慮“堵”的措施，對(duì)于超深埋隧洞來說，雖然進(jìn)行了圍巖灌漿，但襯砌上還是會(huì)存在較大的外水壓力，這在后面的計(jì)算分析中將得以反映，因此對(duì)于超深埋隧洞“排”的措施是必不可少的。目前需深入研究的是排水孔的結(jié)構(gòu)、布置，以及排水管路或墊層的材料、結(jié)構(gòu)型式及布置等問題，其耐久性是關(guān)鍵。

2 外水壓力取值方法評(píng)價(jià)

2.1 影響外水壓力取值因素

影響外水壓力大小的因素較多，主要有：①隧洞的作用水頭，即地下水位線與隧洞中心線的高差，和地下水位有關(guān)；②水文地質(zhì)條件，即隧洞周邊區(qū)域地下水的埋藏、分布補(bǔ)給及徑流和排泄條件；③圍巖滲透特性，在一般情況下，隧洞圍巖的透水性越強(qiáng)，作用在襯砌上的外水壓力越大；④襯砌結(jié)構(gòu)型式，對(duì)于鋼板襯砌，在不設(shè)排水的情況下，一般按全水頭進(jìn)行考慮；⑤滲控處理措施，如截滲和排水措施等。

2.2 外水壓力取值方法

2.2.1經(jīng)驗(yàn)法

襯砌外水壓力根據(jù)圍巖類別、地下水位、排水措施和工程經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行賦值的方法。對(duì)埋深不大、在襯砌上設(shè)置排水孔的無壓隧洞，由于大部分水頭經(jīng)排水孔釋放，襯砌上的外水壓力較小，為減少計(jì)算分析的工作量，在項(xiàng)目前期階段，這種方法是可取的。但對(duì)于超深埋隧洞來說，這種方法可能存在較大的誤差，還需在后期設(shè)計(jì)或工程實(shí)施階段通過分析計(jì)算進(jìn)行復(fù)核后確定。

2.2.2折減系數(shù)法

SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》均推薦隧洞襯砌的外水壓力為作用水頭乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)根據(jù)地下水活動(dòng)狀態(tài)以及地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響來確定。折減的機(jī)理是指地下水在滲流過程中，受裂隙或孔隙摩阻力和水的物理性質(zhì)(如粘滯力)的影響，產(chǎn)生了水頭損失，其損失的比率可換算為折減系數(shù)。巖體的滲透性越弱，水頭損失越大，外水壓力越小，折減系數(shù)越小。反之，外水壓力越大，折減系數(shù)越大。折減后的外水壓力用下式表述：

P=βγH

(1)

式中，P—作用在襯砌外表面上的外水壓力；β—折減系數(shù)；γ—水的容重，H—地下水位線至隧洞中心線水頭。

該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，在我國(guó)水利水電工程設(shè)計(jì)中已沿用了許多年，但也｀存在以下問題：

(1)在工程前期階段，由于隧洞尚未開挖，無法取得地下水活動(dòng)狀態(tài)資料，難以按表中的地下水活動(dòng)狀態(tài)確定折減系數(shù)，而在工程實(shí)施階段，雖可以根據(jù)表中規(guī)定確定折減系數(shù)，但取值變化范圍較大，取值也較為困難。

(2)折減系數(shù)未能考慮襯砌結(jié)構(gòu)的影響。外水壓力之所以可折減是因?yàn)橐r砌并不是完全不透水結(jié)構(gòu)，其本身存在一定的透水性，另外在外荷載作用下混凝土可能出現(xiàn)裂縫而滲水，折減系數(shù)的取值實(shí)際上取決于襯砌與周圍巖體的相對(duì)滲透特性，即襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值，襯砌的相對(duì)透水性越小，外水壓力越大，如果襯砌完全不透水，如鋼襯，折減系數(shù)應(yīng)為1。

(3)式(1)僅適用于未設(shè)置排水設(shè)施的情況。設(shè)置排水設(shè)施時(shí)，還需根據(jù)排水設(shè)施效果和可靠性，對(duì)計(jì)算外水壓力的作用水頭做適當(dāng)折減，折減值經(jīng)工程類比和滲流計(jì)算分析確定。

