低滲透性地層淺埋隧道防排水控制措施研究

王春梅

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

隨著隧道及地下工程的發(fā)展，越來越多的地下結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中，時(shí)刻都受到地下水的危害。多年來，人們在與地下水長期斗爭中，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的隧道和地下工程防水原則，使隧道和地下工程防排水技術(shù)有了較快的發(fā)展［1］。地下工程的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在修建過程中不同程度地受到地下水的影響，這就要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行合理的防排水設(shè)計(jì)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的防排水方法和材料［2］。然而對于以巖石地層為主，地層含水量和滲透系數(shù)均較小的淺埋鐵路隧道，如果依然按照規(guī)范和傳統(tǒng)的防水模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)全外包防水，考慮全水頭壓力)，儼然已經(jīng)不合時(shí)宜。為了充分利用硬巖低滲透性的地質(zhì)特點(diǎn)，應(yīng)尋求一種合理的結(jié)構(gòu)形式及防排水方案，從而減小工程量，降低工程造價(jià)，達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文針對淺埋鐵路隧道全包排水、半包排水形式以及注漿堵水控制措施進(jìn)行綜合分析，探討低滲透性巖層淺埋鐵路隧道滲流特點(diǎn)以及防排水控制措施的合理選擇。

1 工程概況

本工程淺埋隧道采用馬蹄形斷面，隧道覆土厚度為9.8～19.6 m。根據(jù)工程勘測報(bào)告資料初步確定本區(qū)間隧道采用2種排水方案，如圖1、圖2所示。圖1為全包排水結(jié)構(gòu)方案，圖2為半包排水結(jié)構(gòu)方案，在隧道斷面兩側(cè)墻角對稱布置排水孔。

隧道施工期開挖后，隧道為施作襯砌，隧道外部地下水向隧道內(nèi)部滲透，在高水頭壓力的作用下會(huì)造成滲流量過大，從而影響隧道施工，并對隧道圍巖穩(wěn)定性造成不利影響。為減小隧道開挖后的滲流量，隧道采用注漿堵水方案，注漿圈厚度 rg分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m，減小圍巖滲透性，從而控制地下水滲流量。

圖1 全包排水結(jié)構(gòu)方案

圖2 半包排水結(jié)構(gòu)方案

2 滲流場計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 隧道圍巖滲流模型

數(shù)學(xué)上處理巖體滲流分析通常有3種模型:等效連續(xù)介質(zhì)滲流模型、不連續(xù)面網(wǎng)絡(luò)滲流模型、孔隙裂隙混合介質(zhì)模型3大類［4］。目前工程上比較常用的方法還是采用等效連續(xù)介質(zhì)的方法，因?yàn)橛?jì)算成果比較直觀，而且從工程的角度來說比較實(shí)用。對于等效連續(xù)介質(zhì)中，地下水滲流滿足連續(xù)性方程，因此在滲流區(qū)域內(nèi)取一無限小的微元體，可得［5-6］

式中，ω為匯流量;ρ為水體密度;n為滲透介質(zhì)的孔隙率;t為時(shí)間。不考慮水與巖體骨架的壓縮性和達(dá)西滲透定律，得到穩(wěn)定滲流的基本微分方程為

式中，H 為水頭分布函數(shù);kx、ky、kz、分別為 x，y，z三個(gè)方向的滲透系數(shù)。考慮穩(wěn)定滲流區(qū)域Ω內(nèi)的滲流能量表達(dá)式

式中，Γ1為上、下游及滲出面邊界之和;Γ2為不透水邊界、潛流邊界、補(bǔ)給邊界、自由面邊界等之和;n為Γ2的外法向;kn為n向的滲透系數(shù)。

2.2 計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)本隧道地質(zhì)、水文勘察資料，選擇5個(gè)典型計(jì)算斷面如圖3、表1所示。根據(jù)計(jì)算斷面，通過FLAC3D有限差分程序建立數(shù)值分析模型如圖4所示，模型豎向取50 m［7－8］，橫向取100 m 寬度。隧道圍

