無紡布對海底隧道襯砌防水作用的試驗(yàn)研究

譚忠盛，李 健，卓 越,，張 鵬

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430056；3.中國中鐵隧道集團(tuán)科研所，河南 洛陽 471009；4.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

1 引 言

暗挖海底隧道分布在海底，水壓高，水源無限穩(wěn)定補(bǔ)給，不具備自然坡降水條件，使其滲水問題遠(yuǎn)比陸地隧道嚴(yán)重得多[1－3]。在隧道防水設(shè)計(jì)中，一般采用復(fù)合式襯砌，其防水技術(shù)的核心是在復(fù)合式襯砌中設(shè)置防水層，防水層由防水板及其墊層組成。墊層的主要作用是保護(hù)防水板，避免防水板遭尖銳物的刺傷，同時(shí)充當(dāng)噴射混凝土與二次襯砌間的滲水下排通道[3－5]。針對墊層的作用，要求墊層材料具有較好的應(yīng)力、應(yīng)變性能、較高的韌性和較好的滲透性，并且耐腐蝕、耐老化，目前工程上常用無紡布作為防水板的墊層[6－7]。無紡布的使用在力學(xué)上能緩沖初期支護(hù)與防水板之間的作用，在水力上能將滲水引入邊溝，兩者極大地改善了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力環(huán)境。但無紡布如何改變隧道襯砌上水壓力分布及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，至今還未有相關(guān)研究報(bào)道。

本文依托廈門翔安海底隧道，采用可同時(shí)考慮水壓力、土壓力共同作用的模型試驗(yàn)臺架，使用相似材料制作模型，模擬海底隧道的耦合應(yīng)力場，通過調(diào)整排水量及水壓得到襯砌背后水壓分布規(guī)律，從而驗(yàn)證無紡布對隧道襯砌背后水壓力分布規(guī)律的影響；通過調(diào)整水壓、排水量及土壓得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，從而驗(yàn)證無紡布對隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 工程背景

F1、F2、F3全強(qiáng)風(fēng)化深槽以及F4全強(qiáng)風(fēng)化囊是廈門翔安海底隧道設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，其中又以 F4全強(qiáng)風(fēng)化囊最為復(fù)雜，該段巖層的圍巖級別為V級，此類全-強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差。該段海水深約為25 m，隧道拱頂上層覆土厚度約為40 m，為全強(qiáng)風(fēng)化巖層，地質(zhì)鉆孔資料顯示，風(fēng)化巖體碎裂成泥土狀，模型試驗(yàn)可視為各向同性松散孔隙介質(zhì)。該段隧道拱頂最大水壓為0.65 MPa。

由于隧道所處地質(zhì)條件變化大，任何一種防排水方案都不能完全適應(yīng)環(huán)境條件。根據(jù)對隧道所處地質(zhì)條件、水壓、結(jié)構(gòu)耐久性和后期運(yùn)營抽水費(fèi)用等的綜合分析，針對不同地層采用不同的結(jié)構(gòu)防排水方案。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖，全-強(qiáng)風(fēng)化、斷層破碎帶等富水圍巖段，滲水量較大，在此類地段采用全封堵方案，加強(qiáng)圍巖預(yù)注漿，控制較大水量進(jìn)入隧道；但隧道仍設(shè)縱向排水管以排出少量的滲漏水，襯砌按全水壓設(shè)計(jì)。對于地質(zhì)條件好的Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段，采用限量排放方案，設(shè)置包括環(huán)向盲管等完整的地下水排導(dǎo)系統(tǒng)。主洞隧道的結(jié)構(gòu)防排水方案如圖1所示。

2.2 相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則是模型試驗(yàn)相似比尺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可以利用定律分析法、方程分析法或量綱分析法推導(dǎo)出相似準(zhǔn)則[8－9]。本文采用量綱分析法推導(dǎo)模型的相似比，該方法以相似第二定理（π定理）為理論基礎(chǔ)。根據(jù)量綱分析法，選擇質(zhì)量M（kg）、長度L（m）、時(shí)間T（s）為基本量綱，取3個(gè)獨(dú)立的物理量，對于幾何尺寸l、重度γ、滲透系數(shù)k的因次系數(shù)矩陣如下：