(4)式(1)中折減系數(shù)均小于1，但實(shí)際上可能出現(xiàn)折減系數(shù)大于1的情況。如隧洞內(nèi)水外滲后，在襯砌外可能產(chǎn)生高于地下水位靜水頭的外水壓力，如此時(shí)隧洞突然放空，襯砌將受到較大外水壓力而破壞，美國(guó)巴斯康蒂抽水蓄能電站壓力鋼管的破壞就是這類原因。另外，當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的較大降雨，以及穿越河底或溝谷底部的隧洞，都有折減系數(shù)大于1的情況。在襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算中，應(yīng)考慮這一因素的影響。

(5)對(duì)于超深埋隧洞而言，由于其埋深巨大，若采用規(guī)范規(guī)定的折減系數(shù)，即使取小值，也會(huì)得出相當(dāng)大的外水壓力，與工程實(shí)際情況存在一定差距。張有天在文獻(xiàn)[3]中提出以下改進(jìn)方法：

P=β1β2β3γH

(2)

式中，β1—初始滲流場(chǎng)中隧洞中心線作用水頭系數(shù)，與隧洞地所處山體的地形條件、地下水排泄條件以及隧洞在山體中的位置等有關(guān)系;β2—襯砌作用下外水壓力修正系數(shù)，與襯砌結(jié)構(gòu)有關(guān);β3—考慮排水設(shè)施后的修正系數(shù)，與排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)和布置有關(guān)。

式(2)由于考慮了隧洞邊界條件、襯砌結(jié)構(gòu)及排水設(shè)施等的影響，取值應(yīng)更接近于實(shí)際情況，但目前修正系數(shù)由于缺乏更進(jìn)一步的研究還沒明確取值。

2.2.3解析法

該方法采用無限含水層中井的滲流進(jìn)行分析，計(jì)算簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型

假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧洞為圓形軸對(duì)稱，水流為恒定流。設(shè)遠(yuǎn)端作用水頭為H，根據(jù)Darcy定理和水流連續(xù)性方程，可推導(dǎo)出隧洞中無內(nèi)水壓力時(shí)隧洞滲水量Q、襯砌上外水壓力P1以及灌漿圈外滲透水壓力P2的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(5)

式中，kc—襯砌滲透系數(shù);kg—灌漿圈滲透系數(shù);kr—圍巖滲透系數(shù);r0—襯砌內(nèi)徑;r1—襯砌外徑;rg—灌漿圈外徑。

由公式(5)可知，在其他參數(shù)不變的情況下，圍巖灌漿圈滲透系數(shù)kg越小，灌漿圈外徑r2越大，外水壓力P1越小。

將P1除以遠(yuǎn)端作用水頭γH，可得到圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿時(shí)襯砌外水壓力的折減系數(shù)β的表達(dá)式為：

(6)

不進(jìn)行固結(jié)灌漿時(shí)，rg=r1，公式(6)可以簡(jiǎn)化為：

(7)

(8)

(9)

由式(8)和(9)可知，襯砌的滲透系數(shù)kc越大，襯砌外水壓力P1和折減系數(shù)β越小。在襯砌上鉆設(shè)排水孔增加襯砌透水性，便可減小襯砌外水壓力，便利用了這一原理。但由式(7)可知，隨著k1增加，Q也增加，即滲水量增加。為控制滲水量，需減小kr，即通過對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿，減小圍巖的滲透系數(shù)。

該方法物理概念清晰，計(jì)算較為方便，只需提供襯砌厚度、灌漿圈厚度、圍巖和灌漿圈滲透系數(shù)等參數(shù)，便可求出襯砌滲水量和外水壓力，可用于對(duì)固結(jié)灌漿等的減壓效果進(jìn)行初步分析。但主要適應(yīng)于圍巖條件較為均一的情況，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的深埋隧洞，該方法求得的外水壓力與實(shí)際情況有一定差距。另外，該方法未考慮排水等措施，在襯砌和圍巖上設(shè)置排水措施時(shí)，需對(duì)襯砌和圍巖滲透系數(shù)進(jìn)行等效或概化處理后才能使用，但可能存在一定誤差。

