基于长期监测的高水压岩溶隧道二次衬砌水压特征研究

申 志 军

(蒙西华中铁路股份有限公司， 工程技术部， 北京 100073)

高水压岩溶隧道的建设是目前隧道界公认的难题，施工中经常遭遇突水突泥，隧道建成后水害问题严重[1-5]。京广铁路南岭隧道和贵昆铁路梅花山隧道建成后，暴雨引起衬砌裂缝，局部射水和冲倒边墙；京原线驿马岭隧道通车后因洞内高水压射水导致线路停运一年；武吉高速公路南石壁隧道因高压射水导致衬砌开裂和路面拱起；渝怀铁路圆梁山隧道在毛坝向斜段地下水位高达450 m， 为减少排放地下水对环境的影响设计了全封堵衬砌，由于要抵抗4.5 MPa的高水压，二衬采用厚1 m的圆形断面钢筋混凝土衬砌，设置50 kg/m、间距0.33 m的双环钢轨，建成后仍出现衬砌渗水。随着我国西部山区隧道建设的发展，高水压隧道的设计尤其是水压设计问题引起了隧道界学者极大关注，取得了丰硕的成果[6-12]。目前的研究主要集中在理论分析和模型试验方面，对运营隧道水压长期监测的数据较少。宜万铁路全线共有隧道159座，其中岩溶隧道91座。沿线岩溶强烈发育，隐伏溶腔水压高、充填物复杂，修建难度极大，运营过程中水的威胁极大。宜万铁路建设中，根据岩溶隧道地质灾害级别评估岩溶隧道的风险，首次确定了岩溶隧道风险管理等级，其中8座确定为高风险岩溶隧道，按Ⅰ级风险进行管理[1,5]。本文通过对野三关、大支坪、马鹿箐、云雾山等4座高风险岩溶隧道运营过程中水压的长期监测，结合理论分析和模型试验结果，详细论述高水压岩溶隧道二次衬砌的水压特征，为高水压岩溶隧道的建设和运营管理提供参考。

1 高水压岩溶隧道二衬水压长期监测

1.1 隧道简况及二次衬砌水压监测方案

野三关、大支坪、马鹿箐、云雾山隧道是宜万铁路最典型的4座高风险岩溶隧道，岩溶强烈发育，施工中发生了突水突泥，且出规模较大的高压充填溶腔。掌握运营过程中衬砌水压动态是保证线路安全运营的基础，对这4座隧道发生突水突泥的溶腔段进行二衬水压长期监测。4座隧道的基本情况及二衬长期水压监测断面布置情况见表1。二衬水压测点布置情况见图1。水压测点布置在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙及仰拱。

表1 4座高风险岩溶隧道简况

1.2 测试结果及分析

野三关隧道2个监测断面长期水压动态见图2，2012年10月16日DK124+602断面二衬水压分布见图3。从图2可以看出，野三关隧道606溶腔段监测得到的二衬水压总体值不大，最大水压小于0.09 MPa；水压的动态与雨季关系密切，DK124+585断面测点在2012年雨季期间水压增长明显，水压导致右边墙水压急剧升高，仰拱水压增大也较明显，说明这段时间洞内水沟出现排水不畅；二衬水压在左右侧分布不对称，右侧大于左侧，这与排水洞设于Ⅰ线左侧关系密切。从图3可以看出，拱顶水压较大，边墙脚处较小，这与边墙处水沟局部排水效应有关。

大支坪隧道3个监测断面长期水压动态见图4，其“+990”溶腔排水洞布置情况见图5。从图4可以看出，大支坪隧道“+990”溶腔段水压不大，小于0.08 MPa；衬砌仰拱处水压较大，符合静水压分布规律，说明洞内排水较少；Ⅱ线水压明显小于Ⅰ线水压，由于大支坪隧道排水洞位于Ⅱ线右侧(见图5)，说明排水洞的位置影响局部渗流场的分布，从而影响衬砌水压的分布。

马鹿箐隧道3个监测断面长期水压动态见图6。实测得到的马鹿箐隧道DK255+978溶腔段衬砌水压最大值小于0.14 MPa。衬砌仰拱处水压较大，符合静水压分布规律。Ⅱ线水压明显小于Ⅰ线水压，这是由于马鹿箐隧道排水洞位于Ⅱ线左侧。分析三个断面的水压分布还可以发现，总体右侧相应位置测点水压要大于左侧，也说明了排水洞的位置会影响衬砌水压的分布。