故可取這3個(gè)物理量為基本物理量，根據(jù)π定理可得各個(gè)物理量相似常數(shù)計(jì)算公式[10－11]。通過相似理論和模型試驗(yàn)原理的研究，以及原型的工程地質(zhì)狀況和隧道結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合模型試驗(yàn)臺架的幾何尺寸，模型試驗(yàn)研究中選取的幾何相似常數(shù)[6]分別為：αl=38.88，重度αr=1，泊松比αμ=1，彈性模量αE=αrαl=38.88，圍巖滲透系數(shù)αk=1。

2.3 相似材料的配制

根據(jù)模型試驗(yàn)臺架的容積，所需的圍巖材料約為5 m3。取得相似材料的原料即砂性黏土后，第1步是對原料進(jìn)行篩選，去除砂性黏土中的石塊和雜物，確保相似材料的均質(zhì)與各向同性性；第2步取樣進(jìn)行圍巖相似材料的土工試驗(yàn)，測試圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。所有進(jìn)行的土工試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。根據(jù)圍巖相似材料的土工試驗(yàn)項(xiàng)目，對原料取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，測得其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)以上圍巖相似材料的土工試驗(yàn)成果得到各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，代入相似理論與模型試驗(yàn)原理的確定的相似準(zhǔn)數(shù)計(jì)算公式（1），圍巖相似材料的選擇非常好的滿足了模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則。

2.4 試驗(yàn)裝置

本模型試驗(yàn)采用北京交通大學(xué)自主研發(fā)的可同時(shí)加載水壓力和圍巖壓力的隧道模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。臺架尺寸為260 cm×100 cm×180 cm。豎向4個(gè)液壓加載千斤頂，水平方向左右各有2個(gè)液壓加載千斤頂，每個(gè)最大加載500 kN。同時(shí)可在上頂面加0～0.5 MPa的水壓。液壓加載系統(tǒng)與水壓加載系統(tǒng)無干涉。

表1 圍巖相似材料物理力學(xué)指標(biāo)的土工試驗(yàn)值Table1 Geotechnic test data of surrounding rock similar material physico-mechanical indices

表2 原型與模型材料主要物理力學(xué)指標(biāo)比值Table2 Main physico-mechanical index ratios of prototype and model

圖2 隧道結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Simulated test system for interaction of tunnel structure and surrounding rock

2.5 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要測試項(xiàng)目：模型有、無無紡布斷面襯砌背后水壓力、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)應(yīng)變，測點(diǎn)布置如圖3所示。應(yīng)變采用光纖光柵傳感測量系統(tǒng)，水壓采用U型水銀壓力計(jì)測量，如圖4、5所示。

圖3 水壓及應(yīng)力測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layouts of water pressure and stress monitoring points