2.2.4數(shù)值計(jì)算法

對(duì)富水地區(qū)的深埋隧洞來說，由于圍巖邊界條件較為復(fù)雜，根據(jù)前述分析，直接采用折減系數(shù)法和解析法存在一定誤差，宜采用數(shù)值方法進(jìn)行分析計(jì)算，即建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)定邊界條件，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬地下水滲流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上分析襯砌上外水壓力。在SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》中也明確要求：對(duì)于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜以及外水壓力較大的隧洞，其襯砌外水壓力應(yīng)進(jìn)行專門研究。常用的數(shù)學(xué)模型假定巖石、混凝土均為孔隙介質(zhì)，水在重力下在孔隙間流動(dòng)，隧洞外水壓力即為作用于地下水位以下整個(gè)空間的滲透體積力。當(dāng)水不可壓縮、飽和時(shí)，非恒定情況下的滲流場(chǎng)滿足如下微分方程：

(10)

式中，KX、Ky、Kz—x、y、z方向滲透系數(shù)；H—水頭；t—時(shí)間變量。

定解條件由初始條件和邊界條件構(gòu)成。

初始條件為：

H(x、y、z、t0)=H0(x、y、z)

(11)

水頭邊界條件為：

H(x、y、z)|Γ1=H1(x、y、z、t)

(12)

流量邊界條件為：

(13)

式中，q—法向流量；n—外法線方向余弦；t0為初始時(shí)刻；Γ1—已知水頭邊界；Γ2—已知流量邊界。

上述數(shù)學(xué)模型，可用有限差分法進(jìn)行求解，即將微分方程及邊界條件中的微商用差商來代替，從而將微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組的求解問題。該方法由于考慮了圍巖和地層結(jié)構(gòu)的不均一性，適應(yīng)不同的計(jì)算邊界條件，能模擬排水孔的滲流控制措施，計(jì)算結(jié)果相對(duì)折減系數(shù)法和理論計(jì)算法精確，但計(jì)算較為復(fù)雜，需通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。

3 基于解析法的隧洞外水壓力特性研究

3.1 外水壓力隨圍巖滲透系數(shù)的變化

采用解析法式(9)對(duì)襯砌不設(shè)排水、圍巖不灌漿情況下，外水壓力折減系數(shù)隨圍巖滲透系數(shù)和襯砌厚度的變化規(guī)律進(jìn)行分析。假定隧洞埋深50m，襯砌滲透系數(shù)k1為10-7cm/s(考慮一定的透水性)，圍巖滲透系數(shù)kr分別為襯砌滲透系數(shù)的1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000倍，并考慮襯砌厚度分別為0.5、0.6、0.7m三種情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到不同襯砌厚度條件下，外水壓力折減系數(shù)隨圍巖相對(duì)滲透特性的關(guān)系，如圖2所示。由圖2可知，在襯砌厚度不變的情況下，隨著圍巖滲透系數(shù)的增加，折減系數(shù)增加。在圍巖滲透系數(shù)不變的情況下，隨著襯砌厚度的增加，外水壓力折減系數(shù)也隨之增加，可見襯砌厚度太厚對(duì)控制襯砌外水壓力不利。

圖2 折減系數(shù)隨圍巖滲透系數(shù)和襯砌厚度的變化

3.2 外水壓力隨灌漿參數(shù)的變化

采用解析法式(6)對(duì)襯砌不設(shè)排水、圍巖灌漿參數(shù)變化情況下外水壓力折減系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。假定隧洞埋深50m，襯砌滲透系數(shù)kc為10-7cm/s、圍巖滲透系數(shù)kr為10-4cm/s(透水率約10Lu)，圍巖和灌漿圈滲透系數(shù)比值為1、3、10、30、50、100、300、500和1000，并考慮灌漿深度分別為5、10、15、20m和不灌漿五種情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到不同灌漿參數(shù)下外水壓力折減系數(shù)的變化規(guī)律，如圖3所示。不灌漿時(shí)，由于圍巖透水性較大，而襯砌不透水，這時(shí)襯砌外水壓力非常大，折減系數(shù)接近于1。灌漿后，外水壓力削減明顯，且灌漿圈滲透系數(shù)越小，折減效果越明顯；在灌漿圈滲透系數(shù)不變的情況下，灌漿深度越深，折減系數(shù)也越小。但隨著灌漿深度的增加，折減效果逐漸減弱，說明通過灌漿削減外水壓力時(shí)，達(dá)到一定深度即可，如果再加大灌漿深度，由于施工難度的加大，則不一定經(jīng)濟(jì)。

