溶洞空间位置复杂情况下的隧道新型三向排水系统: 以大娄山隧道为例

刘洋会; 刘远明; 滕召磊

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501875

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :2166-2176 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501875

交通运输

溶洞空间位置复杂情况下的隧道新型三向排水系统: 以大娄山隧道为例

刘洋会 ¹ ,
刘远明 ¹^,^* ,
滕召磊 ²

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New Three-way Drainage System for Tunnels with Complex Spatial Location in Caves: Daloushan Tunnel

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摘要

为了解决目前公路隧道常规排水系统不足导致隧道运营期间仰拱面临巨大水压力的难题,研究一种新型三向排水系统,在仰拱中心设计逆向排水管来进行排水,同时,在汛期溶洞会成为水的聚集地,此时隧道将面临巨大的水压力,而溶洞的位置成为影响因素之一,因此探究在新型三向排水系统下不同溶洞空间位置对衬砌的影响;同时,对比新型三向排水系统与常规排水系统的降压性能。结果发现,三向排水系统具有显著的降压性能,尤其是在仰拱位置,同时,这种影响效果受水头高度的影响,水头高度越高,影响效果越明显;根据数值结果来看,溶洞的空间位置对常规排水系统下衬砌水压力的影响较小,但对新型三向排水系统的降压性能影响较大,主要体现在正下方>右下45°>右边>右上45°>正上方,当溶洞位于右下45°和正下方时,水压力曲线呈现“山峰状”,并且随着逆向排水管密度增大,降压效果越明显,水压力曲线“山峰状”越显著。为了去除仰拱高水压力的影响,在隧道中间仰拱位置增大逆向排水管管径,发现可以有效降低高水压力的顶峰效应,保证隧道结构局部免受高水压力的威胁。

Abstract

In order to solve the problem of huge water pressure on the up-arch during tunnel operation caused by the insufficiency of conventional drainage system in road tunnels, a new type of three-way drainage system was researched, and a reverse drain was designed in the center of the up-arch to carry out the drainage, meanwhile, the cavern will become the gathering place of water during flood season, and at this time, the tunnel will face huge water pressure, and the location of the cavern becomes one of the influencing factors, therefore, the influence of different spatial locations of the cavern on lining was investigated in the new type of three-way drainage system. Therefore, the influence of different cave space location on lining under the new three-way drainage system was investigated. Meanwhile, the pressure reduction performance of the new three-way drainage system with that of the conventional drainage system was compared. The results found that the three-way drainage system has significant pressure reduction performance, especially in the position of the arch, at the same time, this effect is affected by the height of the head, the higher the head height, the more obvious effect. According to the numerical results, the spatial location of the cavern has less effect on the lining water pressure under the conventional drainage system, but has a greater effect on the pressure reduction performance of the new three-way drainage system, which is mainly manifested in the right under the> right under the 45°>right>right upper 45°>top, when the cave is located in the lower 45° right and lower, the water pressure curve shows a “peak shape”, and with the density of the reverse drainage pipe increases, the more obvious the effect of pressure reduction, the more significant the water pressure curve “peak shape”. The water pressure curve “peak shape” is more significant. In order to remove the effect of high water pressure in the elevated arch, the diameter of the reverse drain pipe was increased at the elevated arch location in the middle of the tunnel, which was found to be effective in reducing the peak effect of high water pressure and ensuring that the tunnel structure is locally protected from the threat of high water pressure.

Graphical abstract

关键词

新型三向排水系统 / 溶洞的空间位置 / 高水压力 / 降压性能

Key words

new three-way drainage system / spatial position of karst cave / high water pressure / pressure reduction performance

引用本文

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刘洋会, 刘远明, 滕召磊. 溶洞空间位置复杂情况下的隧道新型三向排水系统: 以大娄山隧道为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 2166-2176 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501875

LIU Yang-hui, LIU Yuan-ming, TENG Zhao-lei. New Three-way Drainage System for Tunnels with Complex Spatial Location in Caves: Daloushan Tunnel[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 2166-2176 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501875

