無紡布對海底隧道襯砌防水作用的試驗研究

譚忠盛，李 健，卓 越,，張 鵬

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中交第二公路勘察設計院有限公司，武漢 430056；3.中國中鐵隧道集團科研所，河南 洛陽 471009；4.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

1 引 言

暗挖海底隧道分布在海底，水壓高，水源無限穩定補給，不具備自然坡降水條件，使其滲水問題遠比陸地隧道嚴重得多[1－3]。在隧道防水設計中，一般采用復合式襯砌，其防水技術的核心是在復合式襯砌中設置防水層，防水層由防水板及其墊層組成。墊層的主要作用是保護防水板，避免防水板遭尖銳物的刺傷，同時充當噴射混凝土與二次襯砌間的滲水下排通道[3－5]。針對墊層的作用，要求墊層材料具有較好的應力、應變性能、較高的韌性和較好的滲透性，并且耐腐蝕、耐老化，目前工程上常用無紡布作為防水板的墊層[6－7]。無紡布的使用在力學上能緩沖初期支護與防水板之間的作用，在水力上能將滲水引入邊溝，兩者極大地改善了隧道襯砌結構的應力環境。但無紡布如何改變隧道襯砌上水壓力分布及結構應力分布，至今還未有相關研究報道。

本文依托廈門翔安海底隧道，采用可同時考慮水壓力、土壓力共同作用的模型試驗臺架，使用相似材料制作模型，模擬海底隧道的耦合應力場，通過調整排水量及水壓得到襯砌背后水壓分布規律，從而驗證無紡布對隧道襯砌背后水壓力分布規律的影響；通過調整水壓、排水量及土壓得到隧道襯砌結構應力變化規律，從而驗證無紡布對隧道結構變形規律的影響。

2 試驗方案

2.1 工程背景

F1、F2、F3全強風化深槽以及F4全強風化囊是廈門翔安海底隧道設計與施工的關鍵技術問題之一，其中又以 F4全強風化囊最為復雜，該段巖層的圍巖級別為V級，此類全-強風化巖體強度低、自穩能力差。該段海水深約為25 m，隧道拱頂上層覆土厚度約為40 m，為全強風化巖層，地質鉆孔資料顯示，風化巖體碎裂成泥土狀，模型試驗可視為各向同性松散孔隙介質。該段隧道拱頂最大水壓為0.65 MPa。

由于隧道所處地質條件變化大，任何一種防排水方案都不能完全適應環境條件。根據對隧道所處地質條件、水壓、結構耐久性和后期運營抽水費用等的綜合分析，針對不同地層采用不同的結構防排水方案。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖，全-強風化、斷層破碎帶等富水圍巖段，滲水量較大，在此類地段采用全封堵方案，加強圍巖預注漿，控制較大水量進入隧道；但隧道仍設縱向排水管以排出少量的滲漏水，襯砌按全水壓設計。對于地質條件好的Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段，采用限量排放方案，設置包括環向盲管等完整的地下水排導系統。主洞隧道的結構防排水方案如圖1所示。

2.2 相似準則

相似準則是模型試驗相似比尺設計的關鍵，可以利用定律分析法、方程分析法或量綱分析法推導出相似準則[8－9]。本文采用量綱分析法推導模型的相似比，該方法以相似第二定理（π定理）為理論基礎。根據量綱分析法，選擇質量M（kg）、長度L（m）、時間T（s）為基本量綱，取3個獨立的物理量，對于幾何尺寸l、重度γ、滲透系數k的因次系數矩陣如下：

故可取這3個物理量為基本物理量，根據π定理可得各個物理量相似常數計算公式[10－11]。通過相似理論和模型試驗原理的研究，以及原型的工程地質狀況和隧道結構形式，結合模型試驗臺架的幾何尺寸，模型試驗研究中選取的幾何相似常數[6]分別為：αl=38.88，重度αr=1，泊松比αμ=1，彈性模量αE=αrαl=38.88，圍巖滲透系數αk=1。

2.3 相似材料的配制

根據模型試驗臺架的容積，所需的圍巖材料約為5 m3。取得相似材料的原料即砂性黏土后，第1步是對原料進行篩選，去除砂性黏土中的石塊和雜物，確保相似材料的均質與各向同性性；第2步取樣進行圍巖相似材料的土工試驗，測試圍巖的物理力學參數。所有進行的土工試驗項目如表1所示。根據圍巖相似材料的土工試驗項目，對原料取樣進行土工試驗，測得其物理力學參數如表2所示。

