深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

张晓华

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

张晓华

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

通过建立深埋山岭隧道的渗流模型，分析外水压力对支护体系的荷载影响，推导出帷幕注浆段衬砌外水压力的计算公式以及隧道内最大涌水量公式，并就理论公式结合工程实际情况展开探讨。同时，对太行山隧道帷幕注浆段外水压力进行现场测试。测试数据表明，由于监测时间较短、测点选择等原因，虽然帷幕注浆段衬砌外水压力较小，但考虑到后期外水压力的增加，为确保隧道运营期安全，需加强高压富水段外水压力持续监测。

铁路隧道；山岭隧道； 帷幕注浆； 外水压力；监测

随着铁路、公路建设的主战场向中西部转移，修建的长大隧道越来越多，最大埋深达几百米，时常会遇到岩溶富水高压地层，部分穿越区的静止水头甚至达到几百米。以往大部分对水压的处理，往往按“无限制排水”将衬砌背后的水全部排走，但这种“无限制排水”浪费大量水资源，甚至会打破隧道所穿越区域的水环境平衡，导致井河干涸，环境恶化。

由于帷幕注浆能对围岩裂隙进行有效填充、提高围岩的自稳能力和强度，实现堵水加固的目的，目前该方法已成为隧道通过富水地层的一项常用措施。在通过环境要求敏感地段时，采用堵水限排的防排水原则已为大家普遍接受[1-4]。对于富水高压地层隧道越来越多采取围岩注浆堵水圈，防排水网络以及抗水压衬砌构成的支护体系[5-8]。本文在借鉴国内外学者对衬砌外水压研究成果的基础上，主要分析讨论山西中南部铁路通道太行山隧道外水压对支护体系的影响。通过理论分析和现场实测，确定符合工程实际的衬砌外水荷载，可为今后类似隧道的设计施工提供借鉴。

1 模型建立与公式推导

为了研究清楚深埋隧道周围水对支护体系的水荷载影响以及衬砌背后的水压问题，必须弄清楚隧道穿越区域水的渗流。为使问题简化，做如下假定：

(1)地下水渗流服从达西定律；

(2)渗流断面为近似圆形；

(3)裂隙岩体、围岩注浆堵水圈为均匀渗透介质；

(4)排水量Q从围岩周围均匀渗流而出。

由于隧道埋深很大，水头H很大，洞径相对于水头H很小，可以近似洞周水压相等，深埋山岭隧道渗流模型如图1所示。

图1 渗流模型图

根据达西渗流定律

(1)

则隧道每延米的渗流量为

(2)

当渗透系数k≠0，有

图1中，r1为衬砌外半径；r2为围岩注浆圈外侧半径；r3为围岩半径；H为围岩表面水头(一般取隧道的静止水头)。

两边取积分，求围岩中任意半径r处的水头Hs

(3)

式中ks——围岩综合渗透系数，m/s。

当r=r2时，求得围岩注浆圈外侧水头

(4)

围岩注浆圈中任意半径r处的水头Hz

(5)

将式(4)代入式(5)，得

(6)

式中kz——围岩注浆圈综合渗透系数，m/s。

当r=r1时，求得衬砌外侧水头为

(7)

由于二衬外铺设防水板，可认为衬砌的渗透系数为0，在没有设置泄水洞等排水设施，隧道全封闭完全不排水时，即流量Q=0时，代入式(7)，发现衬砌外侧水头将达到隧道原始的静止水头，即H1=H。

当隧道无限制完全排水，衬砌背后不留积水，使衬砌背后水压为0时

每延米最大涌水量为

(8)

若不设围岩注浆圈(即r2=r1，kz=ks)

(9)

对于围岩半径r3的取值，各种经验公式取法不一，有学者依据实测数据认为影响半径取2H较为合理[9]。

若r3=2H，式(9)将与《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049—2004)中计算隧道最大涌水量古德曼经验式(B.2.1-1)完全一致[10]。

由于现设计规范对于水压，经常用到水压折减系数β，将式(8)代入式(7)，得

(10)

从式(10)也可以看出排水量Q越大，折减系数将越小，即可折减程度越大。

为便于讨论最大流量问题，将式(8)作适当变形

(11)