相應(yīng)的邊界條件為:巖滲透系數(shù)、隧道上部水頭取值見表1。圍巖滲透系數(shù)為Km，注漿加固圈Kg滲透系數(shù)，令Rk=Km/Kg值分別為 1、10、50、100、200、400。

圖3 隧道幾何模型(單位:m)

表1 計(jì)算工況巖層滲透系數(shù)及水頭壓力值

圖4 數(shù)值分析模型

根據(jù)本淺埋隧道防排水形式，結(jié)合公式3模型邊界條件，確定左右邊界為透水邊界條件，下部為不透水邊界條件，上部為自由水面。全包防水邊界為不透水邊界，排水孔為透水邊界。

3 結(jié)果分析

為考察2種防排水形式對隧道滲流場特性的影響，給出了本隧道采用2種不同防排水形式在工況3情況下的滲流場計(jì)算結(jié)果。

3.1 滲流場特性分析

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算分析，注漿圈厚度3 m，Km/Kg=400工況下2種防排水形式在開挖階段、運(yùn)營期滲流場分布形態(tài)如圖5、圖6所示。

圖5 開挖期隧道水壓力分布(單位:kPa)

隧道在開挖階段未注漿時(shí)的水壓力分布如圖7所示，隧道上部水壓力大大減小，在隧道周圍形成了一個(gè)降水漏斗。通過預(yù)注漿堵水，降低了圍巖的滲透系數(shù)，在隧道周圍未形成一個(gè)降水漏斗，如圖5所示。當(dāng)注漿圈厚度增加時(shí)，邊界處的孔隙壓力分布也有差異，注漿圈厚度越大，注漿圈滲透系數(shù)越小，邊界處的孔隙壓力與初始值越接近。注漿圈對隧道附近滲流場的分布影響較大，而在注漿圈外水頭分布與原地層水頭分布幾乎一樣，注漿圈背后承擔(dān)了較大的水頭，水頭在注漿圈內(nèi)逐漸折減，注漿圈內(nèi)的水頭分布與注漿圈的滲透系數(shù)有關(guān)。隨著防水層和二次襯砌的施工完成，地下水通道滲透系數(shù)逐漸減小，水壓力會(huì)逐漸增大。在隧道運(yùn)營階段襯砌背后水壓力明顯比隧道施工期間水壓力大，但不會(huì)達(dá)到地下水水位線的水頭。

圖6 隧道運(yùn)營期隧道水壓力分布(單位:kPa)

圖7 隧道未注漿堵水開挖期水壓力分布(單位:kPa)

3.2 注漿堵水參數(shù)與影響分析

通過計(jì)算分析可得，在不同注漿圈厚度以及注漿圈滲透系數(shù)的情況下隧道注漿圈排水量如圖8所示。

圖8 運(yùn)營階段排水量與注漿參數(shù)的關(guān)系

由隧道排水量與注漿圈參數(shù)變化關(guān)系分析可知。

(1)隨著隧道所處巖層滲流系數(shù)的增大，隧道滲流量明顯增大，隧道所處巖層滲透特性對隧道滲流量影響較明顯，遠(yuǎn)場巖層滲透特性對滲流量影響較小。隨著隧道上部水頭增大，隧道滲流量明顯增大，上部水頭對隧道滲流量影響較明顯。

(2)水通過注漿圈滲透進(jìn)隧道時(shí)，隧道排水量隨著注漿圈厚度的增加而明顯減小，不注漿時(shí)排水量很大，隨著Km/Kg值的增大，隧道最大排水量逐漸減小。

(3)在堵水效果相同的情況下，注漿圈厚度越小，就要求注漿圈的滲透系數(shù)也越小。當(dāng)Km/Kg≥100且rg≥3 m時(shí)，無論是減小注漿圈滲透系數(shù)還是增加注漿圈厚度，對減小隧道涌水量的作用效果已不明顯。

