隧道穿越不同巖性接觸帶防排水技術探討與分析

劉 濤，朱大河

(銀西鐵路有限公司,寧夏吳忠 751100)

隧道能夠正常施工和后期正常運營的重要條件之一就是隧道內能夠保持干燥，而一直以來山嶺隧道工程中都普遍采用自由排放或以排為主的防排水方式，這在某些環境脆弱地區甚至造成了生態災難[1]，而地下水滲漏進入隧道，不僅會降低設備的使用壽命，也會對隧道后期維修帶來困難，鑒于此有必要進一步針對隧道施工中防排水技術開展深入的研究。

隧道結構如同一個有機體,其排水系統需要保持正常的工作狀態,結構防水的薄弱環節可能發生滲漏,對于這一問題，許多工程師和學者對隧道施工中的防水與排水技術進行了大量研究與探討。李建旺[1]以玉渡山隧道工程富水區域為研究對象,通過對嚴冬時期防排水凍害情況進行科學研究及對比分析,為我國北方富水嚴寒地區高速公路隧道防排水施工總結相關經驗；劉海濤[3]通過總結成都軌道交通18號線工程龍泉山隧道施工中的技術,有效地解決了反坡隧道開挖施工過程中容易出現的地下水往施工面匯集影響圍巖的穩定性問題；而李闖[4]針對隧道工程中放排水施工技術要點和質量控制措施也進行分析;黃任遠[5]則闡述了山區公路隧道防排水的原則,并結合具體的工程簡要探討山區公路隧道防排水施工技術;劉國生[6]以丁家營隧道為工程背景,從洞口及地表防排水、洞口明挖段防排水、洞內防排水、結構防排水、輔助坑道防排水等方面,對排水專項方案進行了探討，確保施工期間洞內排水快捷、安全、流暢。

以上防排水措施均將地層視為同一彈性介質，即采用均一化的方法而未考慮地層的分層差異性，因此針對于在不同接觸帶的防排水措施，目前有很少的學者進行了研究，鑒于此，本人在前人的基礎上，依托銀西高鐵沿線賈塬隧道段的實際工程，對隧道穿越不同接觸帶的防排水技術進行了探討與分析，提出了在不同接觸帶的防排水措施，為隧道的安全施工與后期的運營維護提供保障。

1 隧道工程結構防排水施工

1.1 隧道工程防排水設計理念

“以堵為主，限量排放”的這一理念，是現今所有隧道施工中施工人員所普遍采取的防水與排水的設計，其中“堵”的目的就是減少水流滲到襯砌的背后，其控制手段就是注漿，而“排”的目的是降低作用在襯砌后的水的壓力值，控制措施一般為設置環向和縱向的排水盲管。

1.2 隧道圍巖抗滲分級標準

對隧道圍巖的抗滲性進行分級的主要目的是將隧道劃分為不同的防水區段，對結構滲水量進行預測，并確定合理的排水量控制標準，然后對不同的區段單元來確定不同的對策；依據圍巖抗滲性評價標準[7]，以滲透性作為指標，我們可將隧道圍巖劃分成四個等級，依次是I、II、III、IV ，級別越高，圍巖的滲透性能也在增強，換而言之，其抗滲性在減弱。

所以，隧道隨圍巖抗滲性能的變化將會影響施工人員在施工中采用何種措施，因此當采用“以堵為主，限量排放”的這一理念來設計隧道的防排水系統時，其防水排水方式應該與圍巖抗滲性能相適應。并且由上述可知，所有圍巖級別中，抗滲性能最好的是I 級圍巖，隧道滲漏量小，可依據設計要求正常施工；其次抗滲性能較好的是II 級圍巖，在隧道施工時初期支護堵水措施基本可以滿足設計要求，但是它的施工質量要能夠得到有效的保障；而針對于III 、IV 級的圍巖，因為其滲透性很大，滲水量最大，所以在施工時除卻采用初期支護堵水措施外，還需要另外設置加固圈進行聯合堵水，兩者共同作用可使滲水量得到有效地控制。

1.3 滲流解析模型

一般山嶺隧道斷面都是非圓形斷面，可將隧道的真實斷面做近似的處理，即可采用等效圓法[7]將馬蹄形斷面看作為均勻的圓形斷面；再者，為了便于分析隧道中的滲流情況，可以做如下的兩個假設：

(1)含水介質及流體連續不可壓縮，水流處于穩定層流狀態，服從 Darcy 定律。

(2)遠場地下水補給充分,即地下水面不隨隧道排水而降低，即水位面的高度大致保持不變；解析模型見圖1。

圖1 滲流解析模型

事實上，可將隧道滲水主要分為兩個過程，一是施工過程中的滲流量，可稱為初始滲流量；二是對隧道圍巖采取注漿堵水以及初期支護等一系列的阻水措施后，滲透到襯砌背后的水量，稱之為隧道的結構滲水量，我們通常把這一部分的水量作為隧道的排水系統的設計依據。依據達西定律和滲流的連續性方程可得到原始滲水量的表達式[8]：

(1)

式中：h0為穩定滲流場水頭；h1為內水水頭；R0為滲流場變化范圍；r0為等效開挖半徑；

同理可以得到結構滲水量的表達式：

(2)

式中：rg為注漿圈外徑；r1為初期支護外徑；kg為注漿圈滲透系數;k1為初期支護滲透系數；ks為原巖滲透系數.

