隧道排水系統工作能力對襯砌水壓力的影響探討

蔣雅君，李 彬，楊其新，趙菊梅，李國慶

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2．西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

隨著近年來我國深埋山嶺隧道、水下隧道修建的數量越來越多，如何確定隧道襯砌上承擔的地下水荷載及相應的襯砌設計方法也日益得到關注。在隧道襯砌外水壓力問題上，國內外許多學者對此展開了許多有建設性的探討，目前在相關研究中所采用的方法也較多，包括折減系數法、解析數值法、理論解析法、滲流理論分析法和水文地球化學法這五類[1]。

其中，張有天等[2-4]用滲流理論對水工隧洞的外水荷載問題進行了論述，將水荷載作為場力來處理，考慮了水荷載的作用時間關系，運用滲流荷載增量理論計算圍巖和襯砌中的滲流場、應力場，并且編制了相應的有限元計算程序在一些水工隧洞襯砌的設計中進行了應用。王建宇等[5-7]依據無限含水層中井的滲流理論，采用軸對稱理論提出了襯砌水壓力的解析解用于隧道襯砌水壓力影響因素的定性分析，該成果在隧道工程中得到了廣泛的引用和探討。以我國近年海底隧道的修建為契機，譚忠盛等[8-9]采用模型試驗對隧道排水設施、防水構造型式對海底隧道襯砌水壓力問題進行了一定的研究工作，對海底隧道襯砌的結構受力特征進行了分析。龔彥峰[10]結合現場測試對隧道施工和運營階段襯砌水壓力進行了量測，提出了相應的襯砌結構計算模式。關寶樹[11]在其論著中總結了國內外相關規范中隧道防排水構造形式，以及對隧道襯砌水壓計算模式及取值的規定。結合相關研究成果，目前已經得到共識的結論是：隧道的排水能力(也即襯砌的滲透性)對于襯砌水壓的折減或者改善襯砌結構的受力狀況來說往往是一個重要的影響因素[11-12]。

雖然眾多學者都已經注意到了隧道排水對于減少或消除襯砌水壓力的作用或重要性，但是目前尚未針對隧道襯砌排水設施性能展開系統性的研究和探討，在一些計算和分析中對隧道排水系統的滲透系數(或“襯砌等效滲透系數”[6])大多是假定或根據經驗取值，使得研究結果存在一定的局限性。本文針對隧道防排水結構形式、排水系統的滲透性能分析及測試方法等相關內容展開一定的探討，以對相應的研究工作提供借鑒。

1 隧道防排水型式及襯砌水壓力分析

目前我國常見的隧道防水構造形式有排水型、全防型，以及近年提出的防排結合型三種。在山嶺隧道中以排水型居多(如公路隧道、鐵路隧道)，在城市環境中則以全防型為主(如地鐵區間隧道)，但隨著對環境保護意識的加強，以“堵排結合，限量排放”理念進行設計的防排結合型隧道防水體系在高水頭深埋山嶺隧道及水下隧道中也應用較多[13]。

1.1 排水型隧道

常見的排水型隧道構造的主要組成部分包括初支、無紡布緩沖層、防水板、二次襯砌及襯砌背后排水設施等，其中防水板通常只設置在拱墻部位，仰拱處往往只設置橫向排水管和中央排水溝(管)，見圖1[11]。

在該類隧道中，襯砌背后的排水設施形成完整的體系[14](見圖2[15])：沿隧道縱向間隔一定距離設置環向排水盲管，并與設置在襯砌兩側邊墻背后底部的縱向排水盲管連接；縱向排水盲管與設置在仰拱處的橫向排水盲管聯通，以將收集的滲水及時排至隧道內的縱向排水溝或中央排水溝(管)中導出；另外，防水板后的無紡布墊層也能起到對滲水的排導作用[16]。

圖1 排水型隧道防水構造[11]

圖2 排水型隧道排水體系構造[15]