圖3 折減系數(shù)隨灌漿圈滲透系數(shù)的變化

3.3 外水壓力和隧洞埋深的關(guān)系

假定襯砌滲透系數(shù)kc為10-7cm/s，圍巖滲透系數(shù)kr為襯砌滲透系數(shù)的100倍，并考慮襯砌不設(shè)排水、圍巖不灌漿，采用解析法式(9)分析隧洞埋深分別為10、20、50、100、200、500、1000、1500、2000m，并考慮圍巖滲透系數(shù)與襯砌滲透系數(shù)的比值kr/kc=n，分別為100、30和10的三種情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到不同圍巖滲透系數(shù)時(shí)外水壓力折減系數(shù)隨埋深的關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，在圍巖滲透系數(shù)不變的情況下，隨著隧洞埋深的增加，折減系數(shù)逐漸減小。而隨著圍巖滲透系數(shù)的減小，折減系數(shù)減小的程度增加，即對(duì)于透水性較小的圍巖，埋深對(duì)折減系數(shù)的影響較大，而對(duì)于透水性較大的圍巖，則埋深對(duì)折減系數(shù)的影響較小?？梢姡_定外水壓力折減系數(shù)時(shí)，不僅需要考慮圍巖的滲透系數(shù)和襯砌厚度，還需考慮隧洞的埋深有關(guān)。在其他條件相同情況下，埋深越大，折減系數(shù)應(yīng)越小。考慮圍巖灌漿時(shí)，上述變化規(guī)律與不灌漿時(shí)基本一致，此處不再描述。

圖4 折減系數(shù)隨隧洞埋深的變化

另外，將式(9)除以式(7)，還可以得到下面公式：

β=KβQβ

(14)

式中，Kβ—系數(shù)，Qβ—單位面積滲水量，用下述公式表述：

(15)

(16)

式(15)、(16)反映了外水壓力折減系數(shù)與隧洞單位面積滲水量的關(guān)系。在襯砌厚度和隧洞埋深等不變的情況下，隨著單位面積滲水量的增加，折減系數(shù)呈線性增加，與折減系數(shù)法表述的折減系數(shù)與地下水活動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的規(guī)律基本一致。但由式(15)可知，Kβ還與襯砌厚度、襯砌滲透系數(shù)和隧洞埋深等相關(guān)，隨著隧洞埋深的增加，折減系數(shù)相應(yīng)減小。這說明不能僅憑地下水活動(dòng)狀態(tài)來確定襯砌的外水壓力折減系數(shù)，還應(yīng)考慮襯砌參數(shù)和隧洞埋深等條件。

3.4 深埋隧洞的外水壓力

采用解析法式(6)對(duì)深埋隧洞的外水壓力進(jìn)行分析。假定埋深1000m，其他參數(shù)和3.2相同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到灌漿條件下深埋隧洞外水壓力變化規(guī)律，其規(guī)律和淺埋情況下折減系數(shù)的變化規(guī)模基本一致，如圖5所示。和淺埋情況相比，隨著埋深的增加，外水壓力折減系數(shù)略有減少，但由于外水水頭較大，即使在灌漿的情況下，襯砌上所受的外水壓力仍然非常大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若采用3.2的參數(shù)，如要將襯砌外水壓力降低到50m，即折減系數(shù)降低到0.05，則此時(shí)灌漿深度需超過20m，灌漿圈滲透系數(shù)需小于10-7cm/s(約0.01Lu)，即灌漿圈滲透系數(shù)需小于混凝土襯砌的滲透系數(shù)，這在實(shí)際工程中很難做到。這說明對(duì)于超深埋隧洞，僅通過固結(jié)灌漿降低襯砌外水壓力不太可行，還需通過排水等措施配合降低其壓力。