1.4 排水解析模型

假設溝道中沒有障礙物的局部干擾，排水溝道的過流斷面是沿程不變的，并且溝道為長而直的的順坡渠道，斷面的平均流速和流量都不發生改變，所以可把水流簡化成均勻流，假設渠底坡i和粗糙系數n沿程不變，因此可認為排水溝符合明渠均勻流。明渠均勻流的基本公式如下:

(3)

因明渠均勻流的水力坡度與渠底坡度相等，所以以上公式可寫為：

(4)

根據連續性方程，可得排水溝的流量：

(5)

式中：A為過流斷面面積；R為水力半徑；C為謝才系數，通常采用曼寧公式或者巴甫洛夫公式來確定：

(6)

(7)

式中：

將式(6)代入式(5)中有：

(8)

坡度i、粗糙系數n、斷面形狀、尺寸等因素決定了排水溝道的排水能力。而坡度i取決于地形，n由所選材料確定，這就意味著，底坡坡度i和粗糙系數n是事先就已經確定好了的，因此在對排水溝道進行設計時，溝道的排水能力即斷面的過流量Q的大小僅僅取決于過流斷面的大小及其形狀。當然，從渠道設計的方向去思考，在一定的過流量的情況下得到最小的過流斷面面積，以減少工程量，節約投資，這就要求設計最優的過流斷面。

從式(8)中可以看出：如果底坡坡度i、粗糙系數n及面積A確定了，顯然要通過最大的流量就要使濕周最小。在所有面積相等的幾何圖形中,圓形具有最小的濕周,但是在實際的施工過程中，一般不采用，因為很難施工，且費時費力，因此施工中一般采用的都是梯形斷面，而且排水溝道的邊坡系數m=cotα的確定是由和現場的施工條件以及邊坡的穩定條件來控制的，于是邊坡系數事先也可以得到確定。這樣，就可以通過改變寬深比來改變濕周。梯形過流斷面見圖2。下面討論邊坡系數已知的情況下，排水溝道斷面為梯形時的水力最優條件。

圖2 梯形過流斷面

斷面的各水力要素之間的關系如下：

(9)

由式(9)可得梯形斷面濕周為：

(10)

可將式(10)對水深h求導，求其函數的極小值。即令：

(11)

再求二階倒數得：

(12)

故函數的極小值存在。解式(11)，將式(9)中A的表達式代入，可以得到β=b/h表示的梯形斷面水力最優條件為：

(13)

由上式可以看出，梯形斷面的最優水力條件下的寬深比β僅與斷面的邊坡系數m有關。并且將式(13)代入式(7)中，可以發現：

(14)

式(14)表明，梯形斷面的最優水力條件下的的水力半徑等于水深的一半。

1.5 隧道防排水系統及其協同作用

我們知道，對于隧道堵水系統來講，它的首要作用就是將大部分的滲水量堵在襯砌結構之外，不讓地下水滲入到襯砌結構后頭，并且還需要承擔一定的圍巖壓力以及水壓力；而排導系統的作用則是將把堵水系統所堵住的隧道結構滲水量絕大部分或者全部的水量排出到隧道結構外，使得作用在襯砌結構上的水荷載能夠得到有效的下降；因此要使得隧道的結構的滲水量以及作用在襯砌結構上的外壓力能夠得到有效降低，可以通過改變注漿圈的抗滲性能來實現，即增加其抗滲的能力，但這并不意味著我們可以無限增大注漿圈抗滲性能，因為抗滲性能增加到一定程度時，對于隧道的結構滲水量以及作用在襯砌結構上的水壓的控制作用趨于平緩。

2 工程應用實例

2.1 常用的注漿材料

對隧道施工過程中的涌水處治，在選擇何種注漿漿液時應該從工程實際出發，考慮隧址及周邊的地質條件、水系系統、注漿施工空間、工程處治要求、漿材性能及注漿工藝，還應考慮漿液與注漿機理的吻合情況、注漿成本及環境保護等綜合因素，根據實際需要和可行性，選擇最為適宜的漿材，使之獲得最佳的經濟技術指標。目前隧道涌水處理最常用的漿液是單液水泥漿和雙液水泥-水玻璃漿。

鑒于施工中存在的多種不確定因素，建議該隧道工程注漿圈厚度[9]取值為5 m，現在山嶺隧道施工中都是采取環縱橫向排水管及盲管+墻角泄水孔的排水方式。目前在隧道施工中所用的縱向排水盲管是半徑為5 cm的有細孔的軟式透水管。洞內采用雙側水溝外加中心矩形蓋板水溝進行排水,而中心水溝與雙側排水溝相連通,把雙側水溝匯聚的地下水通過中心水溝排到隧道洞體外。

