低渗透性地层浅埋隧道防排水控制措施研究
2012-11-27王春梅
王春梅
(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)
随着隧道及地下工程的发展,越来越多的地下结构在施工和使用过程中,时刻都受到地下水的危害。多年来,人们在与地下水长期斗争中,积累了丰富的经验,总结出了“防、排、堵、截相结合,因地制宜,综合治理”的隧道和地下工程防水原则,使隧道和地下工程防排水技术有了较快的发展[1]。地下工程的地质条件十分复杂,在修建过程中不同程度地受到地下水的影响,这就要求设计单位进行合理的防排水设计,选择合理的结构形式,合理的防排水方法和材料[2]。然而对于以岩石地层为主,地层含水量和渗透系数均较小的浅埋铁路隧道,如果依然按照规范和传统的防水模式进行结构设计(结构全外包防水,考虑全水头压力),俨然已经不合时宜。为了充分利用硬岩低渗透性的地质特点,应寻求一种合理的结构形式及防排水方案,从而减小工程量,降低工程造价,达到良好的技术经济效益。本文针对浅埋铁路隧道全包排水、半包排水形式以及注浆堵水控制措施进行综合分析,探讨低渗透性岩层浅埋铁路隧道渗流特点以及防排水控制措施的合理选择。
1 工程概况
本工程浅埋隧道采用马蹄形断面,隧道覆土厚度为9.8~19.6 m。根据工程勘测报告资料初步确定本区间隧道采用2种排水方案,如图1、图2所示。图1为全包排水结构方案,图2为半包排水结构方案,在隧道断面两侧墙角对称布置排水孔。
隧道施工期开挖后,隧道为施作衬砌,隧道外部地下水向隧道内部渗透,在高水头压力的作用下会造成渗流量过大,从而影响隧道施工,并对隧道围岩稳定性造成不利影响。为减小隧道开挖后的渗流量,隧道采用注浆堵水方案,注浆圈厚度 rg分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m,减小围岩渗透性,从而控制地下水渗流量。
图1 全包排水结构方案
图2 半包排水结构方案
2 渗流场计算模型构建
2.1 隧道围岩渗流模型
数学上处理岩体渗流分析通常有3种模型:等效连续介质渗流模型、不连续面网络渗流模型、孔隙裂隙混合介质模型3大类[4]。目前工程上比较常用的方法还是采用等效连续介质的方法,因为计算成果比较直观,而且从工程的角度来说比较实用。对于等效连续介质中,地下水渗流满足连续性方程,因此在渗流区域内取一无限小的微元体,可得[5-6]
式中,ω为汇流量;ρ为水体密度;n为渗透介质的孔隙率;t为时间。不考虑水与岩体骨架的压缩性和达西渗透定律,得到稳定渗流的基本微分方程为
式中,H 为水头分布函数;kx、ky、kz、分别为 x,y,z三个方向的渗透系数。考虑稳定渗流区域Ω内的渗流能量表达式
式中,Γ1为上、下游及渗出面边界之和;Γ2为不透水边界、潜流边界、补给边界、自由面边界等之和;n为Γ2的外法向;kn为n向的渗透系数。
2.2 计算模型构建
根据本隧道地质、水文勘察资料,选择5个典型计算断面如图3、表1所示。根据计算断面,通过FLAC3D有限差分程序建立数值分析模型如图4所示,模型竖向取50 m[7-8],横向取100 m 宽度。隧道围
相应的边界条件为:岩渗透系数、隧道上部水头取值见表1。围岩渗透系数为Km,注浆加固圈Kg渗透系数,令Rk=Km/Kg值分别为 1、10、50、100、200、400。
图3 隧道几何模型(单位:m)
表1 计算工况岩层渗透系数及水头压力值
图4 数值分析模型
根据本浅埋隧道防排水形式,结合公式3模型边界条件,确定左右边界为透水边界条件,下部为不透水边界条件,上部为自由水面。全包防水边界为不透水边界,排水孔为透水边界。
3 结果分析
为考察2种防排水形式对隧道渗流场特性的影响,给出了本隧道采用2种不同防排水形式在工况3情况下的渗流场计算结果。
3.1 渗流场特性分析
经过数值计算分析,注浆圈厚度3 m,Km/Kg=400工况下2种防排水形式在开挖阶段、运营期渗流场分布形态如图5、图6所示。
