排水對(duì)淺埋暗挖隧道圍巖內(nèi)地下水壓力影響作用

劉 鵬 洪 勇 車效文 周 蓉

(青島理工大學(xué)，山東 青島 266011)

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排水對(duì)淺埋暗挖隧道圍巖內(nèi)地下水壓力影響作用

劉 鵬 洪 勇*車效文 周 蓉

(青島理工大學(xué)，山東 青島 266011)

以青島地鐵苗同區(qū)間隧道為依托，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析，探討了無排水和排水兩種狀況下，隧道圍巖內(nèi)地下水壓力的變化情況，指出選擇適當(dāng)?shù)姆琅沤Y(jié)合型隧道不僅減少了地下水壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響，而且提高了隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全性。

隧道，圍巖，地下水壓力

在地下水豐富的地區(qū)選擇淺埋隧道時(shí)，其遭受大量涌水和高水壓的問題日益增多，對(duì)隧道周圍地下水的處理方式也變得越來越關(guān)鍵。對(duì)通過前期進(jìn)行注漿方式填充圍巖裂隙，進(jìn)而減少圍巖內(nèi)地下水達(dá)到限排目的的隧道，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行過大量的研究。張成平等[1]研究指出如果隧道采用“堵水限排”的方式，若襯砌背后的水沒有完全排出的話，襯砌外水壓力將逐漸達(dá)到靜止水頭，此時(shí)前期錨噴支護(hù)等只能起到堵水的作用，并不能降低地下水壓力。蘇會(huì)鋒等[2]提出了兩種外水壓力的概念。實(shí)際工程應(yīng)用中錨噴支護(hù)可以提升堵水的能力，但若要減少隧道周圍地下水壓力，襯砌背后必須結(jié)合“小排”，才能達(dá)到降壓的目的。

1 工程概況

1)地質(zhì)條件。苗同區(qū)間隧道位于青島市嶗山區(qū)地鐵M2號(hào)線上，施工段全長(zhǎng)1 065.808 m。本區(qū)間沿深圳路南北直向，所處地形起伏較大，地面高程約為4.16 m～21.73 m。依據(jù)野外鉆探資料，該工程勘察范圍內(nèi)主要分布有第四系人工填土、沖洪積層和燕山晚期侵入花崗巖基巖以及燕山晚期侵入巖[3]。2)地下水。該區(qū)間第四系土層不發(fā)育，巖石中風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶，巖體中裂隙較多，賦水性較差，受地表降雨影響明顯，開挖周圍區(qū)域地下水受降雨變化較大，應(yīng)做好基坑的止水、支護(hù)工作，并采取有效的排水措施。3)開挖方式。本區(qū)間采用暗挖的施工方式，開挖深度為20.45 m～29.63 m，為單洞單線隧道，斷面內(nèi)輪廓尺寸：5.1 m×5.33 m(寬×高)，單一隧道為馬蹄形斷面、復(fù)合襯砌暗挖結(jié)構(gòu)。

2 淺埋暗挖區(qū)間隧道防水設(shè)置

本暗挖區(qū)間的防水等級(jí)為一級(jí)，一級(jí)防水要求不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無濕漬。在防水方面采用錨噴支護(hù)、鋪貼防水板和二次背后注漿形成復(fù)合式防水，在排水方面采用泄水孔和盲道形式將附近地下水排出。

3 地下水壓力監(jiān)測(cè)

隧道襯砌受到地下水的影響比較大，隧道外圍時(shí)刻受到水壓力作用以及侵蝕，為了監(jiān)測(cè)防排結(jié)合型隧道在不同排水狀態(tài)下圍巖中地下水變化情況，本項(xiàng)目采用埋置振弦式滲壓計(jì)來獲取數(shù)據(jù)并分析，測(cè)試原理見圖1[4]。

監(jiān)測(cè)斷面共埋設(shè)6個(gè)振弦式滲壓計(jì)，分別在初期錨噴支護(hù)結(jié)束后布置在拱頂、底部、拱腰和拱腳處，具體位置見圖2(其中③和⑤點(diǎn)設(shè)置排水孔和縱向盲管進(jìn)行排水)。各滲壓計(jì)埋置于距隧道表面深度1 m處圍巖內(nèi)，測(cè)量隧道外圍巖內(nèi)地下水壓力。

監(jiān)測(cè)期間為2015年5月～10月初共5個(gè)月，在5月～6月末期間關(guān)閉所有的排水設(shè)施，在7月初～9月末打開⑤號(hào)點(diǎn)(右側(cè)拱腳)進(jìn)行排水。圖3為監(jiān)測(cè)期間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)圍巖內(nèi)水壓力的變化情況。

圖3為地下水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果。如圖3所示，在5月～6月末排水措施關(guān)閉情況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化趨勢(shì)相似。其中隧道兩側(cè)拱腳(③，⑤)處測(cè)得的水壓力最大，右側(cè)拱腳⑤稍大于左側(cè)拱腳③。其次拱底④處水壓力也較大，遠(yuǎn)大于拱頂①位置，兩側(cè)拱腰(②，⑥)處水壓力大體相似。

