低滲透性地層淺埋隧道防排水控制措施研究

王春梅

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著隧道及地下工程的發展，越來越多的地下結構在施工和使用過程中，時刻都受到地下水的危害。多年來，人們在與地下水長期斗爭中，積累了豐富的經驗，總結出了“防、排、堵、截相結合，因地制宜，綜合治理”的隧道和地下工程防水原則，使隧道和地下工程防排水技術有了較快的發展［1］。地下工程的地質條件十分復雜，在修建過程中不同程度地受到地下水的影響，這就要求設計單位進行合理的防排水設計，選擇合理的結構形式，合理的防排水方法和材料［2］。然而對于以巖石地層為主，地層含水量和滲透系數均較小的淺埋鐵路隧道，如果依然按照規范和傳統的防水模式進行結構設計(結構全外包防水，考慮全水頭壓力)，儼然已經不合時宜。為了充分利用硬巖低滲透性的地質特點，應尋求一種合理的結構形式及防排水方案，從而減小工程量，降低工程造價，達到良好的技術經濟效益。本文針對淺埋鐵路隧道全包排水、半包排水形式以及注漿堵水控制措施進行綜合分析，探討低滲透性巖層淺埋鐵路隧道滲流特點以及防排水控制措施的合理選擇。

1 工程概況

本工程淺埋隧道采用馬蹄形斷面，隧道覆土厚度為9.8～19.6 m。根據工程勘測報告資料初步確定本區間隧道采用2種排水方案，如圖1、圖2所示。圖1為全包排水結構方案，圖2為半包排水結構方案，在隧道斷面兩側墻角對稱布置排水孔。

隧道施工期開挖后，隧道為施作襯砌，隧道外部地下水向隧道內部滲透，在高水頭壓力的作用下會造成滲流量過大，從而影響隧道施工，并對隧道圍巖穩定性造成不利影響。為減小隧道開挖后的滲流量，隧道采用注漿堵水方案，注漿圈厚度 rg分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m，減小圍巖滲透性，從而控制地下水滲流量。

圖1 全包排水結構方案

圖2 半包排水結構方案

2 滲流場計算模型構建

2.1 隧道圍巖滲流模型

數學上處理巖體滲流分析通常有3種模型:等效連續介質滲流模型、不連續面網絡滲流模型、孔隙裂隙混合介質模型3大類［4］。目前工程上比較常用的方法還是采用等效連續介質的方法，因為計算成果比較直觀，而且從工程的角度來說比較實用。對于等效連續介質中，地下水滲流滿足連續性方程，因此在滲流區域內取一無限小的微元體，可得［5-6］

式中，ω為匯流量;ρ為水體密度;n為滲透介質的孔隙率;t為時間。不考慮水與巖體骨架的壓縮性和達西滲透定律，得到穩定滲流的基本微分方程為

式中，H 為水頭分布函數;kx、ky、kz、分別為 x，y，z三個方向的滲透系數。考慮穩定滲流區域Ω內的滲流能量表達式

式中，Γ1為上、下游及滲出面邊界之和;Γ2為不透水邊界、潛流邊界、補給邊界、自由面邊界等之和;n為Γ2的外法向;kn為n向的滲透系數。

2.2 計算模型構建

根據本隧道地質、水文勘察資料，選擇5個典型計算斷面如圖3、表1所示。根據計算斷面，通過FLAC3D有限差分程序建立數值分析模型如圖4所示，模型豎向取50 m［7－8］，橫向取100 m 寬度。隧道圍

相應的邊界條件為:巖滲透系數、隧道上部水頭取值見表1。圍巖滲透系數為Km，注漿加固圈Kg滲透系數，令Rk=Km/Kg值分別為 1、10、50、100、200、400。

圖3 隧道幾何模型(單位:m)

表1 計算工況巖層滲透系數及水頭壓力值

圖4 數值分析模型

根據本淺埋隧道防排水形式，結合公式3模型邊界條件，確定左右邊界為透水邊界條件，下部為不透水邊界條件，上部為自由水面。全包防水邊界為不透水邊界，排水孔為透水邊界。

3 結果分析

為考察2種防排水形式對隧道滲流場特性的影響，給出了本隧道采用2種不同防排水形式在工況3情況下的滲流場計算結果。

3.1 滲流場特性分析

經過數值計算分析，注漿圈厚度3 m，Km/Kg=400工況下2種防排水形式在開挖階段、運營期滲流場分布形態如圖5、圖6所示。

圖5 開挖期隧道水壓力分布(單位:kPa)

