張曉華

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

深埋山嶺隧道帷幕注漿段襯砌外水壓力研究

張曉華

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

通過(guò)建立深埋山嶺隧道的滲流模型，分析外水壓力對(duì)支護(hù)體系的荷載影響，推導(dǎo)出帷幕注漿段襯砌外水壓力的計(jì)算公式以及隧道內(nèi)最大涌水量公式，并就理論公式結(jié)合工程實(shí)際情況展開(kāi)探討。同時(shí)，對(duì)太行山隧道帷幕注漿段外水壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短、測(cè)點(diǎn)選擇等原因，雖然帷幕注漿段襯砌外水壓力較小，但考慮到后期外水壓力的增加，為確保隧道運(yùn)營(yíng)期安全，需加強(qiáng)高壓富水段外水壓力持續(xù)監(jiān)測(cè)。

鐵路隧道；山嶺隧道； 帷幕注漿； 外水壓力；監(jiān)測(cè)

隨著鐵路、公路建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)向中西部轉(zhuǎn)移，修建的長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，最大埋深達(dá)幾百米，時(shí)常會(huì)遇到巖溶富水高壓地層，部分穿越區(qū)的靜止水頭甚至達(dá)到幾百米。以往大部分對(duì)水壓的處理，往往按“無(wú)限制排水”將襯砌背后的水全部排走，但這種“無(wú)限制排水”浪費(fèi)大量水資源，甚至?xí)蚱扑淼浪┰絽^(qū)域的水環(huán)境平衡，導(dǎo)致井河干涸，環(huán)境惡化。

由于帷幕注漿能對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行有效填充、提高圍巖的自穩(wěn)能力和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)堵水加固的目的，目前該方法已成為隧道通過(guò)富水地層的一項(xiàng)常用措施。在通過(guò)環(huán)境要求敏感地段時(shí)，采用堵水限排的防排水原則已為大家普遍接受[1-4]。對(duì)于富水高壓地層隧道越來(lái)越多采取圍巖注漿堵水圈，防排水網(wǎng)絡(luò)以及抗水壓襯砌構(gòu)成的支護(hù)體系[5-8]。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)襯砌外水壓研究成果的基礎(chǔ)上，主要分析討論山西中南部鐵路通道太行山隧道外水壓對(duì)支護(hù)體系的影響。通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定符合工程實(shí)際的襯砌外水荷載，可為今后類似隧道的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 模型建立與公式推導(dǎo)

為了研究清楚深埋隧道周圍水對(duì)支護(hù)體系的水荷載影響以及襯砌背后的水壓?jiǎn)栴}，必須弄清楚隧道穿越區(qū)域水的滲流。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，做如下假定：

(1)地下水滲流服從達(dá)西定律；

(2)滲流斷面為近似圓形；

(3)裂隙巖體、圍巖注漿堵水圈為均勻滲透介質(zhì)；

(4)排水量Q從圍巖周圍均勻滲流而出。

由于隧道埋深很大，水頭H很大，洞徑相對(duì)于水頭H很小，可以近似洞周水壓相等，深埋山嶺隧道滲流模型如圖1所示。

圖1 滲流模型圖

根據(jù)達(dá)西滲流定律

(1)

則隧道每延米的滲流量為

(2)

當(dāng)滲透系數(shù)k≠0，有

圖1中，r1為襯砌外半徑；r2為圍巖注漿圈外側(cè)半徑；r3為圍巖半徑；H為圍巖表面水頭(一般取隧道的靜止水頭)。

兩邊取積分，求圍巖中任意半徑r處的水頭Hs

(3)

式中ks——圍巖綜合滲透系數(shù)，m/s。

當(dāng)r=r2時(shí)，求得圍巖注漿圈外側(cè)水頭

(4)

圍巖注漿圈中任意半徑r處的水頭Hz

(5)

將式(4)代入式(5)，得

(6)

式中kz——圍巖注漿圈綜合滲透系數(shù)，m/s。

當(dāng)r=r1時(shí)，求得襯砌外側(cè)水頭為

(7)