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在中国南方地区,尤其是西南地区,喀斯特地貌广布,是典型的岩溶发育区,大小溶洞较多,而溶洞正是储存高水压力的场所,成为隧道运营期不可忽视的隐患,都给施工带来巨大损失^[1-3],不管是施工阶段的突水涌水,还是运营阶段的衬砌开裂,甚至坍塌都与高水压有直接的关系。不少学者在隧道施工期间就对溶洞进行了许多的研究,例如:岩溶隧道突水涌水导致大量水流快速聚集,短时间内超过隧道排水系统的排水极限,导致隧道承受巨大的水压力^[4-5],在隧道施工过程中,溶洞不仅对隧道围岩稳定性的影响巨大^[6-8],还对隧道衬砌结构内力有较大的影响^[9-13],为了解决开挖过程中溶洞对隧道的影响,提出了一种确定地下水涌流隧道排水持续时间的新分析方法^[14]。除了富水溶洞的影响,同样的,隧道的排水方式也是一大隐患,为进一步完善隧道排水结构体系,已成功构建起关于水平与垂直排水的优化设计数学模型。为进一步完善隧道排水结构体系,Bakour等^[15]构建了关于水平与垂直排水的优化设计数学模型;Zhang等^[16]设计了一种新型排水结构,该结构取消了圆形排水盲管,在防水板与二衬之间增加了凸壳式排水板,该排水系统能大幅降低排水结构易堵塞区域的水压,具有较高的抗污泥性能;但后期维修不便,且不具备降低仰拱处局部高水压力的能力;He等^[17]提出了一种利用压力阀调节作用在运输隧道支护系统上的水压的新型排水方法,可以有效地保护当地地下水环境,但是并未涉及降压方面的研究;铁路隧道仰拱隆起危害极大,为解决这一难题,Li等^[18]创新设计了一种自下而上的排水结构;李化云等^[19]研究富水隧道排水体系对地下水的卸压能力;相懋龙等^[20]通过3D打印技术的隧道模型试验设计隧道深埋中心水沟,优化深埋中心水沟设计参数,可有效减少富水地段仰拱高水压及其导致的隧底结构隆起问题;但该研究土石方开挖量大,不符合工程经济高效的原则。通过工程资料来看,隧道建设和运营面临一个同样的高水压力问题,根据国内外的经验来看,目前常规排水系统在长期服役过程中常因地下水排泄不畅导致仰拱区域水压力积聚,尤其在汛期地下水位骤升时,仰拱结构将承受巨大的水压力,最终可能导致隧道衬砌结构崩溃,引发事故;而其他创新的排水系统虽有成效,但依然存在维修不便等其他问题。为了解决仰拱处高水压力的问题以及目前常规排水系统无法更换、维修等不足,Teng等^[21-22]提出的新型三向排水系统(纵向与横向排水系统在断面上为双向排水,三向排水系统就是在断面上有3处排水孔)。

大量学者对含溶洞隧道进行各方面影响的研究,以及隧道排水系统方面的研究。然而,在溶洞不同空间位置对新型三向排水系统影响的研究尚不明晰。为了进一步了解溶洞空间位置对新型三向排水系统降压性能的影响,对溶洞位于隧道正上方、右上45°、右边、右下45°以及正下方展开研究。与常规排水系统进行比较分析,探究其在溶洞存在条件下的变化特征。现以大娄山超长特大断面隧道为工程背景;进行数值计算来分析探究不同水头高度下、溶洞的空间位置以及逆向排水管数量对三向排水系统以及常规排水系统的降压性能进行有限元分析。研究结果将为国内外隧道修建提供一定的参考。

1 研究背景

1.1 工程背景

大娄山隧道起于桐梓县大河镇,止于马鬃苗族乡,左幅全长10 497 m,右幅全长10 485 m,隧道规划段岩溶系统密集,水压力产生的主要原因包括重力作用、环境约束、水的流动性以及深度共同作用的结果;根据水文地质条件,地下水流动方式为管道流动,岩溶管道长13.5 km。大娄山隧道断面开挖跨度×高度=17.338 m×11.195 m,属于特大断面隧道,采用复合式衬砌支护方案S-Ⅳa复合式衬砌,隧道衬砌断面和断面“半包”排水系统设计如图1所示,在施工过程中面临巨大高水压力的威胁。