(4)采用半包防水結(jié)構(gòu)，運(yùn)營期隧道滲流量對比全包防水結(jié)構(gòu)有所增加，增加量與隧道襯砌結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)具有密切關(guān)系。在相同的地質(zhì)情況、采用同樣的注漿堵水控制措施，半包排水結(jié)構(gòu)滲流量比全包排水結(jié)構(gòu)稍大，在注漿圈滲透系數(shù)明顯減小的情況下滲流量差別已不明顯。

3.3 不同防水形式外側(cè)水壓力作用系數(shù)分析

通過計(jì)算分析可得隧道注漿圈外側(cè)水壓力作用系數(shù)分布圖9所示。

圖9 隧道運(yùn)營期隧道襯砌外側(cè)水壓力分布

由圖7、圖9對比分析可知，當(dāng)隧道未注漿時(shí)，隧道邊墻底部水壓力作用系數(shù)較大，為隧道滲水較為嚴(yán)重區(qū)域，在施工過程中應(yīng)給予重視。當(dāng)隧道注漿圈厚度增大，注漿圈系數(shù)減小后，隧道注漿圈的阻水能力增加，注漿圈外側(cè)水壓力分布區(qū)域均勻，并逐漸接近原始水壓力，注漿圈外側(cè)水壓力作用系數(shù)逐漸接近1。在拱腳處布置排水孔時(shí)，拱頂水頭降低較小，墻腳處水頭明顯降低。隧道采用半包防排水形式時(shí)，隧道拱底為透水邊界，對比全包排水形式作用在襯砌邊界上的外側(cè)水壓力得到了一定程度的釋放。對于半圓拱隧道而言，失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵部位在拱腳處，通過在拱腳處布置排水孔及采用半包排水形式可有效降低拱腳處的水荷載。

4 結(jié)論

通過對低滲透性巖層隧道不同防排水形式下隧道滲流量及水壓力分布分析可得。

(1)飽和滲流模型應(yīng)用于地下工程的滲流場計(jì)算，只要邊界條件和初始條件確定合理，宏觀結(jié)果誤差不會(huì)很大。因此，計(jì)算地下隧道圍巖水頭場及外側(cè)水壓力作用系數(shù)以確定襯砌結(jié)構(gòu)水壓力荷載在技術(shù)上是可行的。

(2)在低滲透性巖層地鐵隧道采用排水結(jié)構(gòu)是完全可行的。通過在拱腳處布置排水孔時(shí)，拱頂水頭降低較小，墻腳處水頭明顯降低，有效降低拱腳處的水荷載。隧道采用半包防水，作用在襯砌邊界上的外側(cè)水壓力得到了一定程度的釋放，有利于改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性。

(3)采用防排結(jié)合，通過注漿堵水控制排水量降低襯砌外水壓力，達(dá)到減小襯砌厚度，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。在實(shí)際施工中需要在注漿的經(jīng)濟(jì)性和堵水性能以及襯砌結(jié)構(gòu)合理性幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。

［1］崔玖江.日本隧道與地下工程防水技術(shù)［J］.中國建筑防水材料，1994(4):34-37.

［2］蒲春平，孫耀南.隧道與地下工程滲漏水現(xiàn)狀及其防治措施綜述［J］.世界隧道，1999(1):45-49.

［3］袁勇，姜孝漠，周家明，等.我國隧道防水技術(shù)現(xiàn)狀［J］.世界隧道，1999(4):40-44.

［4］鄒翀，卓越，葉寧杰.鐵路隧道防水層施工工藝和質(zhì)量檢測關(guān)鍵技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(9):94-99.

［5］王建宇.對我國隧道工程中兩個(gè)問題的思考［J］.鐵道建筑技術(shù)，2001(4):1-4.

［6］陳崇希，劉文波，彭濤.確定隧道外水壓力的地下水流模型［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002(5):62-64.

［7］陳崇希，唐仲華.地下水流動(dòng)問題數(shù)值方法［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1999

［8］高新強(qiáng).高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2005.

［9］李偉，楊其新，楊丹.隧道襯砌施工縫和變形縫防水新方法的研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(2):75-78.