地鐵隧道穿越城市山嶺水壓力取值探討

康立鵬

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司）

城市地下軌道交通區(qū)間隧道一般為淺埋隧道，地下水壓力相對較小，隨著近年來地下軌道交通的新線建設(shè)越來越多，更多的出現(xiàn)地鐵隧道下穿城市山嶺，此時地下水壓力較高，如何確定作用隧道襯砌上的水壓力取值，成了襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題，目前國內(nèi)外有較多學者進行了相關(guān)研究。

蔣雅君[1]通過建立隧道排水體系的串聯(lián)模型，指出隧道排水能力取決于排水體系中滲透系數(shù)最小的排水部件，應(yīng)通過測試每個排水部件的排水能力來確定整個隧道排水體系的排水能力；通過塑料排水板通水量試驗表明襯砌外水壓力受襯砌排水能力與入滲水量之間的關(guān)系影響，且整個排水系統(tǒng)存在一個最優(yōu)的工作平衡點。張進[2]通過有限差分軟件FLAC3D建立了具有襯砌背后排水系統(tǒng)的三維有限元模型，計算結(jié)果表明設(shè)置襯砌背后排水系統(tǒng)時，拱頂、拱肩的水壓力應(yīng)折減更多；排水系統(tǒng)的排水量越大，襯砌背后的水壓力折減系數(shù)越小；排水系統(tǒng)在隧道運營是否能保持通暢，對水壓力折減系數(shù)具有控制作用。李治國[3]通過分析既有隧道防排水存在的問題，研究復合式襯砌中由襯砌周邊圍巖、復合防水層、襯砌防水鋼筋混凝土的整體防水能力，認為隧道排水量及襯砌背后水壓力應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，在隧道排水的同時，可以通過圍巖注漿止水降低圍巖滲透系數(shù)，在排水管出口安裝閥門進行限量排放。肖明清[4]通過研究襯砌背后防排水系統(tǒng)的三維空間效應(yīng)，分析了隧道水壓力的縱向分布特征及水壓力控制方法。上述研究主要針對隧道襯砌、襯砌背后防排水系統(tǒng)、圍巖滲透特性分析隧道水壓力折減系數(shù)，沒有綜合考慮隧道水頭高度的取值，本文在綜合考慮隧道水頭高度取值的情況下，對地鐵隧道穿越城市山嶺的水壓力取值進行探討。

1 勘探鉆孔的缺陷

地鐵隧道下穿城市山嶺設(shè)計階段，主要通過地質(zhì)鉆孔對城市山嶺的水文地質(zhì)情況進行勘探，并輔以工程物探措施，地質(zhì)鉆孔平均距離約為50m[5]，較大的鉆孔距離并不足以反映隧道穿越段山嶺的水文地質(zhì)情況，如圖1、圖2 所示，圖中將山體中具備強透水能力的斷裂、裂隙統(tǒng)稱為透水帶，當?shù)刭|(zhì)鉆孔剛好位于不同的透水帶中間時，勘探資料并不能反映山體中具有強透水能力的透水帶情況，若完全以勘察資料中地質(zhì)鉆孔反映的水文地質(zhì)條件進行隧道襯砌結(jié)構(gòu)與防排水設(shè)計，襯砌背后水壓力可能取值過小，導致工程事故。

圖1 隧道縱向鉆孔示意圖

圖2 隧道橫向鉆孔示意圖

實際當隧道穿越山體時，即使穿越處透水帶范圍很小，在隧道開挖階段滲水量較小，若隧道采用全包排水措施，不能及時將透水帶中的積水從襯砌背后排出，隨著襯砌背后積水越來越多，水頭越來越高，同樣將產(chǎn)生較大的水壓力[6]。

2 山頂下水頭高度取值探討

由于工程地質(zhì)勘探并不能完全反映隧道穿越山嶺時的水文地質(zhì)情況，因此山體內(nèi)透水帶的分布情況存在各種可能性，各種不同分布形式將對隧道穿越山嶺時的水頭高度存在較大影響。本章節(jié)在對水壓力進行分析時，不考慮由于地質(zhì)構(gòu)造原因產(chǎn)生的巖體內(nèi)部壓力水頭。

2.1 山體巖石完整

當山嶺內(nèi)的山體巖石完整，不存在透水帶時，隧道縱向地質(zhì)示意圖如圖3 所示，由于巖石非常完整，完全不具備透水能力，整個隧道開挖完成后位于無水區(qū)，穿越山頂處的隧道拱頂水頭高度可以取0。

圖3 巖石完整時隧道縱向地質(zhì)示意圖

2.2 山體巖石不完整

當山嶺內(nèi)的山體巖石不完整時，山體內(nèi)的透水帶分布情況同樣存在各種可能性，將對隧道穿越山嶺時的水頭高度存在較大影響，如圖4 所示，當透水帶幾乎垂直時，襯砌拱頂水頭高度應(yīng)取山頂至隧道頂部的距離h1為水頭高度，當透水帶為傾斜時，襯砌拱頂水頭高度應(yīng)取透水帶頂部至隧道頂部的垂直距離h2為水頭高度。