1.2 新型三向排水系统的结构概述

所谓新型三向排水系统主要是在常规排水系统的基础上对公路隧道排水系统进行优化,在超高仰拱的位置设置单独的排水口,与中央排水沟结合进行工作,使超高仰拱的高水压利用压力差的方式排出隧道、从而达到降低隧道超高仰拱处高水压的目的,其主要结构特点如图2所示。其中“点对点”排水降压优势可以得到体现,即该结构可以在隧道富水较高的区间段进行设计与布置,在满足隧道排水降压的同时,还可以提高施工效率,同时该结构可以在后期进行维护和更换,相较于目前常规的排水系统,具有一定的优势,可以解决隧道运营后期排水管堵塞和结晶的问题,为隧道长期运营提供安全保障,该结构还具有可控式排水的优势,满足可持续发展的要求。

1.3 溶洞的空间位置布置

目前世界各地对于隧道修建遇到富水溶洞的地质情况屡见不鲜,隧道所处的空间位置错综复杂,基于以上问题,探究溶洞典型空间位置(正上方、右上45°、右边、右下45°以及正下方)对于隧道新型三向排水系统降压性能的影响,目的是探究新型排水系统对特殊地形的适应性,溶洞的空间位置布置以及排水机理图如图3和图4所示。

2 数值模型建立

2.1 计算模型的建立

基于达西定律,采用MIDAS/GTS NX 有限元计算软件建立大娄山隧道各向同性数值模型,表达式为

(1)

$q=kj$

式(1)中:j为水力梯度;k为渗透系数;q为单位面积流量。

基本方程:

(2)

$\frac{\partial }{\partial x}\left({k}_{x}\frac{\partial H}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({k}_{y}\frac{\partial H}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({k}_{z}\frac{\partial H}{\partial z}\right)+Q=\frac{\partial \varphi }{\partial t}$

(3)

式中:t为时间;

$\varphi $

为体积含水率;H为总水头;Q为单元体流量;k_x、k_y、k_z为x、y、z轴方向的渗透系数。

根据现场情况,溶洞大小简化为直径为10 m的圆球状,根据圣维南原理,模型计算区域为180 m×60 m×100 m,计算模型的边界范围在各个方向上均大于3倍的洞跨,如图5所示。

模型类型为3D实体单元,Ⅳ围岩采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型进行模拟,围岩的黏聚力为0.6 MPa、内摩擦角为39°,初期支护、二次衬砌以及防排水系统采用弹性模型进行模拟,网格划分采用混合网格生成器;模型边界条件施加采用/GTS NX 自动约束设置法向约束,将水压力设置在溶洞中,其数值大小为位置水头与压力水头之和。为有效简化计算流程,参照实际隧道施工中排水系统普遍采用的聚乙烯管特性,将排水管通过等流量原理将建模简化为边长为89 mm的立方体单元,在计算的过程中,模型始终处于完全饱和状态,并将排水孔区域节点水头压力归零。基于文献、规范及工程资料,模型参数取值如表1所示。

2.2 模型计算工况设置

为了进一步了解建模的步骤以及工况,具体计算工况如表2所示,设置不同逆向排水管的个数是为了突出溶洞的影响效果,只有达到一定的数量才能体现出溶洞的影响范围,根据数值计算显示逆向排水管数量设置为0(即常规排水系统)、1、6、11、16、21、26个共7种情况,设置的水头高度为0、10、20、30、40、50、60 m,溶洞空间位置设置为正上方、右上45°、右边、右下45°、正下方共5种具体工况,总工况数为245种。

3 影响新型三向排水系统降压性能的因素分析

3.1 环向水压力结果分析

根据设置的工况,只取60 m水头下布置21个逆向排水管条件下拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、仰拱拱腰以及仰拱位置的外水压力进行分析;根据数值模拟导出数据发现,常规排水系统二次衬砌所受水压力基本不受溶洞位置的影响,故常规排水系统仅取溶洞位置在右边时的外水压力来进行对比分析;由于溶洞设置在隧道中间段,所以取隧道衬砌排水断面和非排水断面的外水压力来进行分析,其中,“排水断面”和“非排水断面”以环向排水管作为依据,设计环向排水管的位置定义为“排水断面”,两环向排水管中间为“非排水断面”。

