隧洞外水压力物理模型试验研究

平 扬， 蒋志坚， 阙相成， 谢兴华， 朱珍德

（1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳 518001；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029）

随着“一带一路”政策的推行，西部地区基础建设、交通工程项目纷至沓来，而深埋隧洞的高水压及突、涌水则成为亟待解决的问题［1］. 为了确定深埋隧洞外水压力值，国内外众多学者进行了相关研究［2-8］. 相较于对参数设置存在较大依赖性的数值分析方法及难以解决复杂形状隧洞问题的理论解析法，采用物理模型试验真实设置模拟是研究深埋隧洞衬砌外水压力的一种有效手段［9］.

崔岩等［10］采用中砂和黏土作为模型材料，探讨了隧洞衬砌所受外水压力值与材料之间的关系，并指出对浅埋隧洞不设排水措施，隧洞衬砌处外水压力是不能折减的. 吴金刚等［11］通过模型试验，研究了双场耦合条件下水压力分布规律和结构受力特征，分析了注浆圈的排水减压作用，对有、无无纺布时隧道渗流场的分布规律进行了对比，并得到衬砌结构在耦合场作用下的变形特征. 蒋雅君等［12］开展了隧道渗漏试验，考虑地下水在岩层渗流过程中的能量关系，对影响衬砌外水压力的相关因素进行了探讨，提出了降低排水型隧道承受渗流水压的“分布折减”思路. 宋凯等［13］以铜锣山隧道为模拟对象，同样采取了静力物理模拟法模拟了在具有不同渗透性的围岩、不同注浆圈厚度和不同排水流量大小的条件下，隧道衬砌外水压力的变化规律.

本文开展了渗流物理模型试验，以“引大济湟”深埋隧洞工程为依托，分析了复杂岩层及不同排水条件下外水压力大小及围岩渗流场分布规律的变化. 对比分析了物理模型试验值、地勘规范估算值及经验取值区间三者之间的差异.

1 隧洞外水压力物理模型试验

1.1 引大济湟深埋引水隧洞工程地质条件

“引大济湟”调水总干渠工程位于青海省门源县和大通县境内，该工程拟将水资源丰富的大通河水引入湟水流域，从而解决湟水河流域地区的水资源短缺问题［14］. 引水隧洞长24.166 km，隧洞进口高程2 956.00 m，出口高程2 943.43 m，隧洞轴线地面高程2 943.00～4 050.00 m，隧洞最大埋深1 028.00 m，平均埋深约480 m，为深埋长隧洞［15-17］.

“引大济湟”输水隧洞按围岩岩性组成、岩体结构、构造、地下水等水文工程地质条件的差异按进口至出口顺序共分为30个工程地质段［18］. 门源中生代地槽期后沉积盖层区（第一段～第十八段），隧洞围岩以Ⅳ～Ⅴ类围岩为主，少数属于Ⅲ类［19］；从第十九段～第三十段，以Ⅱ～Ⅲ类围岩为主，少数为Ⅳ、Ⅴ类围岩［20］. 经统计，在长24 166 m的隧洞中，Ⅱ类围岩洞室长7 241.4 m，占隧洞总长的30%；Ⅲ类围岩长5 972.3 m，占隧洞总长的24.7%；Ⅳ、Ⅴ类围岩长10 952.3 m，占隧洞总长的45.3%［21-22］.

其中第一工程地质段为本文研究重点，该段隧洞围岩稳定性较差，除岩体较破碎、岩石强度低外，还受地下水影响［23］. 表1为第一段地质水文参数表.

表1 地质水文参数表Tab.1 Geological and hydrological parameter table

1.2 室内物理模型的简化

选取“引大济湟”输水隧洞第一工程段桩号K0+786～K0+826城门洞型隧洞为模型试验段，隧洞整体尺寸为10 m（宽）×13 m（高）×40 m（长），根据模型试验的目的，主要考虑围岩岩层分布、隧洞、衬砌结构、排水孔等.试验模拟隧洞周边范围内的围岩，施加定水头控制水位，研究隧洞衬砌外水压力及围岩渗流场分布规律.