从式(11)可以发现Qmax与r2、r3是负相关，与kz、ks、H、r1是正相关。

以上公式的推导是假设围岩体、围岩注浆堵水圈为均匀渗透介质，但由于岩体中裂隙的存在，渗透特性是各向异性，注浆堵水圈也并不均匀，因此，所计算出的流量与实际情况出入较大，所以用上述公式算最大涌水量意义不大。但公式的推导其价值在于：(1)在不设排水系统的情况下，随着时间的推移，衬砌外侧水压将最终达到原始的静止水头，当H很大时，衬砌将因无法承受而破坏，因此排水系统的设置极有必要；(2)衬砌背后的水压与隧道排水量负相关，排水量越大，衬砌背后的水压越小，当隧道排水能力很大，满足最大排水量Qmax的要求时，衬砌背后的水压可为0；(3)衬砌背后水压为0，即按最大排水量排时，帷幕注浆堵水圈的半径r2越大，渗透系数kz越小，排水量Qmax将越小，所以可以通过加强围岩注浆堵水圈来减小排水量。

2 一般性讨论

由施工现场反馈的情况来看，涌水量主要通过裂隙涌出，这也是最大排水量与公式计算结果出入很大的主要原因。分析更为一般的情况，会发现以上3个结论依然适用。

施工前围岩中裂隙分布如图2所示，裂隙中的水头均为原始静止水头H，通过帷幕注浆进行隧道开挖后，其裂隙分布示意如图3所示。如果帷幕注浆效果较好的话，二衬施作前观察隧道洞室，几乎没有渗水现象。但到运营期，随着时间的推移，考虑到注浆堵水圈本身的施工质量、耐久性以及列车通过时振动荷载等各种因素影响，将不可避免地出现相对薄弱的环节，水会沿着帷幕注浆堵水圈的薄弱环节渗入，最终将形成新的裂隙分布，如图4所示。

但裂隙的孔径大小，裂隙分布的范围通常而言都会比未开挖洞室前小很多。其涌水量比未进行帷幕注浆要小，结论(3)依然满足。部分裂隙将发展到二衬背后，此时如果背后排水不畅，将会达到静止水头。大瑶山隧道“底鼓”就是例证，由于没有解决水的渗透问题，孔隙水沿缝隙渗入到围岩与衬砌的界面薄弱处，导致其承受很大水头，最后导致“底鼓”破坏[11]。说明结论(1)依然适用。

图2 施工前裂隙分布示意

图3 施工后裂隙分布示意

图4 运营期裂隙分布示意

3 现场帷幕注浆段衬砌背后水压测试

3.1 地质地貌概况

山西中南部通道太行山隧道位于山西省与河南省交界处，隧道起于山西省长治市平顺县石城镇克昌村，止于河南省安阳市林县姚村镇坟头村。隧道采用双洞单线方案，左线隧道全长18 095 m(DK578+875～ DK596+970)，最大埋深915 m。右线隧道全长18 080 m(DyK578+865～DyK596+945)，最大埋深920 m。隧道穿越太行上中三区河间地块，地形陡峻，洞身深埋，主要围岩为震旦系灰白色石英砂岩、紫红色泥质砂岩及砂质页岩。隧道地处太行山腹背斜西北翼，产状平缓，局部屈服形成宽缓背斜及向斜，褶曲轴部宽张裂隙发育，形成宽张裂隙含水层，含水层深厚，具承压性，补给充分，水量大，水文地质条件复杂。由于隧道埋深较深，形成高压富水段，最大动水压达1 MPa以上，且为稳定水压。

3.2 现场量测

通过帷幕注浆对围岩裂隙进行填充、提高围岩的自稳能力和强度，以达到堵水加固的目的，其中1号斜井山西方向DK585+438～DK585+303、DyK585+434～DyK585+299进行帷幕注浆。二衬背后设置环向和纵向排水盲管，边墙处设置泄水洞，为了研究帷幕注浆段二衬背后水压力状况，左右线各选取1个断面，分别在左拱脚，左拱腰，拱顶，右拱腰，右拱脚的防水板之后安装水压计，在做完二衬的1个月后，2014年2月18日开始监测背后水压，如图5、图6所示。