由图6可知,无论排水断面还是非排水断面,离溶洞越近的地方,衬砌受到外水压力就越大;在排水断面,不同溶洞的空间位置对隧道衬砌的影响主要集中在拱腰以下的位置,尤其是仰拱位置,溶洞位置的改变对新型三向排水系统在仰拱处的降压性能影响较大,主要体现在正下方>右下45°>右边>右上45°>正上方。仰拱处衬砌外水压力依次为正上方(356.73 kPa)、右上45°(371.05 kPa)、右边(383.54 kPa)、右下45°(472.79 kPa)、正下方(522.38 kPa)、常规排水系统(1 303.28 kPa),相较于常规排水系统来说,新型三向排水系统在仰拱处水压力值有明显降低趋势,最大降低了72.6%左右;在左仰拱拱腰处,最大降低了30.55%,在右仰拱拱腰处,最大降低了30.61%。在非排水断面,有溶洞存在的位置外水压力会略大于其他地方,而对于隧道整体而言,三向排水方式下的外水压力都要小于常规排水系统。总的来说,三向排水系统不仅对隧道仰拱区域有明显的降压效果,而且对于隧道整体来说也有优势。

3.2 不同参数值和变化结果分析

为了充分了解不同水头高度下溶洞以及三向排水系统对衬砌影响。对不同溶洞位置,不同逆向排水管数量进行数值分析探讨。

3.2.1 不同溶洞位置的影响分析

根据设置的工况,只取60 m水头下不同溶洞位置在不同逆向排水管数量下的仰拱结果进行分析,根据数值模拟导出数据发现,常规排水系统仰拱位置的水压力基本不受溶洞位置的影响,水压力在1 301~1 305 kPa,故传统的排水系统仅取1 303 kPa进行对比分析。

由图7可知,在60 m水头布置11个逆向排水管。同等条件下,随着溶洞越接近隧道底部,隧道仰拱所受到的水压力越大。又由图8可以看出,当只存在一个逆向排水管时,除了孔洞周围,其他水压力大小与传统的基本一致,数值为1 285 kPa左右。常规排水系统在仰拱位置的水压力基本不受溶洞位置的影响;布置1个逆向排水管时,受到轻微影响,随着逆向排水管数量逐渐增多,可以发现降压效果越明显,但其增长趋势是在逐渐降低的。同时可以看出随着逆向排水管数增多,溶洞对其影响就越突出,溶洞位置影响效果表现为正下方>右下45°>右边>右上45°>正上方,且处于隧道中间的仰拱位置水压力的变化较为突出,根据曲线可以看出,当溶洞处于右下45°和正下方时,曲线呈“山峰状”趋势,且随着排水管密度增大,趋势越明显,溶洞位于右下方相较于位于右边时,水压力出现了较大的增加,说明溶洞的位置越接近拱底,新型三向排水系统的降压性能越显著。

3.2.2 不同水头高度对衬砌的影响

在不同水头高度的条件下,选取布置11个逆向排水管的数量,对不同溶洞位置的仰拱数值结果进行分析。由图9可知,随着水头高度的增加,隧道仰拱所受到的水压力越大。

根据图10中的结果可以看出,曲线的变化趋势大致相同,衬砌水压力受水头高度的影响,随着水头高度的增加,隧道仰拱水压力越来越大,但在数值上溶洞位置越接近隧道仰拱,外水压力就越大,最大变化数值为正上方(1 017.30 kPa)、右上45°(1 033.07 kPa)、右边(1 064.61 kPa)、右下45°(1 124.91 kPa)、正下方(1 137.70 kPa),差值依次为15.77、31.54、60.30、12.79 kPa,根据不同溶洞位置的最大水压力数据可以发现,溶洞越接近隧道底部外水压力值就越大,从右下45°到正下方,曲线逐渐呈现“山峰状”,说明充水溶洞的位置对新型逆向排水系统的降压性能有所影响。