云雾山隧道监测断面长期水压动态见图7。该段衬砌水压小于0.045 MPa；衬砌仰拱和边墙处水压较大，符合水压分布规律。

上述监测数据表明，4座高风险岩溶隧道在高压富水溶腔地段的衬砌水压都较低，雨季有微小波动，其他时间变化平稳，远低于1.0 MPa的抗水压衬砌设计值。

2 影响高水压岩溶隧道二次衬砌水压的因素

水压力是作用在高水压岩溶隧道衬砌上的主要荷载，水压力取值的合理性直接关系到隧道的安全和造价。由于岩溶的复杂性，岩溶隧道衬砌水压的确定较为困难，水压力大小与水位、隧道通过裂隙与地表联系程度以及所采用的隧道防排水系统等都有关系。

2.1 初始水压力的影响

高水位隧道一般采取折减系数法确定初始水压[13-14]。

P=β·γH

( 1 )

式中：P为岩溶隧道初始水压力；β为衬砌外水压折减系数，不同情况下β的取值[13]见表2；H为地下水作用水头；γ为水容重。

表2 不同情况下β取值

对于岩溶隧道，宜万铁路大量的实测资料表明[1,5]，折减系数在0.03～0.86之间变化，比文献[13]提出的0.1～0.5的变化范围更宽，因此岩溶隧道不适合采用单一的折减系数法。研究发现，岩溶隧道初始水压力大小主要受隧道上、下方的排泄基准面控制，同时还与排泄能力和降雨的补给有关[6]，见图8 。初始水压可表示为

P=f(Q+,Q-,Qin)

( 2 )

式中：Q+、Q-分别为上、下排泄基准面的排泄能力；Qin为降雨补给能力。

应该注意的是，有些隧道没有天然的临近强排泄基准面，施工中采取排水泄压后，形成新的排泄基准面。以马鹿箐隧道为例，DK255+978溶腔段溶腔段没有明显排泄基准面，泄压前掌子面实测水压1.2 MPa。采取排水泄压，泄水支洞在隧道上方16.5 m，按式( 2 )计算得到初始水压力为0.17 MPa，实测水压值0.18 Mpa。表3为4座隧道高水压溶腔段初始水压的测试情况。

表3 岩溶隧道初始水压力测试值

2.2 注浆和排水的影响

对岩溶隧道，注浆加固和排水减压是保证隧道施工安全的重要措施。为研究注浆和排水对衬砌水压的影响，通过模型试验开展衬砌水压特征的研究。模型试验台架可同时施加水压力和围岩压力，且可模拟真实的水渗流场，最大水压加载能力为0.5 MPa。试验主要研究高压富水充填型溶腔段内衬砌水压的分布规律。以宜万铁路典型的泥沙充填型溶洞-大支坪隧道990溶腔为原型，按照相似理论配制围岩材料[1]。按照1∶16的几何比例预制隧道二次衬砌模型，并按照实际隧道情况布设排水口，试验过程中可通过集中阀门控制排水量。设置好排水系统的隧道模型及试验过程见图9。水压测点用数字表示，测点布置见图10。

图11为全封堵情况下注浆圈和衬砌背后各点水压与进水口压关系曲线。由图11可以看出，随着进水口水压增大，衬砌背后和注浆圈外侧各点水压均增大；各点水压增长规律基本一致，符合静水压力分布规律；全封堵时注浆圈对水压无折减作用。

水压加载到0.07 MPa，保持水压不变，改变隧道排水量，各测点水压与排水量关系曲线见图12。从图12可以看出，盲管排水量增大时，注浆圈外侧测点和衬砌背后测点的水压均减小；排水量越大，减压规律越明显，基本呈直线下降，排水口附近水压降低较明显。

上述研究表明，如果隧道不排水，不论注浆与否，作用在衬砌上的水压都不减小。只有考虑隧道排水时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用；二次衬砌上水压主要受隧道排水量Q2与渗入初期支护的水量Q1的综合影响，与Q2/Q1成反比。因此，要降低衬砌水压又不加大隧道的排水量，对地层进行有效的注浆是唯一的解决措施。同时，应注意注浆材料的耐久性。随着运营时间的增加，隧道结构本身的排水系统存在堵塞的可能性[15]，如果注浆体失效，进入初期支护的水量大增，造成衬砌水压明显增大。

3 高水压岩溶隧道二衬水压计算分析

3.1 概化模型的提出

根据以上分析，可得高水压岩溶隧道二次衬砌水压计算公式

( 3 )

式中：Q1为渗入初期支护水量；Q2为隧道内排水量。

P通过式(2)的排泄基准面法或实测得到。P值是一个变化的值，在后期的运营中随着降雨情况及泄水洞排泄是否通畅等变化，在施工期某一阶段测得的值可以作为参考。Q2是设定的隧道内排水量，排水量大，衬砌上的水压就小；排水量小，衬砌上的水压就大。隧道总的排水量(包括泄水洞排放量和洞内出水量)应该与洞顶水环境平衡结合考虑，即允许适度排放降低衬砌水压力，但又不致使泉眼枯竭和疏干漏斗范围内水体大量流失。渗入初期支护水量Q1计算式为[16]