为使模型中的渗流运动完全复演原型隧洞的渗流流态，模型必须符合相似准则. 由圣维南原理可知，模型尺寸选取越大，边界离模型隧洞越远，相应的边界条件对围岩渗流场和外水压力大小的影响越小，模型分析结果就越准确. 综合考虑砂槽模型开挖模型材料以及量测仪器布置方便等因素，模拟隧洞周边围岩范围取4倍洞径以上，并进行轴对称布置. 同时考虑模型隧洞开挖方便、采集数据装置方便以及物理模型试验精度要求等，本次试验选择模型几何比尺100，其余各指标的相似率如表2所示.

表2 试验模型相似率Tab.2 Similarity rate of test model

当研究复杂岩层及不同排水条件所引起的上覆岩层渗流过程时，深埋隧洞外水压力折减系数无量纲，其相似比为1，模型试验和原型的无量纲数值相一致.

室内物理模型为自主研发的渗流砂槽试验装置，可以模拟隧洞开挖到稳定渗流后围岩渗流变化和隧洞外水压力不同测点分布，其主要由砂槽、隧洞、测压管、定水头给水排水溢流箱等组成，渗流砂槽物理模型结构示意图如图1所示.

图1 物理模型结构示意图Fig.1 Structural sketch of physical model

砂槽主体框架的四个侧面和底面分别采用10 mm厚PVC有机玻璃板以及15 mm厚高强度钢板进行夹合加固封闭，顶部与大气相同，箱体尺度规格为2 m（长）×0.4 m（宽）×1.2 m（高）. 模型砂槽通过设置水泵于两侧控制水位，以此来保证试验时箱体内水位的稳定，同时所填筑的模型材料在水位以下，图2（a）所示为砂槽示意图.

隧洞位于主体模型底部中间位置，呈现城门洞型断面，根据几何比尺，隧洞模型整体尺寸为城门洞上半部分圆弧半径5 cm，隧洞高13 cm，长度40 cm，隧洞剖面如图2（b）.

砂槽背面分别在距隧洞底板深度0.3、0.5、0.7、0.9 m 处设计4 排测压管，每排50 根，并通过紫铜软管连接. 为了方便观测以及记录数据，如图2（c），容器两侧前后视面等高放置4块排架白板（1.5 m×1 m）.

为了控制试验水头高度，真实还原饱和土下隧洞围岩的饱和状态，如图2（d），砂槽两侧设有定水头溢流箱，通过水管连接到砂槽两侧进水槽.

模型围岩材料的选取考虑围岩渗流问题，用等效连续介质选取渗透系数相似的材料代替围岩. 运用TST-70型、南55型渗透仪分别测定了所选用渗透系数相差两个数量级的粉土及黏性土的渗透系数及干密度，并开展了常水头和变水头渗透实验. 最终选择渗透系数6.532×10-6m/s的粉土；渗透系数8.816×10-8m/s的黏土来模拟均质围岩及不均匀岩层中的强隔水层.

图2 模型各部位结构示意图Fig.2 Structural sketch of each part of the model

1.3 外水压力模型试验

为监测隧洞开挖后至渗流稳定围岩渗流场的变化过程及衬砌外水压力大小和分布，按图3沿隧洞顶拱30°辐向设置4个排水孔，隧洞衬砌顶内实际埋设9个监测断面，编号从P1到P9，并按图4所示在模型砂槽距隧洞底板0.3、0.5、0.7、0.9 m设置四排测压管编号A到D，从左到右设置50根测压管编号01到50，从而实时观察渗流过程中围岩各点处压力水头和渗流场的变化. 实时监控系统采用HIKVISION 监控系统DS-IPCB12-1监控摄像头.

