康立鵬

（深圳市市政設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(jì)的關(guān)鍵問題，目前國內(nèi)外有較多學(xué)者進(jìn)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(cè)試每個(gè)排水部件的排水能力來確定整個(gè)隧道排水體系的排水能力；通過塑料排水板通水量試驗(yàn)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(gè)排水系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)的工作平衡點(diǎn)。張進(jìn)[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(jì)算結(jié)果表明設(shè)置襯砌背后排水系統(tǒng)時(shí)，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(yùn)營是否能保持通暢，對(duì)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(fù)合式襯砌中由襯砌周邊圍巖、復(fù)合防水層、襯砌防水鋼筋混凝土的整體防水能力，認(rèn)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(shí)，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(jìn)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(duì)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(duì)地鐵隧道穿越城市山嶺的水壓力取值進(jìn)行探討。

1 勘探鉆孔的缺陷

地鐵隧道下穿城市山嶺設(shè)計(jì)階段，主要通過地質(zhì)鉆孔對(duì)城市山嶺的水文地質(zhì)情況進(jìn)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(qiáng)透水能力的斷裂、裂隙統(tǒng)稱為透水帶，當(dāng)?shù)刭|(zhì)鉆孔剛好位于不同的透水帶中間時(shí)，勘探資料并不能反映山體中具有強(qiáng)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(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)與防排水設(shè)計(jì)，襯砌背后水壓力可能取值過小，導(dǎo)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(shí)際當(dāng)隧道穿越山體時(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)隧道穿越山嶺時(shí)的水頭高度存在較大影響。本章節(jié)在對(duì)水壓力進(jìn)行分析時(shí)，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(dāng)山嶺內(nèi)的山體巖石完整，不存在透水帶時(shí)，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(gè)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(shí)隧道縱向地質(zhì)示意圖

2.2 山體巖石不完整

當(dāng)山嶺內(nèi)的山體巖石不完整時(shí)，山體內(nèi)的透水帶分布情況同樣存在各種可能性，將對(duì)隧道穿越山嶺時(shí)的水頭高度存在較大影響，如圖4 所示，當(dāng)透水帶幾乎垂直時(shí)，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(dāng)透水帶為傾斜時(shí)，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(fù)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(duì)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(shí)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(dāng)山谷處巖石完整，不存在透水帶時(shí)，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(gè)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(shí)隧道縱向地質(zhì)示意圖

3.2 山體巖石不完整

當(dāng)山谷處巖石不完整時(shí)，山體內(nèi)的透水帶分布情況存在各種可能性，將對(duì)隧道穿越山谷時(shí)的水頭高度存在較大影響，如圖6 所示，當(dāng)透水帶幾乎垂直時(shí)，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(dāng)透水帶為傾斜并聯(lián)通山頂時(shí)，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(shí)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(fù)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(duì)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(xiàn)[7-8]可知，隧道水壓力折減系數(shù)計(jì)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(dāng)隧道為排水型隧道時(shí)，可以根據(jù)襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值對(duì)水壓力進(jìn)行折減，當(dāng)隧道為全包防水，不允許排水時(shí)，水壓力折減系數(shù)為1。

對(duì)于地鐵隧道，當(dāng)采用礦山法開挖時(shí)，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(yùn)營階段排水系統(tǒng)通暢時(shí)[2]，可對(duì)襯砌背后水壓力進(jìn)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(duì)水壓力進(jìn)行折減。當(dāng)采用盾構(gòu)法施工時(shí)，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(duì)水壓力進(jìn)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(shí)，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(duì)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(duì)穿越城市山嶺的隧道水壓力進(jìn)行保守取值。綜合第4 節(jié)隧道水壓力折減系數(shù)，對(duì)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(shí)建議取山頂標(biāo)高作為設(shè)計(jì)水位標(biāo)高。

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

圖7 深圳某區(qū)間隧道縱斷面

6 工程實(shí)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(jì)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(xiàn)[9]取0.8 進(jìn)行折減進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，目前該隧道已開通運(yùn)營，且襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

7 總結(jié)

⑴對(duì)地鐵區(qū)間隧道穿越城市山嶺的水頭高度取值進(jìn)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(duì)水頭高度進(jìn)行保守取值，將山頂標(biāo)高作為設(shè)計(jì)水位標(biāo)高。

⑵根據(jù)既有文獻(xiàn)對(duì)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(duì)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(shí)進(jìn)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。