( 4 )

式中：r0为初期支护内径；r1为初期支护外径；rg为注浆圈半径；r2为远场距离，等于H；Q1为渗入初期支护的水量；kr、kg、kl分别为围岩、注浆圈、初期支护的渗透系数。

3.2 二衬水压计算分析

以野三关隧道为例，取地层渗透系数较大的DK124+147～DK126+920段(DK124+602溶腔所在区段)进行分析。根据地质资料，地层渗透系数kr=0.036 m/d≈4×10-5cm/s，将隧道断面等效为圆形，r0=5.6 m，r1=5.9 m，kl=1×10-6cm/s，n=kr/kg，n取1、10、50、100。野三关隧道施工期排水泄压后实测水压0.1 Mpa，泄水洞排水通畅，H=10 m时渗入初期支护的水量与注浆圈半径的关系见图13。

由图13可见，随着注浆半径的增加，隧道渗入初期支护的水量逐渐减小，n越大注浆效果越好，隧道渗入初期支护的水量越小，说明对围岩注浆可以大大减小隧道的渗入初期支护的水量；注浆半径超过14 m(注浆厚度达到8 m)后，隧道渗入初期支护的水量随注浆厚度增加的变化很小，说明注浆圈厚度存在一个合理的区间，目前一般取3～8 m。野三关隧道在DK124+602溶腔段的注浆厚度取8 m，按一般的注浆效果，n取10，渗入初期支护的水量为0.208 96 m3/(m·d)。

图14为H=10 m时二衬水压与隧道排水量的关系。从图14可以看出，隧道内排水量为0时，不论注浆与否，二衬的水压都不会折减，保持初始水压；隧道内进行排水时，衬砌水压随排水量增大而减小，注浆效果越好，排水量下水压折减越明显。DK124+602段实测洞内排水沟流量在0.10～0.15 m3/(m·d)之间，注浆取n=10，二衬水压20～50 kPa，实测最大水压36 kPa，说明本计算模型可以用来预测岩溶隧道二衬水压。

图15为n=10时不同初始水压与排水量的关系曲线。由图15可以看出，随着初始水压的增加，二衬水压急剧增大。以H=80 m为例，若保持洞内水沟的排水量0.2 m3/(m·d)，二衬的水压将达到0.7 MPa。尽管尚未达到抗水压衬砌的设计值，但是衬砌系统长期处于高水压下是很不利的。

3.3 泄水洞排水不畅情况下水压思考

为保证运营的安全，对以上4座高风险岩溶隧道均设置了永久排水洞。从目前的长期水压测试值看，隧道二衬水压较小，最大为抗水压衬砌设计值(1.0 MPa)的13%(马鹿箐隧道DK255+955断面)，现场调研发现排水洞排放通畅，说明可以利用施工阶段实测的初始水压值进行分析。随着运营时间的增长，若出现暴雨期排水洞排水不畅，根据式( 3 )、式( 4 )，出现初始水压P增加，隧道排水量大增，大大影响二衬水压。因此，在运营的过程中，应对排水洞进行定期检查和维护，保证排水通畅。

4 结论

本文通过对宜万铁路4座高风险岩溶隧道长期衬砌水压的监测，结合理论、模型试验和施工实际分析了岩溶隧道二衬水压规律，结论如下：

(1) 各隧道实测衬砌水压总体值不大，最大0.13 MPa，低于1.0 MPa抗水压衬砌设计值。

(2) 断面水压分布受洞内排水效应影响明显，在洞内排水沟渗水量不大的地段，断面水压总体分布与静水压规律一致，仰拱最大；在洞水排水较大地段，边墙水压折减明显。断面水压分布受排水洞位置影响。水压的动态与雨季关系密切。

(3) 岩溶隧道初始水压的确定主要受隧道上、下方的排泄基准面控制，同时与排泄能力和降雨的补给有关。初始水压确定后，二次衬砌上水压与注浆关系密切。如果隧道不排水，不论注浆与否，作用在衬砌上的水压都不减小。只有考虑隧道排水时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用。

(4) 二衬水压受隧道排水量Q2和渗入初期支护的水量Q1的综合影响，与Q2/Q1成反比。通过现场实测分析，提出的水压计算方法用于分析岩溶隧道二衬水压是可行的。

(5) 排水洞排水通畅对二衬水压影响较大。在运营的过程中，应对排水洞进行定期的检查和维护，保证其排水通畅。

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