图3 隧洞测点布置示意图Fig.3 Layout of measuring points in tunnel

图4 砂槽测点布置示意图Fig.4 Layout of measuring points in sand trough

为简化试验条件，本试验主要考虑排水孔个数、排水流量、隔水层角度与衬砌外水压力大小之间的关系，通过考虑以上不同因素将物理模型试验分为表3所示的9种工况.

表3 模型试验工况设计Tab.3 Design of model test conditions

试验开始前将砂槽有机玻璃模型、隧洞、测压管排架等结构进行组装安装，并采用分层等密度控制夯筑法将模型材料填筑至模型中，其中粉土控制密度ρn=1.89 g/cm3. 封堵隧洞排水孔，打开水泵从两侧向砂槽内持续供水，定水头水箱控制水头高度，每隔2 h对每根测压管进行排气. 当观察到排架上每根测压管水头高度与控制水头高度一致，砂槽内土体充分饱和. 根据不同工况要求设置排水孔数量，开始排水后每隔1 h记录测压管监测画面及隧洞衬砌处9个测点的水头高度，同时接取单位时间排水流量. 当排架上测压管水头稳定后，记录排架测压管水头、衬砌处测点水头单位排水流量等数据.

2 外水压力模型试验结果分析

2.1 围岩渗流场变化规律

在初始围岩饱和状态到渗流稳定全过程，分别记录了9种工况下模型隧洞顶拱轴线A25、B25、C25、D25测点的20 组压力水头数据，图5 为9 种工况下各测点的压力水头-时间曲线. 其中，图5（a）、（b）、（c）分别对应均质岩层三种排水条件的工况；图5（d）、（e）、（f）分别对应岩层存在水平隔水层三种排水条件的工况；图5（g）、（h）、（i）分别对应岩层存在斜隔水层三种排水条件的工况. 通过对不同岩层分布和不同排水条件下各工况试验历时曲线的系统分析，可得出如下结论：

1）对于同一种岩层分布下同一测点在不同排水条件下，设置排水孔会引起围岩地下水位的下降，各测点的压力水头大小呈现反比例函数变化趋势，降幅不断变小并最终趋于稳定值，而不设置排水时，隧洞衬砌渗透系数极小，相当于全封堵模式，围岩渗流场始终保持初始状态.

2）对于设置隔水层的工况，可以看出在隔水层以上测点A25、B25的压力水头几乎不发生变化，而隔水层以下测点C25、D25的压力水头存在下降趋势，说明隧洞上覆岩层中的隔水层在渗流方向上分担了一部分压力水头，同时减轻了地下水位下渗对隧洞的影响.

3）对于均质岩层不同排水条件下，压力水头大小随深度增加而增加. 而设置隔水层时，隔水层以下测点压力水头明显小于测点A25、B25压力水头，且工况4、5、7、8中C25测点压力水头小于0，由于围岩存在强隔水层，隔断了地下水下渗，隔水层以下出现低压区.

图5 模型各测点压力水头历时曲线Fig.5 Pressure head diachronic curves at various measuring points in the model

2.2 围岩渗流场稳态分布

当围岩渗流趋于稳定后，对模型内200个不同位置测点处的压力水头大小进行Sufer差值拟合处理，图6为不同工况下围岩渗流场稳态分布.

1）对比工况1、工况2发现，均质岩层分布的相同水头边界条件下，地下水位形成了明显的下降，工况1较工况2地下水位最低点降低0.08 m，这是由于隧洞排水流量大小影响围岩渗流场，排水流量越大，浸润线越低. 对于隧洞仅设置排水时所形成的水力漏斗会对环境产生诸多不利影响.