根據以上圍巖相似材料的土工試驗成果得到各項物理力學參數，代入相似理論與模型試驗原理的確定的相似準數計算公式（1），圍巖相似材料的選擇非常好的滿足了模型試驗的相似準則。

2.4 試驗裝置

本模型試驗采用北京交通大學自主研發的可同時加載水壓力和圍巖壓力的隧道模型試驗裝置進行試驗。臺架尺寸為260 cm×100 cm×180 cm。豎向4個液壓加載千斤頂，水平方向左右各有2個液壓加載千斤頂，每個最大加載500 kN。同時可在上頂面加0～0.5 MPa的水壓。液壓加載系統與水壓加載系統無干涉。

表1 圍巖相似材料物理力學指標的土工試驗值Table1 Geotechnic test data of surrounding rock similar material physico-mechanical indices

表2 原型與模型材料主要物理力學指標比值Table2 Main physico-mechanical index ratios of prototype and model

圖2 隧道結構與圍巖相互作用模擬試驗系統Fig.2 Simulated test system for interaction of tunnel structure and surrounding rock

2.5 試驗內容

試驗主要測試項目：模型有、無無紡布斷面襯砌背后水壓力、襯砌結構內外側應變，測點布置如圖3所示。應變采用光纖光柵傳感測量系統，水壓采用U型水銀壓力計測量，如圖4、5所示。

圖3 水壓及應力測點布置圖Fig.3 Layouts of water pressure and stress monitoring points

圖4 光纖光柵采集系統Fig.4 Fiber grating acquisition system

圖5 U型水銀壓力計Fig.5 U-type mercury manometer

2.6 試驗過程

試驗過程如下：（1）采用有機玻璃材料制作隧道結構模型，注漿圈材料為圍巖材料加注水泥、水玻璃溶液，表面設置防水板和無紡布，其中前半個表面不鋪設無紡布，后半個表面鋪設無紡布；（2）排水盲管與排水口的設置，采用塑料細管制作縱向盲管，外表壁設置大量透水口，外由紗布包扎，防止砂土流入引起阻塞，在兩側各設置6處排水口；（3）安裝光纖光柵應變傳感器；（4）安裝模型外防排水系統；（5）在臺架內安裝隧道模型、回填巖土體及埋設水壓測試點；（6）施加水壓至穩定狀態，當測排水量時前半部分兩側各3個共6個匯入一個水龍頭內、后半部分兩側各3個共6個排水口匯入另一個水龍頭內，且通過調整盡量使兩個龍頭的流速相同；（7）調試不同排水量待試驗水壓穩定后得出前、后兩斷面水壓分布規律；（8）調試不同水壓待試驗水壓穩定后得出全封堵時前、后兩斷面水壓分布規律；（9）分別對只加土荷載、施加同一水壓條件不同排水量下、以及水、土壓力共同作用下襯砌模型的表面應變進行測試與數據采集。

3 試驗結果分析

通過模型試驗，得到變排水量及變水頭過程中襯砌水壓力的分布規律。

3.1 水壓測試數據分析

3.1.1 變排水量過程中各點水壓變化規律

變排量過程中各點水壓變化情況見圖 6。分別以不鋪設無紡布的測點1及鋪設無紡布的測點7為例，將其水壓變化規律列于圖 7。由試驗結果可以得出以下規律：

圖6 變排水量過程中各點水壓變化規律Fig.6 Laws of water pressure variation of measuring points when water discharge changing

（1）分析圖6、7可發現，當盲管的排水量小于襯砌周圍的水源補給時，各測點的水壓分布規律較好。在鋪設無紡布的情況下，水壓分布的均勻性較不鋪設無紡布情況下好、集中，且圖6(b)中鋪設了無紡布的相應各測點的水壓都比不鋪設無紡布的各測點的水壓值小；無紡布起到了很好的集水、附水的作用，使襯砌周圍的水壓分布更為均勻。

（2）分析圖6發現，排水伊始由于襯砌四周的水量充足，各測點的水壓下降得較為緩慢，上圖中的水壓曲線的斜率較小；當排水量變化到 4 mL/s時，由于排水通暢，各測點水壓下降較快，水壓曲線斜率較大；然而當排水量達到7 mL/s時，各測點的水壓又下降得較為緩慢，水壓曲線斜率較小。