2.2 注漿方式及順序

注漿的方式大體上可以分為全段式注漿以及分段式注漿兩種，而分段式注漿按照注漿的順序又可以分為前進式和后退式注漿。注漿方式的選擇應該依據圍巖狀況、注漿設施能力及地下水分布情況來確定。

全段式注漿就是按照注漿設計的長度一次性鉆孔到位，然后一次性完成注漿。其優點很多：一次性鉆孔到位，避免了多次分別鉆孔和注漿，減少了鉆孔和注漿的各個施工環節，大大提高施工效率；對圍巖的擾動次數少，有利于圍巖的穩定；施工工藝簡單，節約成本。但也存在一些不足：由于注漿長度較長，漿液可能會造成凝結，阻礙漿液的流動，也可能因裂隙的發育復雜引起漿液的不均勻擴散甚至造成大量漿液的流失，故其注漿質量難以得到保證；該方法適用于裂隙不是很發育且較均勻、涌水量較小的情況。

分段前進式注漿就是首先按設計鉆一定距離的孔，跟著進行注漿，然后開挖至設計長度后再進行注漿，在開挖，工序反復進行直達達到設計長度為止。這種方法的有點在于注漿長度較短，對鉆機級注漿設備性能要求較低，復注段落多，容易保證注漿效果，保障施工安全。

分段后退式注漿就是一次性鉆孔到注漿設計深度，然后由孔的地段往前按設計分段注漿，直到掌子面為止。該方法的優點最為明顯的就是在不必增加多次鉆孔的前提下，由掌子面往里掘進，通過開挖可以實際檢查注漿效果，預知前方圍巖狀況，確保施工安全，若是發現注漿不佳，可以通過補漿來達到注漿效果。

2.3 防水板施工

(1)鋪設防水板前先鋪設土工無紡布，且土工布重量不小于400 g/m2,且其厚度不應該小于1.5 mm；兩幅防水板搭接寬度15 cm,且在鋪設防水板時，據防水板幅面大小，將防水板托起貼著噴混凝土表面由拱頂向兩側墻部鋪設，以保證防水效果，又能預留搭接余量。

(2)無紡布之間采用搭接法進行連接，搭接寬度不小于5 cm，鋪設固定完成后，再將防水板固定到預定位置，使防水板焊接在固定無紡布的專用熱熔襯墊上，與無紡布充分接合并緊貼在噴射混凝土表面。具體如圖3所示。

圖3 防水板鋪設示意

2.4 施工縫及變形縫防水處理

2.4.1 施工縫防水

DK274+914.14～DK284+985為弱富水區，環向仰拱施工縫采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶+毛細排水板(幅寬1 m)的復合防水構造，并增設一幅2 m寬的防水板及無紡布；DK284+985～DK286+780.06為貧水區，環向仰拱施工縫采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶的復合防水構造，并增設一幅2 m寬的防水板及無紡布；縱向施工縫設置中埋鋼邊橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶的復合防水構造，如圖4所示。

圖4 施工縫防水結構示意

2.4.2 變形縫防水

采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶+聚乙烯泡沫板填縫的復合防水構造。背貼式防水帶后布設一環2 m寬復合防水板，背襯無紡布。防水結構見圖5。

3 結論

(1)對隧道圍巖的抗滲性進行分級的主要目的是將隧道劃分為不同的防水區段，對結構滲水量進行預測，并確定合理的排水量控制標準，然后對不同的區段單元來確定不同的對策；依據圍巖抗滲性評價標準，以滲透性作為指標，我們可將隧道圍巖劃分成四個等級，依次是I、II、III、IV ，級別越高，圍巖的滲透性能也在增強，換而言之，其抗滲性在減弱；而針對于III 、IV 級的圍巖，因為其滲透性很大，滲水量最大，所以在施工時除卻采用初期支護堵水措施外，還需要另外設置加固圈進行聯合堵水，兩者共同作用可使滲水量得到有效地控制。

(2)事實上，可將隧道滲水主要分為兩個過程，一是施工過程中的滲流量，可稱為初始滲流量；二是隧道完成后的隧道結構滲水量，它是指對圍巖進行注漿加固以及初期支護等改良和處置后的滲水量才作為圍巖滲水量，通常以此作為排水系統的設計依據。

(3)注漿的主要作用在于降低襯砌背后的滲水量，且存在一個相對經濟合理的注漿圈加固參數值。如若要使得隧道的結構的滲水量以及作用在襯砌結構上的外壓力能夠得到有效降低，可以通過改變注漿圈的抗滲性能來實現，即增加其抗滲的能力，但這并不意味著我們可以無限增大注漿圈抗滲性能，因為抗滲性能增加到一定程度時，對于隧道的結構滲水量以及作用在襯砌結構上的水壓的控制作用趨于平緩。