圖5 深埋隧洞外水壓隨灌漿圈滲透系數(shù)的變化

上述外水壓力特性研究主要針對(duì)襯砌不設(shè)排水的情況，設(shè)置排水時(shí)，外水壓力值將進(jìn)一步減小，但其隨圍巖滲透系數(shù)、灌漿參數(shù)和隧洞埋深等的變化規(guī)律基本一致。

4 工程實(shí)例及分析

4.1 引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞

秦嶺輸水隧洞進(jìn)口位于陜西省引漢濟(jì)渭工程黃金峽水利樞紐壩后左岸，出口位于陜西省關(guān)中周至縣黑河右岸支流黃池溝內(nèi)，隧洞設(shè)計(jì)流量70m3/s，全長(zhǎng)98.26km，縱比降1/2500，最大埋深2000m。隧洞洞室圍巖巖性主要有變質(zhì)砂巖、云母石英片巖、花崗巖等，過嶺脊段以Ⅰ、Ⅱ類圍巖為主，其余段以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主。主洞采用鉆爆法+TBM法施工，鉆爆法段采用馬蹄型，成洞尺寸6.76m×6.76m(寬×高)，TBM法段采用圓形，TBM直徑8.02m。為減少外水壓力，采取以下措施降低外水壓力：對(duì)主洞圍巖較差段進(jìn)行固結(jié)灌漿，加固圍巖、提高巖石的整體性和承載能力，使圍巖周邊形成固結(jié)圈，并在襯砌上設(shè)置排水孔，孔深2～3m。

由于隧洞越嶺段埋深大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊界條件不易確定，采用數(shù)值分析方法較困難，計(jì)算結(jié)果可能與工程實(shí)際差距較大。在可研階段，考慮到在襯砌上已設(shè)排水孔的情況，外水壓力按拱頂3m水頭進(jìn)行考慮。由于未考慮圍巖工程的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等因素，該取值存在一定的不合理性。初設(shè)階段，通過對(duì)折減系數(shù)法、解析法和數(shù)值計(jì)算法等方法進(jìn)行分析，并綜合考慮巖體力學(xué)特性、區(qū)域富水性、地下水補(bǔ)給能力以及施工、投資和工程運(yùn)行安全等因素，結(jié)合襯砌布設(shè)排水孔的排水方案，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范規(guī)定、外水壓力理論計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ類圍巖中最大作用于襯砌上的外水壓力均值(隧洞中心處)取5、5、17、25m，該取值結(jié)果雖不一定準(zhǔn)確，但基本滿足初設(shè)階段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，局部條件較為復(fù)雜洞段可根據(jù)水文地質(zhì)條件在技施階段通過數(shù)值分析方法等進(jìn)行復(fù)核。