1.2 防水型隧道

該類隧道構造的主要組成部分包括初支、無紡布緩沖層、防水板、二次襯砌等，其中防水板在隧道全周設置，并取消了襯砌背后的排水系統(見圖3[11])，不允許地下水向隧道內進行排放。洞內僅設置路面側溝，以排出營運清洗污水、消防污水。

1.3 防排結合型隧道

防排結合型(也稱為“堵排結合”)隧道構造，通常是在排水型隧道構造的基礎上采取了圍巖注漿措施，通過注漿堵塞圍巖裂隙和填充孔隙形成注漿圈，從而減小圍巖的滲透系數以達到限制地層向隧道內的滲水量目的，見圖4[17]。在該類隧道中，仍然保留了襯砌背后的排水系統，以排出運營期間滲入襯砌背后的少量地下水，避免水壓積聚[7]。

圖3 防水型隧道防水構造[11]

圖4 防排結合型隧道構造概念圖[17]

1.4 襯砌水壓力計算方法分析

在我國隧道設計中，各行業的規范對襯砌水壓力荷載計算的規定有所不同[5]：地鐵區間隧道中采用防水型構造，因此要求按靜水壓力計算水壓力荷載；用礦山法修建的鐵路和公路山嶺隧道通常采用排水型構造，一般認為可以忽略地下水的作用(只承受很小的動水壓荷載)，因此不考慮水壓力；水工隧洞對襯砌外水壓力的規定介于以上兩者之間，采取折減系數的方法對外水壓力進行考慮。對防水型隧道襯砌水壓力的取值，已經可以通過理論分析和試驗證明采用靜水頭壓力作為襯砌水壓是合理的[6,18]，目前已經在地鐵隧道、城市隧道等類型的隧道廣泛使用，因此本文不對該類隧道的襯砌水壓力進行討論。

對排水型和防排結合型這兩類隧道，目前對襯砌水壓的作用模式和取值則還存在著一些探討。雖然已經根據簡化的軸對稱計算模型(見圖5)和一些假定可以由達西定律和水流連續性方程推導得出襯砌滲透系數kl、圍巖滲透系數kr以及注漿圈滲透系數kg這三者與襯砌水壓力P、隧道滲水量Q之間的關系式[5]，也認識到了排水系統的排水能力(通常將其視為襯砌滲透系數kl)在消除襯砌水壓力上的重要作用，但是目前在許多文獻的計算分析中kl往往只能粗略地給出一個數值或者根據經驗進行估計，沒有相應的可靠依據或者實測數據。文獻[6]提出了襯砌的“等效滲透系數”的概念用于定性分析或者估計襯砌水壓力，但是由于確定該等效系數的數值計算模型中的一些假定造成相關參數取值的不確定性、軸對稱模型在一些情況下的適用性問題(如由于圍巖裂隙造成地下水滲透的各向異性、水頭)，該方法的實用性仍然有待商榷，目前來看仍然還是實際測試的結果更為合理。諸如此類的問題目前還未完全有定論，因此往往在相關問題的分析中，只能通過人為設定襯砌排水量的方式進行考慮來計算或分析襯砌水壓力的折減系數β，使得結果存在一定局限性。

圖5 襯砌水壓力軸對稱計算模型

另外，在實際中也會發生一些與假定不符的情況，比如通常認為排水型隧道的襯砌后設置了完善的排水系統，襯砌應不承受水壓作用，但是有時也會發生由于局部水壓積聚造成襯砌開裂甚至掉塊的情況[19]。此種情況的主要原因在于涌水量過大或者排水設施的能力不足，無法及時排出入滲的地下水，造成水壓積聚。

以上問題也使得人們思考，鑒于排水系統的滲透系數對襯砌水壓力計算而言如此重要，那么：這個參數該如何確定；是否在隧道中設置了排水系統就可以忽略襯砌水壓力；如果在一些情況下不能忽略，那么排水系統的滲透系數(排水能力)該如何取值。