圖4 光纖光柵采集系統(tǒng)Fig.4 Fiber grating acquisition system

圖5 U型水銀壓力計(jì)Fig.5 U-type mercury manometer

2.6 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程如下：（1）采用有機(jī)玻璃材料制作隧道結(jié)構(gòu)模型，注漿圈材料為圍巖材料加注水泥、水玻璃溶液，表面設(shè)置防水板和無紡布，其中前半個(gè)表面不鋪設(shè)無紡布，后半個(gè)表面鋪設(shè)無紡布；（2）排水盲管與排水口的設(shè)置，采用塑料細(xì)管制作縱向盲管，外表壁設(shè)置大量透水口，外由紗布包扎，防止砂土流入引起阻塞，在兩側(cè)各設(shè)置6處排水口；（3）安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器；（4）安裝模型外防排水系統(tǒng)；（5）在臺架內(nèi)安裝隧道模型、回填巖土體及埋設(shè)水壓測試點(diǎn)；（6）施加水壓至穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)測排水量時(shí)前半部分兩側(cè)各3個(gè)共6個(gè)匯入一個(gè)水龍頭內(nèi)、后半部分兩側(cè)各3個(gè)共6個(gè)排水口匯入另一個(gè)水龍頭內(nèi)，且通過調(diào)整盡量使兩個(gè)龍頭的流速相同；（7）調(diào)試不同排水量待試驗(yàn)水壓穩(wěn)定后得出前、后兩斷面水壓分布規(guī)律；（8）調(diào)試不同水壓待試驗(yàn)水壓穩(wěn)定后得出全封堵時(shí)前、后兩斷面水壓分布規(guī)律；（9）分別對只加土荷載、施加同一水壓條件不同排水量下、以及水、土壓力共同作用下襯砌模型的表面應(yīng)變進(jìn)行測試與數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過模型試驗(yàn)，得到變排水量及變水頭過程中襯砌水壓力的分布規(guī)律。

3.1 水壓測試數(shù)據(jù)分析

3.1.1 變排水量過程中各點(diǎn)水壓變化規(guī)律

變排量過程中各點(diǎn)水壓變化情況見圖 6。分別以不鋪設(shè)無紡布的測點(diǎn)1及鋪設(shè)無紡布的測點(diǎn)7為例，將其水壓變化規(guī)律列于圖 7。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下規(guī)律：

圖6 變排水量過程中各點(diǎn)水壓變化規(guī)律Fig.6 Laws of water pressure variation of measuring points when water discharge changing

（1）分析圖6、7可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盲管的排水量小于襯砌周圍的水源補(bǔ)給時(shí)，各測點(diǎn)的水壓分布規(guī)律較好。在鋪設(shè)無紡布的情況下，水壓分布的均勻性較不鋪設(shè)無紡布情況下好、集中，且圖6(b)中鋪設(shè)了無紡布的相應(yīng)各測點(diǎn)的水壓都比不鋪設(shè)無紡布的各測點(diǎn)的水壓值小；無紡布起到了很好的集水、附水的作用，使襯砌周圍的水壓分布更為均勻。

（2）分析圖6發(fā)現(xiàn)，排水伊始由于襯砌四周的水量充足，各測點(diǎn)的水壓下降得較為緩慢，上圖中的水壓曲線的斜率較小；當(dāng)排水量變化到 4 mL/s時(shí)，由于排水通暢，各測點(diǎn)水壓下降較快，水壓曲線斜率較大；然而當(dāng)排水量達(dá)到7 mL/s時(shí)，各測點(diǎn)的水壓又下降得較為緩慢，水壓曲線斜率較小。

（3）在排水量為0的全封堵狀態(tài)，測點(diǎn)1、2、3位置較高水壓較小，測點(diǎn)4、5、6位置較低，水壓較大。隨著盲管排水的開始，測點(diǎn)4、5、6因離排水口較近，故其水壓降低迅速；而測點(diǎn) 1、2、3位置較高、離排水口較遠(yuǎn)，故對降壓反應(yīng)較為遲鈍。從圖 6(a)中可以明顯地看出，當(dāng)排水量在 1.5～3 mL/s時(shí)，測點(diǎn)1、2、3的水壓和測點(diǎn)4、5、6的水壓有一個(gè)交叉段。最終，測點(diǎn)4、5、6的水壓接近0，測點(diǎn)1的水壓降低到全封堵狀態(tài)時(shí)的13.9%，2測點(diǎn)的水壓降低到全封堵狀態(tài)時(shí)的5%，測點(diǎn)3的水壓降低到全封堵狀態(tài)時(shí)的7%。

3.1.2 變水頭過程中各點(diǎn)水壓變化規(guī)律

變水頭過程中各點(diǎn)水壓變化情況見圖 8。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下規(guī)律：