4.2 滇中引水工程香爐山隧洞

香爐山隧洞位于滇中引水工程大理Ⅰ段，為滇中引水工程單洞長(zhǎng)度最大隧洞，總長(zhǎng)62.596km，最大埋深1450m，縱坡1/1800，斷面采用圓形。結(jié)合地質(zhì)條件，采用TBM和鉆爆法兩種方法進(jìn)行施工。其中，TBM隧洞采用開敞式巖石掘進(jìn)機(jī)，現(xiàn)澆混凝土襯砌，開挖斷面直徑9.8m，Ⅲ類圍巖隧洞直徑8.5m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖直徑8.4m，鉆爆段隧洞成洞直徑8.3m，為目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離調(diào)水工程中斷面最大隧洞。隧洞沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越多條區(qū)域性斷裂，巖溶水系統(tǒng)較為發(fā)育，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比超過60%，圍巖穩(wěn)定問題和地下水環(huán)境影響問題較為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有28段隧洞存在高外水壓力，累計(jì)長(zhǎng)度29.9km，高外水壓力一般1.0～2.5MPa，最大3.76MPa。為保證襯砌結(jié)構(gòu)安全，結(jié)合環(huán)境方面要求，滲控設(shè)計(jì)采用“以堵為主，限量排放”的原則，即對(duì)地下水采用既封堵又疏導(dǎo)的“堵排結(jié)合”方式，通過對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿對(duì)地下水進(jìn)行封堵，控制隧洞滲漏量，盡量減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，并通過設(shè)置排水孔有效減小隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力。其中，灌漿材料根據(jù)封堵后滲透系數(shù)要求采用普通水泥、磨細(xì)水泥和化學(xué)灌漿，對(duì)地下水水頭小于等于400m的洞段，灌漿圈厚度采用8m，對(duì)地下水水頭大于400m的洞段，灌漿圈厚度采用10m。對(duì)外水水頭小于等于50m的洞段，隧洞頂部120度范圍內(nèi)布置3個(gè)排水孔，排距3m，孔深2m，對(duì)地下水水頭大于50m的洞段，隧洞全周布置排水孔，孔間、排距均為3m，孔深2m。

經(jīng)有限元敏感性分析，隧洞滲漏量和襯砌外水壓力與圍巖水文地質(zhì)條件、滲透特性、灌漿措施及襯砌排水設(shè)置等關(guān)系較為密切。在圍巖滲透性和灌漿圈滲透性比值一定、邊界水頭相同的條件下，隧洞襯砌外水壓力基本相同，但滲流量則隨著圍巖滲透增加而基本成正比增加，其規(guī)律與解析法不設(shè)排水情況下的結(jié)論基本一致，即在設(shè)置排水的情況下，襯砌外水壓力隨圍巖滲透性和灌漿參數(shù)的變化規(guī)律與不設(shè)排水的情況相同，只是設(shè)排水后外水壓力的值有較大幅度減小。在滇中引水工程的初設(shè)階段中，由于考慮隧洞頂拱設(shè)置了較多的排水孔，設(shè)計(jì)按頂拱頂面以上1倍洞徑水頭即10m作為外水壓力進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，該取值由于沒有考慮到圍巖條件和隧洞埋深等的影響存在一定的誤差，還需在實(shí)施階段進(jìn)一步復(fù)核。

5 結(jié)語(yǔ)

外水壓力是深埋隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的荷載。為減小襯砌外水壓力，確保襯砌結(jié)構(gòu)安全，可采用截、堵、排等措施，對(duì)水頭進(jìn)行削減。其中“排”是關(guān)鍵措施，在有條件采用“內(nèi)排”的洞段，盡量采用內(nèi)排，不能“內(nèi)排”時(shí)可考慮“外排”。外水壓力取值中，可選用經(jīng)驗(yàn)法、折減系數(shù)法、解析法和數(shù)值計(jì)算法等方法。經(jīng)驗(yàn)法可直接賦值，主要用于埋深不大且襯砌上設(shè)置排水孔的無壓隧洞；折減系數(shù)法簡(jiǎn)單實(shí)用，但由于未考慮襯砌結(jié)構(gòu)、排水設(shè)施和隧洞埋深等因素的影響，應(yīng)用存在一定局限；折減系數(shù)法物理概念較為清晰，但當(dāng)圍巖條件和邊界條件較復(fù)雜時(shí)，計(jì)算存在一定誤差；為解決上述問題，可采用數(shù)值法進(jìn)行分析計(jì)算，但資料搜集和計(jì)算分析工作量較大。在工程實(shí)踐中，可根據(jù)圍巖條件、隧洞埋深、滲控措施、階段深度要求、工程重要性等情況進(jìn)行選用。在前期工作階段，對(duì)于條件不太復(fù)雜隧洞，可采用經(jīng)驗(yàn)法、折減系數(shù)法等進(jìn)行估算，采用解析法等對(duì)灌漿措施等進(jìn)行敏感性分析；對(duì)于邊界條件較為復(fù)雜的重要工程，應(yīng)在實(shí)施階段采用數(shù)值分析法等對(duì)滲控措施和外水壓力取值進(jìn)行專門的復(fù)核和論證。