2 隧道排水系統模型及工作能力分析

2.1 隧道排水系統串聯模型的建立

如圖2所示，隧道排水設施由各種部件構成且形成一個完整的體系，滲水在該體系中有特定的流動路徑，也即隧道排水系統要遵循一定的模式進行工作。假定防水板不破壞或失效，滲過初支的地下水在襯砌背后的流動路徑模型，見圖6。其中無紡布對滲水也能起到一定的導排作用，匯入拱墻底部的縱向盲管中，也可能會在環向盲管附近將滲水導入到環向盲管中。但是考慮到由于噴射混凝土表面往往粗糙不平，無紡布往往不能初支基面密貼，中間通常要出現一定的空隙增大排水空間(見圖7)，因此可以認為滲水沿著無紡布層發生的流動主要是沿著重力方向進行，此處暫且忽略無紡布向環向盲管的導水作用，可以重新建立如圖8所示的隧道排水系統串聯模型。另外在實際中有時也可能采用其他的一些排水材料(如塑料排水板等)，因此將模型中的“無紡布”替換為“排水墊層”，以統一指代全面在隧道初支基面鋪設的排水材料(不包含環向盲管和縱向盲管)。

以上模型的建立可以為分析隧道排水系統的工作性能梳理思路：如果可將隧道排水系統視為n個部件串聯連接關系，見圖8，那么該模型的排水能力(滲透系數)kd就應取決于系統中最小排水能力部件i的kdi(考慮水量連續及系統性能的“瓶頸”效應)為

kd=min(kdi)i=1，2,3,…，n-1,n

圖6 隧道排水系統模型

圖7 隧道襯砌中無紡布與初支基面的空隙

(1)

因此，需要對隧道排水系統中的每個部件按照對應的標準進行測試或計算分析，以便確定系統的整體工作性能參數kd。得到kd之后，就可以通過等效的方式換算為襯砌的滲透系數kl，以便進行襯砌水壓力的計算分析工作。

2.2 隧道排水系統部件性能測定方法

根據隧道排水系統中水流的路徑和方向，對于無紡布、塑料排水板等平面導排水材料，可以通過測試其水平(縱向)排水性能來確定其滲透系數和通水能力。按照SL 235—2012《土工合成材料測試規程》[20]中相應的方法和儀器設備(見圖9)進行測試，相應的水平滲透系數kh20、單寬流量Qh20和導水率θ20分別計算[20]為

圖8 隧道排水系統串聯模型

1—試樣；2—加荷板；3—水位差。圖9 水平滲透試驗儀

(2)

式中：kh20為試樣20 ℃時水平滲透系數，cm/s；V為滲透水量，cm3；L、B、δ分別為試樣長度、寬度和厚度，cm；Δh為上下游水位差，cm；t為通過水量V的歷時，s；η為水溫修正系數。

(3)

式中：Qh20為試樣在一定壓力與一定水力梯度下20 ℃時單寬流量，cm2/s或cm3/(s·cm)。

θ20=kh20δ

(4)

式中：θ20為試樣20 ℃時導水率，cm2/s。

隧道環向和縱向排水盲管目前多采用軟式透水管，該材料是由彈簧鋼線和外覆透水過濾層的復合體管材，其排水能力的表征需要測試外覆透水過濾層的垂直滲透系數k20和透水率ψ20[21]，具體測試及計算方法可參照文獻[20]，此處不展開敘述。有時隧道縱向排水盲管也采用鉆孔的PVC管或打孔波紋管，外裹一層無紡布反濾層，此種情況應對反濾層的垂直滲透系數、管材的進水和排泄能力均要進行測試，取最小值作為管材的通水能力。其中管材的進水能力與打孔的孔徑、數量有關，目前相關規范中也尚無對應的測試方法，需要進一步探討和研究。

隧道中心水溝(管)及縱向、環向、橫向排水盲管的排水能力，可以依據相應的水力公式展開計算，需要根據溝或管的粗糙系數n、水力半徑R、水力坡度I等參數綜合確定[22]。