（3）在排水量為0的全封堵狀態，測點1、2、3位置較高水壓較小，測點4、5、6位置較低，水壓較大。隨著盲管排水的開始，測點4、5、6因離排水口較近，故其水壓降低迅速；而測點 1、2、3位置較高、離排水口較遠，故對降壓反應較為遲鈍。從圖 6(a)中可以明顯地看出，當排水量在 1.5～3 mL/s時，測點1、2、3的水壓和測點4、5、6的水壓有一個交叉段。最終，測點4、5、6的水壓接近0，測點1的水壓降低到全封堵狀態時的13.9%，2測點的水壓降低到全封堵狀態時的5%，測點3的水壓降低到全封堵狀態時的7%。

3.1.2 變水頭過程中各點水壓變化規律

變水頭過程中各點水壓變化情況見圖 8。由試驗結果可以得出以下規律：

（1）在水頭的變化過程中，圖8中各測點的水壓值基本上與水頭的變化成線性增加關系。圖8(a)中不鋪設無紡布的各測點的水壓較為分散，位置較低的點如4、5、6其水壓值明顯大于位置較高的點1、2、3的水壓值；圖 8(b)中鋪設了無紡布的各測點的水壓值較為集中，離散性較小，進一步說明了無紡布的匯水、附水能力。

（2）隨著水頭的變大，各點的水壓均逐漸變大，可以看出，當水頭大到一定程度時，水壓變化呈現加速趨勢。在水頭的變化過程中，同一位置測點，鋪設了無紡布的水壓值均較不鋪設無紡布的水壓值為大。位置較高的點1、2、3與7、8、9其水壓值差異較為明顯；位置較低的點4、5、6與10、11、12其水壓值差異較小（測點分布見圖2）。

3.2 結構變形數據分析

分別對只加土荷載、施加同一水壓條件不同排水量下以及水、土壓共同作用下襯砌模型的表面應變進行了測試與數據采集。全封堵條件下，根據相似條件，測試外水壓分別為32、40、50 kPa時模型結構應變；變排水量條件下，測試水壓50 kPa下，排水量（半個斷面的）的變化范圍為0～11.75 mL/s時模型結構應變。由于篇幅所限，本文只給出幾個典型的關系曲線。

3.2.1 變水頭過程中襯砌各點應變規律

圖9、10分別為32、50 kPa水荷載作用下的襯砌結構應變。從試驗結果可以得出以下規律：在全封堵條件下，隨著水頭的變大，襯砌結構的內、外圈應變基本成線性增長，且有無無紡布其變形規律基本一致；鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變較不鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變小。

3.2.2 變排水量過程中襯砌各點應變規律

當水荷載為50 kPa，排水量為1.46、117.5 mL/s時，襯砌結構應變圖見圖11、12。當水荷載為50 kPa，土荷載為26 kN時，襯砌結構應變見圖13。從試驗結果可以得出以下規律：在變排水量過程中，鋪設無紡布的后斷面比不鋪設無紡布的前斷面對排水量的變化更為敏感，同時鋪設無紡布斷面測襯砌應變較不鋪設無紡布斷面小。

圖9 32 kPa水荷載作用下襯砌結構應變(單位：10-6)Fig.9 Strains of lining at condition of 32 kPa water pressure (unit: 10-6)

圖10 50 kPa水荷載作用下襯砌結構應變(單位：10-6)Fig.10 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure (unit: 10-6)

圖11 50 kPa水荷載排水量1.46 mL/s作用下襯砌結構應變(單位: 10-6)Fig.11 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 1.46 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

圖12 50 kPa水荷載11.75 mL/s排水量作用下襯砌結構應變 (單位: 10-6)Fig.12 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 11.75 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

圖13 50 kPa水荷載和26 kN土壓荷載作用下襯砌結構應變(單位: 10-6)Fig.13 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 26 kN soil pressure (unit: 10-6)

4 結 論

（1）在變排水量的過程中，在同一位置鋪設無紡布的各測點水壓值均較不鋪設無紡布的各測點水壓值小，說明無紡布起到了很好的集水、附水作用，加強了水在襯砌四周的流動性、相互補給性，使襯砌周圍的水壓分布更為均勻。從襯砌的結構應變也可以看出，隨著排水量的增大，鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變較不鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變減小得快。

（2）在全封堵狀態水頭增大的過程中，鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變較不鋪設無紡布的襯砌結構表面的應變值大，且隨著水頭的增大其變化率也增大，說明了無紡布具有一定的附水能力。

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