隧道在開挖階段未注漿時的水壓力分布如圖7所示，隧道上部水壓力大大減小，在隧道周圍形成了一個降水漏斗。通過預注漿堵水，降低了圍巖的滲透系數，在隧道周圍未形成一個降水漏斗，如圖5所示。當注漿圈厚度增加時，邊界處的孔隙壓力分布也有差異，注漿圈厚度越大，注漿圈滲透系數越小，邊界處的孔隙壓力與初始值越接近。注漿圈對隧道附近滲流場的分布影響較大，而在注漿圈外水頭分布與原地層水頭分布幾乎一樣，注漿圈背后承擔了較大的水頭，水頭在注漿圈內逐漸折減，注漿圈內的水頭分布與注漿圈的滲透系數有關。隨著防水層和二次襯砌的施工完成，地下水通道滲透系數逐漸減小，水壓力會逐漸增大。在隧道運營階段襯砌背后水壓力明顯比隧道施工期間水壓力大，但不會達到地下水水位線的水頭。

圖6 隧道運營期隧道水壓力分布(單位:kPa)

圖7 隧道未注漿堵水開挖期水壓力分布(單位:kPa)

3.2 注漿堵水參數與影響分析

通過計算分析可得，在不同注漿圈厚度以及注漿圈滲透系數的情況下隧道注漿圈排水量如圖8所示。

圖8 運營階段排水量與注漿參數的關系

由隧道排水量與注漿圈參數變化關系分析可知。

(1)隨著隧道所處巖層滲流系數的增大，隧道滲流量明顯增大，隧道所處巖層滲透特性對隧道滲流量影響較明顯，遠場巖層滲透特性對滲流量影響較小。隨著隧道上部水頭增大，隧道滲流量明顯增大，上部水頭對隧道滲流量影響較明顯。

(2)水通過注漿圈滲透進隧道時，隧道排水量隨著注漿圈厚度的增加而明顯減小，不注漿時排水量很大，隨著Km/Kg值的增大，隧道最大排水量逐漸減小。

(3)在堵水效果相同的情況下，注漿圈厚度越小，就要求注漿圈的滲透系數也越小。當Km/Kg≥100且rg≥3 m時，無論是減小注漿圈滲透系數還是增加注漿圈厚度，對減小隧道涌水量的作用效果已不明顯。

(4)采用半包防水結構，運營期隧道滲流量對比全包防水結構有所增加，增加量與隧道襯砌結構的滲透系數具有密切關系。在相同的地質情況、采用同樣的注漿堵水控制措施，半包排水結構滲流量比全包排水結構稍大，在注漿圈滲透系數明顯減小的情況下滲流量差別已不明顯。

3.3 不同防水形式外側水壓力作用系數分析

通過計算分析可得隧道注漿圈外側水壓力作用系數分布圖9所示。

圖9 隧道運營期隧道襯砌外側水壓力分布

由圖7、圖9對比分析可知，當隧道未注漿時，隧道邊墻底部水壓力作用系數較大，為隧道滲水較為嚴重區域，在施工過程中應給予重視。當隧道注漿圈厚度增大，注漿圈系數減小后，隧道注漿圈的阻水能力增加，注漿圈外側水壓力分布區域均勻，并逐漸接近原始水壓力，注漿圈外側水壓力作用系數逐漸接近1。在拱腳處布置排水孔時，拱頂水頭降低較小，墻腳處水頭明顯降低。隧道采用半包防排水形式時，隧道拱底為透水邊界，對比全包排水形式作用在襯砌邊界上的外側水壓力得到了一定程度的釋放。對于半圓拱隧道而言，失穩破壞的關鍵部位在拱腳處，通過在拱腳處布置排水孔及采用半包排水形式可有效降低拱腳處的水荷載。

4 結論

通過對低滲透性巖層隧道不同防排水形式下隧道滲流量及水壓力分布分析可得。

(1)飽和滲流模型應用于地下工程的滲流場計算，只要邊界條件和初始條件確定合理，宏觀結果誤差不會很大。因此，計算地下隧道圍巖水頭場及外側水壓力作用系數以確定襯砌結構水壓力荷載在技術上是可行的。

(2)在低滲透性巖層地鐵隧道采用排水結構是完全可行的。通過在拱腳處布置排水孔時，拱頂水頭降低較小，墻腳處水頭明顯降低，有效降低拱腳處的水荷載。隧道采用半包防水，作用在襯砌邊界上的外側水壓力得到了一定程度的釋放，有利于改善襯砌結構的受力特性。

(3)采用防排結合，通過注漿堵水控制排水量降低襯砌外水壓力，達到減小襯砌厚度，襯砌結構設計優化的目的。在實際施工中需要在注漿的經濟性和堵水性能以及襯砌結構合理性幾個方面進行綜合分析。

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