隧道排水系統各部件的排水能力確定以后，即可以根據式(1)得出隧道排水系統的kd。需要注意的是：本節所提出的隧道排水系統的滲透系數(排水能力)確定方法并未考慮各部件之間的連接方式(所造成的局部水頭阻力等因素)等因素對系統排水能力的影響。在小流量和低水頭的情況下，忽略該部分損失對整體計算結果影響不大，但是在大流量高水頭情況下的影響還需要做進一步的分析。同時，該方法也暫未考慮排水系統在隧道運營過程中其內壁所逐步形成的沉積物和局部淤堵對其排水能力的影響，應加強施工和運營期間對隧道排水系統的清理和維護，防止其降低或喪失排水能力。

2.3 隧道排水系統排水能力對襯砌水壓的影響

隧道襯砌所承受的水荷載與單位時間內襯砌后的入滲水量和排水系統排泄水量緊密相關，為此可以通過模型中的兩種情況進行說明[17]，見圖10。

圖10 隧道襯砌承受水壓力形成模型

當進入隧道襯砌排水系統的入滲水量Q1>排水系統排泄水量Q2時：經過一段時間后，襯砌背后存儲的地下水會越來越多，襯砌所承受的水壓力隨之增大，最終會維持一個穩定的襯砌水壓值。當進入隧道襯砌排水系統的入滲水量Q1<排水系統排泄水量Q2時：襯砌背后的地下水被快速排空，僅在隧道的底部可能會存在一定的積水，但其值不大，從而使得地下滲水產生的水荷載趨近于0。

以上分析說明，襯砌背后排水系統的排水能力必須要大于透過注漿圈和初支滲入的水量，則二次襯砌所承受的外水荷載可以忽略不計[13]。對以上模型的分析可知：隧道排水系統的排水能力、通暢與否對隧道襯砌水壓力的形成影響很直接，在通過注漿等手段對入滲水量進行了控制以后，也仍然要重視隧道排水設施的設計，預留足夠的排水能力；隧道襯砌上的水壓力荷載往往從仰拱等低部位逐步形成并向邊墻、拱頂等高部發展，加強隧道低部位置處的排水往往是減少襯砌水壓較為有效的做法。

3 塑料排水板性能測試試驗

如前所述，可將隧道排水系統視為各排水單元串聯而成，本文選取隧道排水墊層單元初步考察隧道排水單元系統的排泄能力對襯砌水壓力的影響。為加強排水效果，選用帶有凸起顆粒、排水空間大、縱向通水能力強的塑料排水板[23]制作小型試件，開展室內排水試驗測定水力參數進行分析。

3.1 試件制作及試驗裝置

排水板試件為科順防水科技股份有限公司提供的“奇封排水板”，其凸起圓臺顆粒的高度為8 mm。

SL 235—2012《土工合成材料測試規程》[20]中對塑料排水板通水量的試驗方法主要適合在低水頭條件下的通水量測試，為測試排水板在高水頭、大流量狀態下的排水性能，制作了排水混凝土板，見圖11。自粘防水卷材主要起到封閉排水板邊緣空隙的作用，防止試驗中出現漏水；無紡布用于覆蓋排水板表面，防止澆筑混凝土時侵占排水空間。

圖11 排水試驗混凝土板

進水裝置為連接實驗室的自來水管路，在閥門處安裝了水壓表測試出口水壓。水壓表為西安自動化儀表一廠生產，精度2.5。

該自來水管路的靜止測試水壓為0.6 MPa，試驗時的水溫為21 ℃。將自來水管路的出水閥門開至3處標定位置以進行基準試驗，待流量穩定后記錄對應的管口流動水壓Pz0及單位時間流量Vz，結果見表1。

表1 自來水管路水量水壓基準試驗

3.2 試驗步驟

連接自來水水管路與混凝土板進水管口→預加水壓滲流15 min，排盡空氣→分級施加不同水壓(自來水閥門旋至3個不同的已標定位置)，每級持續作用10 min→測量混凝土板出水口在各級水壓下的單位時間排水量Vb，以及自來水閥門處、混凝土板進水口和出水口處水壓表數值Pz1、Pbj、Pbc。

3.3 試驗結果及分析

根據試驗測試的結果數據，按式(2)～式(4)可以計算得到排水板的水平滲透系數kh20、單寬流量Qh20和導水率θ20(見表2)。此處的計算中將(Pbj-Pbc)視為式(2)中的Δh。