图5 DYK585+388断面二衬背后水压

图6 DK585+362断面二衬背后水压

通过图5、图6可以看出:(1)帷幕注浆段且设置排水系统的情况下，二衬背后的水压很小，所测得最大水压为DYK585+388断面的右拱腰位置，也只有0.018 MPa，其他大部分测点水压值在0.01 MPa；(2)随着时间的发展，水压均有所增大，但增幅很小。隧道排水能力小于注浆后剩余涌水量时，即产生水压力时需设计抗水压衬砌[12]，对于帷幕注浆段，在做好排水系统下，水压可以折减考虑。

同时，通过监测数据分析可以发现：在完成二衬的1个月后开始的背后水压监测整体上比较小，一方面由于采取了合理的帷幕注浆工艺，达到了堵水效果，外水还没有在衬砌周围汇集；另一方面，可能是监测时间较短，水压力尚未恢复，测点选择不一定是最大外水压力点等原因。因此，不能依据短期的个别监测数据来减弱高压富水隧道衬砌结构。从长期运营安全看，高压富水隧道衬砌既要根据地层和构造情况分析预判水压力的恢复问题，也要考虑排水系统堵塞引起水压力的升高。因此，高压富水段水压力需要持续监测，以保证隧道运营安全。

4 结论

通过理论公式的推导和现场实测，得出结论如下。

(1)隧道全封闭完全不排水的情况下，衬砌背后的水压力最终将达到原始的静止水头，对于深埋隧道，衬砌会因为无法承受巨大水荷载而破坏。因此隧道排水系统的设置是非常必要的。

(2)太行山隧道帷幕注浆后水压监测表明，帷幕注浆有效填补围岩空隙，降低围岩综合渗透系数，使隧道涌水量显著降低，在“限量排放”的防排水设计中起到重要的作用。

(3)实测二衬背后水压力较小，一方面由于采取了合理的帷幕注浆工艺，达到了堵水效果，外水还没有在衬砌周围汇集；另一方面，可能是监测时间较短，水压力尚未恢复，测点选择不一定是最大外水压力点等原因。从长期运营安全考虑，高压富水段外水压力需要持续监测，以保证隧道运营安全。

[1] 王建宇.再谈隧道衬砌水压力[J].现代隧道技术，2003(3):5-10.

[2] 王建宇.隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载[J].铁道建筑技术，2008(2):1-6．

[3] 张俊儒，仇文革.深埋高水位山岭隧道作用于衬砌外表面的水压力计算方法[J].现代隧道技术，2004(6):12-15.

[4] 梅志荣，马士伟，李苍松.高速铁路岩溶隧道突发地质灾害防治技术研究[C]∥铁路客运专线建设技术交流会论文集，2005：629-635.

[5] 赵建宇.中天山隧道高压富水段涌水量探测与连通试验研究[J].铁道标准设计，2013(5):83-86．

[6] 王伟，苗德海.宜万铁路齐岳山隧道F11高压富水断层特征及工程对策[J].铁道标准设计，2010(8):81-86．

[7] 苗德海.宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策[J].铁道标准设计，2007(7):96-99．

[8] 高新强，仇文革.隧道衬砌外水压力计算方法研究现状与进展[J].铁道标准设计，2004(12):84-87.

[9] (日)大岛洋治，等.彭雅雍，译.铁路隧道用水量的实态调查[J].隧道译丛，1989(1)．

[10]中华人民共和国铁道部.TB10049—2004铁路工程水文地质勘察规程[S].北京：中国铁道出版社，2004．

[11]崔京浩，崔岩，陈肇元.地下结构外水压力综述[J].工程力学，1998(增刊):108-124．

[12]张祉道.隧道涌水量及水压计算公式半理论推导及防排水应用建议[J].现代隧道技术，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

中铁十八局集团有限公司科技开发重点课题(课题编号：中铁十八局(科技)字(2012)-kjkf009)

张晓华(1976—)，男，高级工程师，1998年毕业于石家庄铁道学院交通土建工程专业，E-mail:535730411@qq.com。

1004-2954(2015)10-0119-04

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.027