滲壓計埋設裝置在隧道中的應用研究

彭 勛

（中國鐵路南寧局集團有限公司 工電檢測所，高級工程師，廣西 南寧 530029）

1 引言

在桂、黔、滇等典型的喀斯特地貌省區下開挖的隧道，常常會不可避免地穿越破碎帶或落水洞等不良地段。雨季時，雨水從裂隙中徑直流下，而該地段下的隧道襯砌則承受了巨大水壓作用，此時隧道容易出現滲漏、開裂等病害。一旦水壓過大，襯砌結構破壞，則會產生巨大的安全隱患。據統計，我國有近1/3的鐵路、公路及地鐵隧道存在滲漏水病害［1-2］。工程監測在減輕和降低隧道風險方面可發揮巨大作用，監測結果可為工程盡早地提供風險預報、預測相關結構的變形發展、提示危險情況并及時采取經濟措施等［3-5］。因此，滲水嚴重地段的隧道外環水壓進行實時監測預警，在水壓達到預警值時及時排水泄壓是極為重要的。

傳統水壓計埋設方法是在隧道上部地面鉆孔至隧道襯砌外側，再埋設滲壓計進行水壓測量，但這種方法僅適用于隧道埋深淺且上方無建筑物的情況［6］。而對于隧道埋深大或上方已有建筑物時，通常采用先鉆孔放置滲壓計，后使用膨潤土或混凝土封堵的方式。但在水壓作用下，膨潤土或混凝土無法做到完全堵水，水會將孔洞中的細骨料沖出后形成滲水通道，水壓過大時甚至會將堵水材料完全沖出，無法監測襯砌背后真實水壓。因此，在埋深大的既有滲水隧道外環埋設滲壓計，尚無合適的方法。

2 隧道情況分析

2.1 隧道概況

益湛線卿家巷隧道位于湖南省永州市，為山嶺隧道，隧道中心里程為K393+542，全長2046m，襯砌結構為復合式襯砌，于2009年建成通車。目前隧道內已出現多處滲水情況（如圖1），在滲水部位打泄壓孔降壓多日水壓依舊較大（如圖2），因此監測該部位水壓無法按照常規方法埋設滲壓計，同時需要解決封堵防漏難題。

圖1 隧道邊墻滲水

圖2 現場泄水照片

卿家巷隧道所在地貌為低山丘陵，地層主要由上覆第四系全新統坡洪積粉質黏土/坡積粉質黏土夾角礫土或坡殘積粉質黏土夾黏土和下伏基巖組成。在施工過程中發現該隧道穿越兩條破碎帶、一處落水洞和一條溝谷。因此，在雨季時雨水及地下水沿裂隙滲流而下，直接作用于隧道襯砌結構上，導致隧道在靠近上述不良圍巖處滲水嚴重。此外，隧道還存在多處結構病害，如拱頂空洞、襯砌開裂、防水板切割二襯等，隧道病害進一步發展將危及行車安全。

2.2 滲水難題

為確保鐵路運輸安全，目前隧道內多處滲漏水部位已打泄壓孔，防止水壓過大引起隧道結構性破壞。但由于無法得知襯砌背后真實水壓，盲目打孔不僅會破壞襯砌結構完整性，持續泄水也會產生許多嚴重的地質災害和環境問題，如地面沉降變形、地表塌陷、林木枯死等。

因此，在襯砌外環安裝滲壓計，對隧道襯砌外水壓進行實時監測預警，根據水壓監測值采取相應防控措施是保障隧道安全的重要一環。本裝置設計用于隧道內實時監測水壓的同時，也可充當泄壓孔的使用，可避免過度打孔對隧道襯砌產生不利影響。

3 滲壓計埋設裝置及應用研究

3.1 結構組成

為解決大埋深、大水壓的既有隧道水壓監測難題，對卿家巷隧道水壓監測預警研究，提出了一種新型滲壓計埋設裝置。該裝置包括堵水空腔管、滲壓計套管、封蓋三部分，如圖3、圖4所示。

圖3 滲壓計埋設裝置示意圖

圖4 滲壓計埋設裝置三維圖

3.1.1 堵水空腔管 堵水空腔管為內部空心管，外部設置雙層開口膠筒，膠筒在外力作用下可產生一定形變，將堵水空腔管打入直徑略小于管體直徑的鉆孔中，膠筒即可堵住空腔管外側的水，當水壓過大時，膠筒與管壁中間被水擠壓撐開，而膠筒與襯砌孔壁貼合更緊密，從而達到遇水自鎖的效果。鉆孔直徑越是小于堵水空腔管外側膠筒直徑，止水效果越好。此外，堵水空腔管尾端還設置有突出圓盤，使用膨脹螺栓將圓盤固定于襯砌內表面，以此避免在擰入或擰出封蓋時堵水空腔管發生轉動。