由于二襯外鋪設(shè)防水板，可認(rèn)為襯砌的滲透系數(shù)為0，在沒(méi)有設(shè)置泄水洞等排水設(shè)施，隧道全封閉完全不排水時(shí)，即流量Q=0時(shí)，代入式(7)，發(fā)現(xiàn)襯砌外側(cè)水頭將達(dá)到隧道原始的靜止水頭，即H1=H。

當(dāng)隧道無(wú)限制完全排水，襯砌背后不留積水，使襯砌背后水壓為0時(shí)

每延米最大涌水量為

(8)

若不設(shè)圍巖注漿圈(即r2=r1，kz=ks)

(9)

對(duì)于圍巖半徑r3的取值，各種經(jīng)驗(yàn)公式取法不一，有學(xué)者依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)認(rèn)為影響半徑取2H較為合理[9]。

若r3=2H，式(9)將與《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)中計(jì)算隧道最大涌水量古德曼經(jīng)驗(yàn)式(B.2.1-1)完全一致[10]。

由于現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于水壓，經(jīng)常用到水壓折減系數(shù)β，將式(8)代入式(7)，得

(10)

從式(10)也可以看出排水量Q越大，折減系數(shù)將越小，即可折減程度越大。

為便于討論最大流量問(wèn)題，將式(8)作適當(dāng)變形

(11)

從式(11)可以發(fā)現(xiàn)Qmax與r2、r3是負(fù)相關(guān)，與kz、ks、H、r1是正相關(guān)。

以上公式的推導(dǎo)是假設(shè)圍巖體、圍巖注漿堵水圈為均勻滲透介質(zhì)，但由于巖體中裂隙的存在，滲透特性是各向異性，注漿堵水圈也并不均勻，因此，所計(jì)算出的流量與實(shí)際情況出入較大，所以用上述公式算最大涌水量意義不大。但公式的推導(dǎo)其價(jià)值在于：(1)在不設(shè)排水系統(tǒng)的情況下，隨著時(shí)間的推移，襯砌外側(cè)水壓將最終達(dá)到原始的靜止水頭，當(dāng)H很大時(shí)，襯砌將因無(wú)法承受而破壞，因此排水系統(tǒng)的設(shè)置極有必要；(2)襯砌背后的水壓與隧道排水量負(fù)相關(guān)，排水量越大，襯砌背后的水壓越小，當(dāng)隧道排水能力很大，滿足最大排水量Qmax的要求時(shí)，襯砌背后的水壓可為0；(3)襯砌背后水壓為0，即按最大排水量排時(shí)，帷幕注漿堵水圈的半徑r2越大，滲透系數(shù)kz越小，排水量Qmax將越小，所以可以通過(guò)加強(qiáng)圍巖注漿堵水圈來(lái)減小排水量。

2 一般性討論

由施工現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況來(lái)看，涌水量主要通過(guò)裂隙涌出，這也是最大排水量與公式計(jì)算結(jié)果出入很大的主要原因。分析更為一般的情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)以上3個(gè)結(jié)論依然適用。

施工前圍巖中裂隙分布如圖2所示，裂隙中的水頭均為原始靜止水頭H，通過(guò)帷幕注漿進(jìn)行隧道開(kāi)挖后，其裂隙分布示意如圖3所示。如果帷幕注漿效果較好的話，二襯施作前觀察隧道洞室，幾乎沒(méi)有滲水現(xiàn)象。但到運(yùn)營(yíng)期，隨著時(shí)間的推移，考慮到注漿堵水圈本身的施工質(zhì)量、耐久性以及列車通過(guò)時(shí)振動(dòng)荷載等各種因素影響，將不可避免地出現(xiàn)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，水會(huì)沿著帷幕注漿堵水圈的薄弱環(huán)節(jié)滲入，最終將形成新的裂隙分布，如圖4所示。