2）由工况4、工况5可看出，围岩存在水平隔水层时，围岩深度在0.4 m到0.55 m范围内，即隔水层以下部分均产生了低压空腔，空腔附近围岩压力水头呈包络分布，验证了上文提到的隧洞上覆岩层为非均质复杂岩层时，强隔水层对地下水下渗的阻隔作用. 对比两种工况发现，岩层存在水平隔水层较均质岩层条件隧洞附近压力水头有较大降低.

3）工况7、工况8在围岩深度0.3 m到0.55 m处同样存在低压空腔，值得一提的是，由于斜隔水层是从左下向右上20°方向设置的，隔水层下方围岩压力水头等值线较水平隔水层存在整体向右偏移的趋势，且低压最低点不在隧洞轴线上，分别向右偏移了0.21 m和0.19 m，这说明隔水层的角度同样影响着围岩渗流场分布规律，斜隔水层会使地下水位最低点的位置发生水平方向移动.

4）观察工况3、工况6、工况9 可发现，其与原有初始渗流场基本一致，渗流场等值线沿围岩深度均匀分布.

2.3 隧洞外水压力水头分布

将所记录的隧洞处9个测点的衬砌外水压力水头在相同岩层分布下不同排水流量的外水压力水头分布图，如图7所示.

图7 隧洞衬砌外水压力水头分布图Fig.7 Distribution of external water pressure head of tunnel lining

1）工况3、工况6及工况9中隧洞不设排水，处于封堵状态. 当隧洞不排水时，衬砌外水压力水头并没有有效地降低，衬砌外水压力水头相对较高，且沿着隧洞测点水平方向呈先减小后增大的趋势. 而设置排水情况下，由于测点P2、P4、P6、P8处布置在排水孔位置，所以外水压力水头值为0，相邻排水孔之间压力水头值呈抛物线趋势. 由于地下水位到该测点位置深度不同，顶拱、拱腰及边墙处测点的外水压力水头分布也不相同，其中顶拱位置压力水头最小，而边墙处压力水头最大.

2）均质岩层条件下，工况3外水压力水头最大值为1.02 m，位于左右边墙处，而工况1边墙处外水压力水头为0.252 m，相较之下降低了75.29%. 这说明了排水孔的设置可有效发挥排水降压作用，大幅减小衬砌上的外水压力. 工况2衬砌外水压力水头为0.231 m，较工况3降低了69.59%，由此可见，在相同岩层分布和水头边界条件下，排水流量越大，衬砌外水压力水头值越小.

3）岩层存在水平隔水层和斜隔水层时存在相同规律，排水流量和衬砌外水压力水头值呈负相关. 值得一提的是，岩层存在斜隔水层时，衬砌外水压力水头不再呈轴对称分布，最小外水压力水头在右拱腰0.050 m处，较左拱腰外水压力水头0.054 m降低了7.41%，左边墙外水压力水头0.124 m，右边墙外水压力水头0.112 m，降幅为9.68%，而顶拱压力水头为0.051 m. 由此说明，斜隔水层不仅使地下水位最低点向右偏移，同样隧洞处外水压力水头分布也发生了变化.

将排水流量大小同为0.536 m3/s的三种工况的衬砌外水压力水头结果进行对比，图8为不同上覆岩层结构的外水压力水头分布图.

在排水条件相同的条件下，均质层顶拱、拱腰、边墙处的外水压力水头值均比岩层存在水平隔水层和斜隔水层的外水压力水头大. 最大差值出现在顶拱处，相差51.89%，而后两者的测点外水压力水头之间相差无几.这是由于对于不同岩层分布条件，平均围岩渗透系数与强隔水层厚度以及其渗透系数有关，在本试验中水平隔水层和斜隔水层的填筑厚度均为10 cm，较均质岩层小两个数量级，导致了平均围岩渗透系数的降低. 而围岩渗透系数与衬砌外水压力正相关，因此复杂岩层分布下的隧洞衬砌外水压力水头低于均质岩层的外水压力水头.