3.1.2 滲壓計套管 滲壓計套管外徑小于空腔管內徑，將套管伸入空腔管內部即可將滲壓計置于襯砌與圍巖交界面上，使滲壓計監測數據更為準確；套管前端設置滲壓計固定筒，固定筒上有許多滲水小孔，孔洞將沙石隔離在外，將水滲透入孔內，使得固定筒內的滲壓計可以實時監測到水壓數據，而不被沙石破壞。

3.1.3 封蓋 封蓋底端設置外螺紋，與堵水空腔管內測端部螺紋連接，從而堵住空腔管內部滲水；封蓋中間預留小孔拉出電纜線；頂端突出六角螺母形狀，便于封蓋的擰入擰出。

3.2 應用特點

3.2.1 堵水能力強 雙層開口膠筒朝向迎水面，遇水自鎖，在大水壓沖刷作用下也能夠進行安裝，同時水壓越大，防滲性能越強。

3.2.2 安裝簡便 與傳統滲壓計埋設方式相比，無需填料、注漿堵孔，只需將堵水空腔管打入孔中即可使用。

3.2.3 可多次開啟 傳統方式埋設滲壓計后，使用膨潤土或混凝土堵住孔口，后期滲壓計損壞失效后則無法取出，形成“壞孔”；本裝置則可多次開啟，及時置換損壞的滲壓計。

3.2.4 可卸壓 當監測水壓達到預警值后，可擰開封蓋取出套管及滲壓計，在列車運行天窗期時作為泄壓孔使用，從而避免多次打孔，破壞襯砌結構。

3.3 隧道現場安裝

3.3.1 鉆孔 使用鉆孔設備在隧道襯砌滲水部位鉆孔至圍巖接觸面，孔洞直徑需小于堵水空腔管外徑幾毫米，水壓越大時，孔洞直徑需設置的越小。

3.3.2 固定堵水空腔 將孔洞內泥沙清理干凈，在孔壁或堵水空腔管的膠筒上涂上油脂，以防破壞膠筒，而后將堵水空腔管打入孔中，再使用膨脹螺栓將堵水空腔管固定于襯砌上。

3.3.3 拉出電纜線 滲壓計放入套管前端的固定筒中，將電纜線從套管中拉出，而后穿過封蓋預留孔，并使用止水膠填滿電纜線與預留孔之間的縫隙，防止預留孔處滲水。

3.3.4 放入滲壓計套管 止水膠凝固后，將滲壓計套管放入堵水空腔管中，再將封蓋擰入空腔管端部，堵住滲水，監測襯砌外環水壓。

3.3.5 封蓋 監測水壓數據過大時，可將封蓋擰出，取出滲壓計及套管，讓水從空腔管內部流出，達到泄壓效果，泄壓完畢后再將滲壓計及套管放入空腔管內，封蓋擰入，繼續監測水壓。最終安裝效果如圖5所示。

圖5 滲壓計在隧道中的安裝

3.4 監測系統

將滲壓計埋設裝置應用于卿家巷隧道內監測隧道水壓，選取K393+150和K393+160兩個滲水嚴重斷面、取4個點位進行遠程監測，通過自動化監測云平臺進行水壓實時預警，監測預警系統設計如圖6所示。

圖6 水壓監測預警系統設計圖

其中，滲壓計置于埋設裝置內部，測量水壓數據，采集儀將數據記錄后通過GPS模塊將數據傳送至遠程監控平臺，進行實時水壓預警，當監測水壓超過預警值后，在空窗期打開滲壓計埋設裝置，取出滲壓計，將堵水空腔管作泄壓孔使用，降低隧道外環水壓，直至水壓降低至安全范圍內，再放入滲壓計持續監測隧道外環水壓，保障隧道運營安全。近期卿家巷隧道水壓監測結果如圖7所示。

圖7 卿家巷隧道水壓監測結果

3.5 監測作用

3.5.1 保障隧道運行安全 通過在隧道襯砌外環與巖土交界面安裝孔隙水壓計，將傳感器與無線采集儀相連接，通過采集儀發送的監測數據建立水壓實時在線預測預報系統，通過此自動化監測系統，實現隧道襯砌結構水壓的實時監測和預警，保障隧道運行安全。

3.5.2 阻斷危險 根據監測結果，判斷隧道的安全狀況，在水壓達到預警值時及時進行泄壓措施，遏止危險趨勢，確保隧道內的安全。

3.5.3 分析水壓變化 根據監測數據，掌握襯砌背后水壓的變化規律，觀測因降雨、排水等導致的水壓變化；具備長期監測并自動存儲功能，可以對隧道襯砌背后水壓的變化規律進行動態分析。

4 結論

以卿家巷隧道水壓監測預警項目為研究，研制了新型滲壓計埋設裝置，并介紹了該裝置的結構組成及在隧道現場中的應用，該裝置解決了傳統埋設方法封堵防漏難題，裝置操作安裝簡單，同時可多次開啟置換，避免出現“壞孔”現象。此外，該裝置還可兼做泄壓孔使用，避免在襯砌上多次打孔，破壞結構，適用于滲漏水嚴重的公路、鐵路隧道，應用場景廣泛，可為眾多既有隧道的運營安全保駕護航。