綜合上述，由于山嶺內(nèi)巖石透水帶分布的復雜性，地質(zhì)鉆孔不能完全反映出隧道襯砌與外界的水力聯(lián)系情況，透水帶的不同分布對山頂下方的隧道拱頂水頭高度取值影響很大，最小可以取0，最大可以取隧道頂至山頂?shù)母叨取?/p>

圖4 巖石不完整時隧道縱向地質(zhì)示意圖

3 山谷、山腳水頭高度取值探討

3.1 山體巖石完整

當山谷處巖石完整，不存在透水帶時，隧道縱向地質(zhì)示意圖如圖5 所示，由于巖石非常完整，完全不具備透水能力，整個隧道開挖完成后位于無水區(qū)，穿越山谷處隧道拱頂水頭高度可以取0。

圖5 巖石完整時隧道縱向地質(zhì)示意圖

3.2 山體巖石不完整

當山谷處巖石不完整時，山體內(nèi)的透水帶分布情況存在各種可能性，將對隧道穿越山谷時的水頭高度存在較大影響，如圖6 所示，當透水帶幾乎垂直時，襯砌拱頂水頭高度應(yīng)取山谷至隧道頂部的距離h3為水頭高度，當透水帶為傾斜并聯(lián)通山頂時，襯砌拱頂水頭高度應(yīng)取山頂至隧道頂部的垂直距離h4為水頭高度。

圖6 巖石不完整時隧道縱向地質(zhì)示意圖

由于山嶺內(nèi)巖石透水帶分布的復雜性，地質(zhì)鉆孔不能完全反映隧道襯砌與外界的水力聯(lián)系情況，透水帶的不同分布對山谷下方的隧道拱頂水頭高度取值影響很大，最小可以取0，最大可以取隧道頂至山頂?shù)母叨取?/p>

4 隧道防排水系統(tǒng)與水頭折減系數(shù)關(guān)系

根據(jù)文獻[7-8]可知，隧道水壓力折減系數(shù)計算公式如下：

式中，

r1——襯砌外徑；

r0——襯砌內(nèi)徑；

k1——襯砌滲透系數(shù)；

kr——圍巖滲透系數(shù)；

H——水頭高度。

從上述公式可知，隧道水壓力折減系數(shù)主要跟襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值有關(guān)，當隧道為排水型隧道時，可以根據(jù)襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值對水壓力進行折減，當隧道為全包防水，不允許排水時，水壓力折減系數(shù)為1。

對于地鐵隧道，當采用礦山法開挖時，若襯砌背后設(shè)置由環(huán)向透水管、縱向透水管、橫向透水管構(gòu)成的排水系統(tǒng)，且能保證運營階段排水系統(tǒng)通暢時[2]，可對襯砌背后水壓力進行折減，若襯砌背后無排水系統(tǒng)，并設(shè)置全包防水層，不可對水壓力進行折減。當采用盾構(gòu)法施工時，由于目前盾構(gòu)管片均不具備設(shè)置襯砌背后排水系統(tǒng)的條件，因此不可對水壓力進行折減。

5 地鐵隧道穿越城市山嶺水壓力取值建議

地鐵隧道穿越城市山嶺時，山嶺內(nèi)巖體的斷裂、裂隙分布不可能做到完全掌握，根據(jù)第2、3 節(jié)對于巖體內(nèi)透水帶分布的各種情況的論述，且城市山嶺一般規(guī)模不大，海拔不高，建議對穿越城市山嶺的隧道水壓力進行保守取值。綜合第4 節(jié)隧道水壓力折減系數(shù)，對于地鐵隧道穿越城市山嶺的水壓力取值建議如下：

⑴地鐵隧道穿越城市山嶺時建議取山頂標高作為設(shè)計水位標高。

⑵當隧道采用礦山法施工，且具有可靠的排水系統(tǒng)時，可參照文獻[9]對水壓力進行折減，其它情況不得對水壓力進行折減。

圖7 深圳某區(qū)間隧道縱斷面

6 工程實例

深圳地鐵某區(qū)間隧道先后下穿城市山嶺小南山、大南山，隧道采用礦山法施工，下穿小南山處隧道最大覆土約50m，下穿大南山處隧道最大覆土約90m，縱斷面見圖7，礦山法隧道襯砌背后設(shè)置環(huán)向、縱向、橫向排水管構(gòu)成排水型隧道，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中，下穿小南山段水頭高度取50m，下穿大南山段水頭高度取90m，水壓力折減系數(shù)參照文獻[9]取0.8 進行折減進行結(jié)構(gòu)計算，目前該隧道已開通運營，且襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

7 總結(jié)

⑴對地鐵區(qū)間隧道穿越城市山嶺的水頭高度取值進行探討分析，由于山體內(nèi)透水帶的分布規(guī)律無法完全掌握，建議對水頭高度進行保守取值，將山頂標高作為設(shè)計水位標高。

⑵根據(jù)既有文獻對水壓力折減系數(shù)的探討，結(jié)合地鐵區(qū)間隧道特征，建議僅對地鐵隧道采用礦山法施工，且襯砌背后具有可靠的排水系統(tǒng)時進行水壓力折減。

⑶將上述分析應(yīng)用于深圳地鐵某區(qū)間礦山法隧道，目前該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。