但裂隙的孔徑大小，裂隙分布的范圍通常而言都會(huì)比未開(kāi)挖洞室前小很多。其涌水量比未進(jìn)行帷幕注漿要小，結(jié)論(3)依然滿足。部分裂隙將發(fā)展到二襯背后，此時(shí)如果背后排水不暢，將會(huì)達(dá)到靜止水頭。大瑤山隧道“底鼓”就是例證，由于沒(méi)有解決水的滲透問(wèn)題，孔隙水沿縫隙滲入到圍巖與襯砌的界面薄弱處，導(dǎo)致其承受很大水頭，最后導(dǎo)致“底鼓”破壞[11]。說(shuō)明結(jié)論(1)依然適用。

圖2 施工前裂隙分布示意

圖3 施工后裂隙分布示意

圖4 運(yùn)營(yíng)期裂隙分布示意

3 現(xiàn)場(chǎng)帷幕注漿段襯砌背后水壓測(cè)試

3.1 地質(zhì)地貌概況

山西中南部通道太行山隧道位于山西省與河南省交界處，隧道起于山西省長(zhǎng)治市平順縣石城鎮(zhèn)克昌村，止于河南省安陽(yáng)市林縣姚村鎮(zhèn)墳頭村。隧道采用雙洞單線方案，左線隧道全長(zhǎng)18 095 m(DK578+875～ DK596+970)，最大埋深915 m。右線隧道全長(zhǎng)18 080 m(DyK578+865～DyK596+945)，最大埋深920 m。隧道穿越太行上中三區(qū)河間地塊，地形陡峻，洞身深埋，主要圍巖為震旦系灰白色石英砂巖、紫紅色泥質(zhì)砂巖及砂質(zhì)頁(yè)巖。隧道地處太行山腹背斜西北翼，產(chǎn)狀平緩，局部屈服形成寬緩背斜及向斜，褶曲軸部寬張裂隙發(fā)育，形成寬張裂隙含水層，含水層深厚，具承壓性，補(bǔ)給充分，水量大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。由于隧道埋深較深，形成高壓富水段，最大動(dòng)水壓達(dá)1 MPa以上，且為穩(wěn)定水壓。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)

通過(guò)帷幕注漿對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行填充、提高圍巖的自穩(wěn)能力和強(qiáng)度，以達(dá)到堵水加固的目的，其中1號(hào)斜井山西方向DK585+438～DK585+303、DyK585+434～DyK585+299進(jìn)行帷幕注漿。二襯背后設(shè)置環(huán)向和縱向排水盲管，邊墻處設(shè)置泄水洞，為了研究帷幕注漿段二襯背后水壓力狀況，左右線各選取1個(gè)斷面，分別在左拱腳，左拱腰，拱頂，右拱腰，右拱腳的防水板之后安裝水壓計(jì)，在做完二襯的1個(gè)月后，2014年2月18日開(kāi)始監(jiān)測(cè)背后水壓，如圖5、圖6所示。

圖5 DYK585+388斷面二襯背后水壓

圖6 DK585+362斷面二襯背后水壓

通過(guò)圖5、圖6可以看出:(1)帷幕注漿段且設(shè)置排水系統(tǒng)的情況下，二襯背后的水壓很小，所測(cè)得最大水壓為DYK585+388斷面的右拱腰位置，也只有0.018 MPa，其他大部分測(cè)點(diǎn)水壓值在0.01 MPa；(2)隨著時(shí)間的發(fā)展，水壓均有所增大，但增幅很小。隧道排水能力小于注漿后剩余涌水量時(shí)，即產(chǎn)生水壓力時(shí)需設(shè)計(jì)抗水壓襯砌[12]，對(duì)于帷幕注漿段，在做好排水系統(tǒng)下，水壓可以折減考慮。

同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：在完成二襯的1個(gè)月后開(kāi)始的背后水壓監(jiān)測(cè)整體上比較小，一方面由于采取了合理的帷幕注漿工藝，達(dá)到了堵水效果，外水還沒(méi)有在襯砌周圍匯集；另一方面，可能是監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，水壓力尚未恢復(fù)，測(cè)點(diǎn)選擇不一定是最大外水壓力點(diǎn)等原因。因此，不能依據(jù)短期的個(gè)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)減弱高壓富水隧道襯砌結(jié)構(gòu)。從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全看，高壓富水隧道襯砌既要根據(jù)地層和構(gòu)造情況分析預(yù)判水壓力的恢復(fù)問(wèn)題，也要考慮排水系統(tǒng)堵塞引起水壓力的升高。因此，高壓富水段水壓力需要持續(xù)監(jiān)測(cè)，以保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)論