图5 开挖期隧道水压力分布(单位:kPa)
隧道在开挖阶段未注浆时的水压力分布如图7所示,隧道上部水压力大大减小,在隧道周围形成了一个降水漏斗。通过预注浆堵水,降低了围岩的渗透系数,在隧道周围未形成一个降水漏斗,如图5所示。当注浆圈厚度增加时,边界处的孔隙压力分布也有差异,注浆圈厚度越大,注浆圈渗透系数越小,边界处的孔隙压力与初始值越接近。注浆圈对隧道附近渗流场的分布影响较大,而在注浆圈外水头分布与原地层水头分布几乎一样,注浆圈背后承担了较大的水头,水头在注浆圈内逐渐折减,注浆圈内的水头分布与注浆圈的渗透系数有关。随着防水层和二次衬砌的施工完成,地下水通道渗透系数逐渐减小,水压力会逐渐增大。在隧道运营阶段衬砌背后水压力明显比隧道施工期间水压力大,但不会达到地下水水位线的水头。
图6 隧道运营期隧道水压力分布(单位:kPa)
图7 隧道未注浆堵水开挖期水压力分布(单位:kPa)
3.2 注浆堵水参数与影响分析
通过计算分析可得,在不同注浆圈厚度以及注浆圈渗透系数的情况下隧道注浆圈排水量如图8所示。
图8 运营阶段排水量与注浆参数的关系
由隧道排水量与注浆圈参数变化关系分析可知。
(1)随着隧道所处岩层渗流系数的增大,隧道渗流量明显增大,隧道所处岩层渗透特性对隧道渗流量影响较明显,远场岩层渗透特性对渗流量影响较小。随着隧道上部水头增大,隧道渗流量明显增大,上部水头对隧道渗流量影响较明显。
(2)水通过注浆圈渗透进隧道时,隧道排水量随着注浆圈厚度的增加而明显减小,不注浆时排水量很大,随着Km/Kg值的增大,隧道最大排水量逐渐减小。
(3)在堵水效果相同的情况下,注浆圈厚度越小,就要求注浆圈的渗透系数也越小。当Km/Kg≥100且rg≥3 m时,无论是减小注浆圈渗透系数还是增加注浆圈厚度,对减小隧道涌水量的作用效果已不明显。
(4)采用半包防水结构,运营期隧道渗流量对比全包防水结构有所增加,增加量与隧道衬砌结构的渗透系数具有密切关系。在相同的地质情况、采用同样的注浆堵水控制措施,半包排水结构渗流量比全包排水结构稍大,在注浆圈渗透系数明显减小的情况下渗流量差别已不明显。
3.3 不同防水形式外侧水压力作用系数分析
通过计算分析可得隧道注浆圈外侧水压力作用系数分布图9所示。
图9 隧道运营期隧道衬砌外侧水压力分布
由图7、图9对比分析可知,当隧道未注浆时,隧道边墙底部水压力作用系数较大,为隧道渗水较为严重区域,在施工过程中应给予重视。当隧道注浆圈厚度增大,注浆圈系数减小后,隧道注浆圈的阻水能力增加,注浆圈外侧水压力分布区域均匀,并逐渐接近原始水压力,注浆圈外侧水压力作用系数逐渐接近1。在拱脚处布置排水孔时,拱顶水头降低较小,墙脚处水头明显降低。隧道采用半包防排水形式时,隧道拱底为透水边界,对比全包排水形式作用在衬砌边界上的外侧水压力得到了一定程度的释放。对于半圆拱隧道而言,失稳破坏的关键部位在拱脚处,通过在拱脚处布置排水孔及采用半包排水形式可有效降低拱脚处的水荷载。
4 结论
通过对低渗透性岩层隧道不同防排水形式下隧道渗流量及水压力分布分析可得。
(1)饱和渗流模型应用于地下工程的渗流场计算,只要边界条件和初始条件确定合理,宏观结果误差不会很大。因此,计算地下隧道围岩水头场及外侧水压力作用系数以确定衬砌结构水压力荷载在技术上是可行的。
(2)在低渗透性岩层地铁隧道采用排水结构是完全可行的。通过在拱脚处布置排水孔时,拱顶水头降低较小,墙脚处水头明显降低,有效降低拱脚处的水荷载。隧道采用半包防水,作用在衬砌边界上的外侧水压力得到了一定程度的释放,有利于改善衬砌结构的受力特性。
(3)采用防排结合,通过注浆堵水控制排水量降低衬砌外水压力,达到减小衬砌厚度,衬砌结构设计优化的目的。在实际施工中需要在注浆的经济性和堵水性能以及衬砌结构合理性几个方面进行综合分析。
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