图8 不同岩层结构下隧洞衬砌外水压力水头分布Fig.8 Distribution of external water pressure head of tunnel lining under different rock structures

2.4 隧洞外水压力确定方法对比分析

引入外水压力折减系数β，对比分析物理模型试验值、地勘规范估算值及宋岳的经验取值区间三者之间差异.

选取试验隧洞处各测点压力水头与地下水位到隧洞中心压力水头的比值作为外水压力折减系数物理模型试验值βt. 根据规范把地下水位最低点水头与地下水位到隧洞位置高程的水柱高之比作为外水压力折减系数βc［24］. 根据宋岳［25］提出的岩体不同渗透性等级下衬砌外水压力折减系数βc的经验区间，均质岩层围岩渗透系数kr=6.53×10-6m/s，属于弱高渗透区，外水压力折减系数经验区间在0.2≤βc＜0.4，由模型参数计算岩层存在隔水层平均围岩渗透系数ky=8.51×10-7m/s，属于微弱常渗透区，外水压力折减系数经验区间在0.1≤βe＜0.2. 不同工况下外水压力折减系数模型试验值βt、地勘规范估算值βe及宋岳折减系数经验区间计算结果如表4.

表4 不同工况下隧洞外水压力折减系数Tab.4 Reduction coefficient of external water pressure of tunnel under different working conditions

结果表明，隧洞不设置排水时，衬砌外所受外水压力未得到有效降低，计算所得外水压力折减系数模型试验值βt偏大，与经验区间偏差较大. 对于均质岩层排水孔自由出水时，衬砌外水压力折减系数最大降低76.97%，说明排水孔的设置可有效发挥排水降压功能，大幅减小作用于衬砌上的外水压力. 对于岩层存在水平隔水层的复杂围岩，模型试验值βt较均质岩层最大降低48.25%，说明在上覆岩层中设置隔水带会降低隧洞衬砌所受的外水压力.

将三种隧洞外水压力确定方法进行对比分析，如图9所示. 可以看出，外水压力折减系数模型试验值βt基本满足经验折减系数区间，具有作为衬砌外水压力确认方法的可行性. 而地勘规范估算的外水压力折减系数较模型试验值有所保守，在均质岩层分布条件下，βe超过了经验取值区间最大值51.52%，而在岩层存在隔水层时，βe降低了很多，特别是在岩层存在斜隔水层时，其取值满足经验取值范围. 究其原因在于隔水层对地下水渗流的阻隔作用使得隔水层下的压力水头降低，同时地下水位最低点出现在隔水层以下.

图9 不同隧洞外水压力的确定方法对比Fig.9 Comparison of determination methods of external water pressure of different tunnels

3 结论

针对“引大济湟”调水总干渠工程，开展了深埋隧洞外水压力物理模型试验，主要结论如下.

1）排水孔的设置将会引起围岩地下水位的下降，从初始状态围岩饱和到渗流稳定过程中，各测点的压力水头大小呈现反比例函数下降趋势，最终趋于稳定值；不设置排水时，围岩渗流场将始终保持初始状态.排水孔的设置降低了各测点的最终稳定压力水头.

2）隔水层的设置在渗流方向上分担了一部分压力水头，同时减轻了地下水位下渗对隧洞的影响. 由于围岩存在强隔水层，隔断了地下水下渗，隔水层以下出现低压区，使得隔水层以上压力水头几乎不发生改变，而隔水层以下测点压力水头存在较大变化.

3）无论岩层分布均质与否，排水流量和衬砌外水压力值均呈负相关. 在排水条件相同的条件下，由于复杂岩层平均围岩渗透系数较低，均质层外水压力值均比岩层存在水平隔水层和斜隔水层的外水压力大.

4）对比不同外水压力折减系数计算结果发现，外水压力折减系数物理模型结果βt基本满足经验折减系数区间，可以作为衬砌外水压力确认方法的依据，而地勘规范估算的外水压力折减系数取值较为保守，与经验区间相差较大.