3.2.3 不同逆向排水管数量对衬砌影响

在改变逆向排水管数量(1、6、11、16、21、26个)条件下,探究不同水头高度对衬砌外水压力的影响,由于数值结果较多,故选取影响最大的溶洞位置正下方为例分析仰拱的水压力,其结果如图12~图13所示。

由图11可直观地看出,随着逆向排水管密度增大,仰拱受到的水压力越小,但是在隧道中间的水压力明显大于其他地方,这是由于溶洞处于隧道正下方所导致的。从图12的点线图来看,随着逆向排水管密度增大,隧道衬砌结构受到的影响就越明显,整体来看逆向排水管密度与仰拱处水压力降低呈正相关,逆向排水管密度越大水压力下降得越明显;在60 m水头下,逆向排水管为6、11、16、21、26个时,仰拱中间位置水压力与峰值最小值的差值依次为55.59、88.09、128.44、139.91、168.03 kPa,因此在溶洞处下降的趋势较小,随着逆向排水管数量的增加曲线逐渐呈现“山峰状”的趋势,而且趋势越来越明显,这说明,溶洞的高水压力会对新型三向排水系统产生影响。

3.2.4 解决方案

为了解决仰拱处溶洞对三向排水系统降压性能带来的影响,通过方法探究,在溶洞存在位置局部增大逆向排水管的管径,可以有效解决“山峰状”的局部高水压力现象,以溶洞位置为正下方、60 m水头高度下、21个逆向排水管数为条件,改变中间位置逆向排水管管径大小,从图13可以看出,随着管径的增大,“山峰状”变为“山谷状”,中间位置的水压力降低;管径从100 mm增加到150 mm时,对三向排水系统下的隧道衬砌降压效果有明显影响,但是在管径150 mm增加到200 mm时,水压力的改变影响较小,这说明管径大小的增加,的确可以提高局部的排水效率,从而降低溶洞对三向排水系统的影响,但管径大小的改变需要根据实际情况来看,并不是越大越好,需要结合效率与安全方面等来确定。总的来看,通过局部增加管径可以降低溶洞对三向排水系统降压效果的影响。

4 结论

通过数值模拟的方式,探究不同溶洞空间位置对新型三向排水系统的降压性能影响,主要研究结论如下。

(1)新型三向排水系统较传统排水系统具备显著的减压降压优势,尤其对隧道仰拱处的降压效果更为突出,可有效避免运营期仰拱受高水压力的影响,同时对隧道整体水压力控制也有良好效果。

(2)溶洞所处位置是水压力集中区域,其内部高水压力会加剧排水管的排水压力,增大溶洞存在位置附近衬砌结构破坏风险;而逆向排水管在仰拱位置减压作用显著,该区域水压力整体低于隧道其他部位。

(3)隧道仰拱外水压力受逆向排水管数量及溶洞空间位置影响显著:溶洞位置影响效果由强到弱依次为正下方>右下45°>右边>右上45°>正上方,且越接近拱底(如正下方、右下45°),三向排水系统降压性能越显著;随着逆向排水管密度增加,溶洞对仰拱水压力的影响趋势加剧(如正下方、右下45°位置呈现“山峰状”曲线特征),隧道中部仰拱水压力变化尤为突出,溶洞处仰拱外水压力显著高于其他区域。

(4)针对溶洞位于正下方的极端工况,可通过调整该位置局部逆向排水管管径(具体参数需结合工程实际),降低溶洞周边水压力峰值,使水压力分布曲线趋于平缓,有效解决高水压力集中问题。

研究表明,溶洞空间位置对三向排水系统降压性能影响显著,其中正下方溶洞作用最突出。通过优化局部排水管管径,可针对性缓解溶洞区域高水压力问题,为含溶洞隧道排水设计提供一定的技术参考。新型排水系统通过结构优化、效率提升、绿色低碳三大核心突破,系统性解决了传统隧道排水的“痛点”,尤其为岩溶地区隧道施工提供了安全可靠的解决方案,可为今后国内外隧道修建提供一定的参考。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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