（1）在水頭的變化過程中，圖8中各測點(diǎn)的水壓值基本上與水頭的變化成線性增加關(guān)系。圖8(a)中不鋪設(shè)無紡布的各測點(diǎn)的水壓較為分散，位置較低的點(diǎn)如4、5、6其水壓值明顯大于位置較高的點(diǎn)1、2、3的水壓值；圖 8(b)中鋪設(shè)了無紡布的各測點(diǎn)的水壓值較為集中，離散性較小，進(jìn)一步說明了無紡布的匯水、附水能力。

（2）隨著水頭的變大，各點(diǎn)的水壓均逐漸變大，可以看出，當(dāng)水頭大到一定程度時(shí)，水壓變化呈現(xiàn)加速趨勢。在水頭的變化過程中，同一位置測點(diǎn)，鋪設(shè)了無紡布的水壓值均較不鋪設(shè)無紡布的水壓值為大。位置較高的點(diǎn)1、2、3與7、8、9其水壓值差異較為明顯；位置較低的點(diǎn)4、5、6與10、11、12其水壓值差異較小（測點(diǎn)分布見圖2）。

3.2 結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)分析

分別對只加土荷載、施加同一水壓條件不同排水量下以及水、土壓共同作用下襯砌模型的表面應(yīng)變進(jìn)行了測試與數(shù)據(jù)采集。全封堵條件下，根據(jù)相似條件，測試外水壓分別為32、40、50 kPa時(shí)模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變；變排水量條件下，測試水壓50 kPa下，排水量（半個(gè)斷面的）的變化范圍為0～11.75 mL/s時(shí)模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變。由于篇幅所限，本文只給出幾個(gè)典型的關(guān)系曲線。

3.2.1 變水頭過程中襯砌各點(diǎn)應(yīng)變規(guī)律

圖9、10分別為32、50 kPa水荷載作用下的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下規(guī)律：在全封堵條件下，隨著水頭的變大，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外圈應(yīng)變基本成線性增長，且有無無紡布其變形規(guī)律基本一致；鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變較不鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變小。

3.2.2 變排水量過程中襯砌各點(diǎn)應(yīng)變規(guī)律

當(dāng)水荷載為50 kPa，排水量為1.46、117.5 mL/s時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖見圖11、12。當(dāng)水荷載為50 kPa，土荷載為26 kN時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變見圖13。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下規(guī)律：在變排水量過程中，鋪設(shè)無紡布的后斷面比不鋪設(shè)無紡布的前斷面對排水量的變化更為敏感，同時(shí)鋪設(shè)無紡布斷面測襯砌應(yīng)變較不鋪設(shè)無紡布斷面小。

圖9 32 kPa水荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變(單位：10-6)Fig.9 Strains of lining at condition of 32 kPa water pressure (unit: 10-6)

圖10 50 kPa水荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變(單位：10-6)Fig.10 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure (unit: 10-6)

圖11 50 kPa水荷載排水量1.46 mL/s作用下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變(單位: 10-6)Fig.11 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 1.46 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

圖12 50 kPa水荷載11.75 mL/s排水量作用下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變 (單位: 10-6)Fig.12 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 11.75 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

圖13 50 kPa水荷載和26 kN土壓荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變(單位: 10-6)Fig.13 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 26 kN soil pressure (unit: 10-6)

4 結(jié) 論

（1）在變排水量的過程中，在同一位置鋪設(shè)無紡布的各測點(diǎn)水壓值均較不鋪設(shè)無紡布的各測點(diǎn)水壓值小，說明無紡布起到了很好的集水、附水作用，加強(qiáng)了水在襯砌四周的流動性、相互補(bǔ)給性，使襯砌周圍的水壓分布更為均勻。從襯砌的結(jié)構(gòu)應(yīng)變也可以看出，隨著排水量的增大，鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變較不鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變減小得快。

（2）在全封堵狀態(tài)水頭增大的過程中，鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變較不鋪設(shè)無紡布的襯砌結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變值大，且隨著水頭的增大其變化率也增大，說明了無紡布具有一定的附水能力。

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