在7月～10月初右側(cè)拱腳⑤排水裝置打開排水下，在7月1日～7月5日時(shí)間內(nèi)右拱腰⑥、右拱腳⑤和拱底④處水壓迅速下降，其中在右側(cè)拱腳處⑤變化最大，由0.035 6 MPa降低至0.002 2 MPa，約降低了10倍，此后水壓趨于穩(wěn)定。從7月初直到8月末這段期間里，拱頂①、左拱腰②和左拱腳③處水壓力都持續(xù)上升且變化趨勢(shì)相似，拱腳③達(dá)到最大值為0.062 1 MPa，當(dāng)左拱腳③處于最大值時(shí)，在右拱腳⑤處地下水壓力僅為0.002 8 MPa，相差0.059 3 MPa。在8月末以后，左拱腰②、左拱腳③和拱頂①地下水壓力開始持續(xù)下降，至監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)地下水壓力和未排水時(shí)地下水壓力近于相同。

因此可以判斷，在未排水狀態(tài)下，隧道圍巖內(nèi)均存在較大的地下水壓力。當(dāng)在右拱腳⑤處設(shè)置排水狀態(tài)下，不僅右拱腳⑤處的水壓力降低，右拱腰⑥和拱底④處的地下水壓力也伴隨一起降低。而未排水一側(cè)的地下水壓力先期持續(xù)上升，在到達(dá)峰值后再持續(xù)下降，降至和未排水狀態(tài)下相似的水壓力。這表明在局部設(shè)置排水條件下，將造成隧道圍巖內(nèi)地下水壓力的不同變化。

4 模擬計(jì)算分析

為了進(jìn)一步分析隧道在排水狀態(tài)下周圍水壓力狀況，本次采用FLAC3D進(jìn)行模擬分析。

模擬時(shí)將模型上部作為隧道水頭邊界，由于工程區(qū)間巖層屬于弱透水，模擬時(shí)圍巖滲透系數(shù)取值為5.0×10-6m/s。隧道半徑為2.5 m，襯砌厚度為1.0 m，施作襯砌后，模擬外部圍巖水壓力，見圖4。

圖4為在各種排水條件下圍巖內(nèi)水壓力模擬圖。

如圖4a)所示，在模擬未排水條件下，由于采用被動(dòng)防水措施，在襯砌外圍巖內(nèi)存在著較大的地下水壓力，以底部和兩側(cè)的拱腳為最大。因?yàn)閷儆跍\埋暗挖隧道，埋深度較小，易受地表降水的影響，隨著埋深度的增加其地下水壓力也越大。襯砌若持久處于高水壓力下，會(huì)對(duì)以后運(yùn)營(yíng)期的安全性造成潛在威脅。

圖4b)為在右側(cè)拱腳處設(shè)置排水后水壓力分布情況。右側(cè)拱腳處匯集的地下水通過泄水孔排放至縱向盲管，使得右側(cè)拱腳處周圍地下水壓力大幅降低，并且在右側(cè)拱腰和拱底處地下水壓力也明顯下降，而左側(cè)拱腳與拱腰一直有較大的地下水壓力。

圖4c)為在左側(cè)拱腳處設(shè)置排水后水壓力分布情況。與右側(cè)拱腳排水類似，其左側(cè)拱腳、拱腰和拱底附近區(qū)域的地下水壓力明顯降低，右側(cè)拱腳和拱腰處均有較大的地下水壓力。

圖4d)為左右兩側(cè)拱腳處進(jìn)行排水下水壓力分布情況。在隧道的兩側(cè)拱腳、拱腰處和拱頂、拱底處的地下水壓力均很小，在隧道周圍區(qū)域地下水壓力也明顯降低。

5 結(jié)語

本文通過實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與模擬分析表明在未排水條件下，青島地鐵苗同區(qū)間段隧道的兩側(cè)拱腳處圍巖內(nèi)水壓力最大，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)加強(qiáng)拱腳處防排水。在隧道拱腳處設(shè)置排水條件下，在靠近排水位置處其周圍補(bǔ)位隧道外側(cè)圍巖內(nèi)水壓力比未排水時(shí)有明顯的降低。而在距設(shè)置排水較遠(yuǎn)一側(cè)的隧道圍巖內(nèi)地下水壓力有明顯的增大現(xiàn)象。由此可以看出在設(shè)置局部排水時(shí)，要充分考慮其他區(qū)域地下水變化情況并設(shè)置相應(yīng)的防水設(shè)施，以便降低地下水的危害，提高施工和運(yùn)營(yíng)期間的安全性。

[1] 張成平，張頂立，王夢(mèng)恕，等.高水壓富水區(qū)隧道限排襯砌注漿圈合理參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007(11):2270-2276.

[2] 蘇會(huì)鋒，秦忠誠(chéng)，席 健.山嶺隧道“控制排水”原則下的圍巖注漿[J].公路，2006(10):219-222.

[3] 北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限公司.青島市軌道交通一期工程可行性研究報(bào)告(青島地鐵M3線)[R].2008.

[4] 郭 家.淺埋水下隧道水壓力分布及防排水技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)博士論文，2012.

Influence of drainage upon groundwater pressure within the shallow-buried tunnel surrounding rock

Liu Peng Hong Yong* Che Xiaowen Zhou Rong

(QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266011,China)

Taking Qingdao subway Miaotong tunnel as the background, through field monitoring and numerical simulation, the paper explores groundwater pressure changing conditions within the surrounding rock with and without drainage, and points out that: selecting suitable drainage-prevention combined tunnel will not only reduce the influence of groundwater pressure upon masonry, but also improve the tunnel safety during the operation period.

tunnel, surrounding rock, groundwater pressure

1009-6825(2016)24-0178-02

2016-06-15

劉 鵬(1990- )，男，在讀碩士

洪 勇

U451.2

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