表2 混凝土板排水性能試驗結果

(1)排水量對水壓的影響

由表1、表2的數據對比可知，表2中的工況1代表了入滲水量Q1<排泄水量Q2的情況，此時排水系統能快速地將滲水排走，排水系統中僅剩下很小的動水壓，水壓表幾乎難以讀數。表2中的工況2、3情況都能代表Q1>Q2的情況，此時排水系統中充滿滲水無法及時排出，混凝土板開始承受一定水壓，并且也導致自來水管路控制閥門處的出口動水壓也上升(意味著滲流壓力開始回傳)。

此部分試驗結果可以很好地驗證2.3節的相關內容，同時也可以判斷應該存在一個平衡點(即Q1=Q2)，這個平衡點即可視為排水系統的最優(而不是最大)排水能力，設計時應盡量以這個平衡點作為排水系統的設計標準，以便發揮排水系統的最優效果。

(2)排水板水平排水性能

由表2可知，排水板的kh20、Qh20等水力參數在試驗中發生著動態變化，但是在3個工況中排水板上的水力梯度幾乎相同，此時影響排水板的水平排水性能的主要因素是入滲水量在逐級增加。此試驗現象說明，在排水空間一定的情況下，排水設施的排水能力將隨著入滲水量的增加而提高，但排水能力的提高并不總意味著對水壓的更好消除，仍然要注意“平衡點”的存在。同時，在進行隧道襯砌水壓的計算和分析中，也應注意到排水設施的滲透系數可能是一個動態變化值。

對比文獻[24]對同類排水材料的測試結果，單寬流量指標數值的差別在102這個量級(但比起相關文獻中對襯砌透水層的滲透系數取值來說，本文試驗測試得到的滲透系數數值仍然要大許多)，這可能是由于試驗裝置入水管和出水管的管徑較小、而且管路的沿程阻力和局部損失都較大的緣故所導致。當試驗條件和設備統一以后，試驗結果就不會差別過大。

(3)其他

本部分的試驗結果也表明，在隧道排水系統中各排水單元的聯接部位也會對隧道排水系統的整體排水性能和水壓卸載能力有較大影響。由于試驗裝置排水出口端水管口徑的限制，對滲水的快速排出及水壓積聚也造成了較大影響，實際上塑料排水板的最大工作能力尚未得到全面的發揮。結合圖8可知，在實際工程中對隧道排水系統中各單元之間的聯接部位的排水能力也應引起注意。

本文的試驗并未嚴格按照規范要求的方法開展，而是針對高水頭、大流量的情況自制了試件和試驗裝置進行了初步的嘗試，因此在實驗中還存在一些問題有待進一步探討和完善。

4 結論

本文針對隧道襯砌水壓力計算問題中的排水系統的工作能力及相關參數指標進行了分析和探討，主要結論和建議如下：

(1)隧道襯砌水壓力的計算和分析中，排水系統的工作能力(排水能力，或滲透系數)是一個重要的指標，目前針對該指標的取值大多是假定，需要結合試驗或實測的途徑對該值的取值予以明確，以增強相關分析的實用性。

(2)建立了隧道排水系統的串聯模型，依據該模型可知隧道排水系統的排水能力將取決于隧道排水系統中的最小排水能力部件。

(3)通過試驗驗證隧道排水能力與入滲水量之間的關系對襯砌水壓的影響，同時發現排水系統應有一個“平衡點”，能在完全排出滲水的同時使得排水系統的水壓也不至于積聚上升。

(4)隧道排水系統的排水性能參數如單寬流量、水平滲透系數等指標會隨著入滲水量的變化而改變，但同時也應注意排水系統排水能力的提高不一定會起到更好地消除水壓的作用，仍然要對其最優的工作能力引起關注。

本文選用塑料排水板這一個排水單元展開了初步的研究和探討，其他類型的排水材料、隧道排水體系的整體工作能力等問題還有待進一步研究。