通過(guò)理論公式的推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出結(jié)論如下。

(1)隧道全封閉完全不排水的情況下，襯砌背后的水壓力最終將達(dá)到原始的靜止水頭，對(duì)于深埋隧道，襯砌會(huì)因?yàn)闊o(wú)法承受巨大水荷載而破壞。因此隧道排水系統(tǒng)的設(shè)置是非常必要的。

(2)太行山隧道帷幕注漿后水壓監(jiān)測(cè)表明，帷幕注漿有效填補(bǔ)圍巖空隙，降低圍巖綜合滲透系數(shù)，使隧道涌水量顯著降低，在“限量排放”的防排水設(shè)計(jì)中起到重要的作用。

(3)實(shí)測(cè)二襯背后水壓力較小，一方面由于采取了合理的帷幕注漿工藝，達(dá)到了堵水效果，外水還沒(méi)有在襯砌周圍匯集；另一方面，可能是監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，水壓力尚未恢復(fù)，測(cè)點(diǎn)選擇不一定是最大外水壓力點(diǎn)等原因。從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全考慮，高壓富水段外水壓力需要持續(xù)監(jiān)測(cè)，以保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

[1] 王建宇.再談隧道襯砌水壓力[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(3):5-10.

[2] 王建宇.隧道圍巖滲流和襯砌水壓力荷載[J].鐵道建筑技術(shù)，2008(2):1-6．

[3] 張俊儒，仇文革.深埋高水位山嶺隧道作用于襯砌外表面的水壓力計(jì)算方法[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(6):12-15.

[4] 梅志榮，馬士偉，李蒼松.高速鐵路巖溶隧道突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究[C]∥鐵路客運(yùn)專線建設(shè)技術(shù)交流會(huì)論文集，2005：629-635.

[5] 趙建宇.中天山隧道高壓富水段涌水量探測(cè)與連通試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(5):83-86．

[6] 王偉，苗德海.宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬犹卣骷肮こ虒?duì)策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(8):81-86．

[7] 苗德海.宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道災(zāi)害及防治對(duì)策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(7):96-99．

[8] 高新強(qiáng)，仇文革.隧道襯砌外水壓力計(jì)算方法研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(12):84-87.

[9] (日)大島洋治，等.彭雅雍，譯.鐵路隧道用水量的實(shí)態(tài)調(diào)查[J].隧道譯叢，1989(1)．

[10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004．

[11]崔京浩，崔巖，陳肇元.地下結(jié)構(gòu)外水壓力綜述[J].工程力學(xué)，1998(增刊):108-124．

[12]張祉道.隧道涌水量及水壓計(jì)算公式半理論推導(dǎo)及防排水應(yīng)用建議[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43(1):1-11．

Study on External Water Pressure of Lining in Curtain Grouting Section of Deep-buried Tunnel

ZHANG Xiao-hua

(China Railway 18th Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 3000222， China)

The flow model of deep-buried tunnel is established in this paper to analyze the influence of the external water pressure on the load of supporting system. The two calculation formulas， water pressure on the outer lining structure and the equation of maximum water inflow， are derived from theoretical analysis. On the basis of the obtained equations， this paper addresses the applicability of these equations to the actual tunnel construction. The external water pressure on the outer lining structure is monitored in the curtain grouting section of Taihang Mountain. The monitoring results indicate that though the water pressure on outer lining structure in curtain grouting section is small， continuous monitoring of external water pressure in rich water sections must be reinforced in view of the future increase of water pressure and the safety of tunnel service.

Railway tunnel; Mountain tunnel; Curtain grouting; External water pressure; Monitoring

2015-07-10

中鐵十八局集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)重點(diǎn)課題(課題編號(hào)：中鐵十八局(科技)字(2012)-kjkf009)

張曉華(1976—)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建工程專業(yè)，E-mail:535730411@qq.com。

1004-2954(2015)10-0119-04

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.027