排水對淺埋暗挖隧道圍巖內地下水壓力影響作用

劉 鵬 洪 勇 車效文 周 蓉

(青島理工大學，山東 青島 266011)

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排水對淺埋暗挖隧道圍巖內地下水壓力影響作用

劉 鵬 洪 勇*車效文 周 蓉

(青島理工大學，山東 青島 266011)

以青島地鐵苗同區間隧道為依托，通過現場監測和數值分析，探討了無排水和排水兩種狀況下，隧道圍巖內地下水壓力的變化情況，指出選擇適當的防排結合型隧道不僅減少了地下水壓力對襯砌結構的影響，而且提高了隧道運營期間的安全性。

隧道，圍巖，地下水壓力

在地下水豐富的地區選擇淺埋隧道時，其遭受大量涌水和高水壓的問題日益增多，對隧道周圍地下水的處理方式也變得越來越關鍵。對通過前期進行注漿方式填充圍巖裂隙，進而減少圍巖內地下水達到限排目的的隧道，國內外許多學者進行過大量的研究。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到靜止水頭，此時前期錨噴支護等只能起到堵水的作用，并不能降低地下水壓力。蘇會鋒等[2]提出了兩種外水壓力的概念。實際工程應用中錨噴支護可以提升堵水的能力，但若要減少隧道周圍地下水壓力，襯砌背后必須結合“小排”，才能達到降壓的目的。

1 工程概況

1)地質條件。苗同區間隧道位于青島市嶗山區地鐵M2號線上，施工段全長1 065.808 m。本區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。依據野外鉆探資料，該工程勘察范圍內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。該區間第四系土層不發育，巖石中風化帶和微風化帶，巖體中裂隙較多，賦水性較差，受地表降雨影響明顯，開挖周圍區域地下水受降雨變化較大，應做好基坑的止水、支護工作，并采取有效的排水措施。3)開挖方式。本區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，斷面內輪廓尺寸：5.1 m×5.33 m(寬×高)，單一隧道為馬蹄形斷面、復合襯砌暗挖結構。

2 淺埋暗挖區間隧道防水設置

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

3 地下水壓力監測

隧道襯砌受到地下水的影響比較大，隧道外圍時刻受到水壓力作用以及侵蝕，為了監測防排結合型隧道在不同排水狀態下圍巖中地下水變化情況，本項目采用埋置振弦式滲壓計來獲取數據并分析，測試原理見圖1[4]。

監測斷面共埋設6個振弦式滲壓計，分別在初期錨噴支護結束后布置在拱頂、底部、拱腰和拱腳處，具體位置見圖2(其中③和⑤點設置排水孔和縱向盲管進行排水)。各滲壓計埋置于距隧道表面深度1 m處圍巖內，測量隧道外圍巖內地下水壓力。

監測期間為2015年5月～10月初共5個月，在5月～6月末期間關閉所有的排水設施，在7月初～9月末打開⑤號點(右側拱腳)進行排水。圖3為監測期間內各測點圍巖內水壓力的變化情況。

圖3為地下水壓力監測結果。如圖3所示，在5月～6月末排水措施關閉情況下，各監測點的壓力變化趨勢相似。其中隧道兩側拱腳(③，⑤)處測得的水壓力最大，右側拱腳⑤稍大于左側拱腳③。其次拱底④處水壓力也較大，遠大于拱頂①位置，兩側拱腰(②，⑥)處水壓力大體相似。

在7月～10月初右側拱腳⑤排水裝置打開排水下，在7月1日～7月5日時間內右拱腰⑥、右拱腳⑤和拱底④處水壓迅速下降，其中在右側拱腳處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處水壓力都持續上升且變化趨勢相似，拱腳③達到最大值為0.062 1 MPa，當左拱腳③處于最大值時，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下降，至監測結束時地下水壓力和未排水時地下水壓力近于相同。

因此可以判斷，在未排水狀態下，隧道圍巖內均存在較大的地下水壓力。當在右拱腳⑤處設置排水狀態下，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。而未排水一側的地下水壓力先期持續上升，在到達峰值后再持續下降，降至和未排水狀態下相似的水壓力。這表明在局部設置排水條件下，將造成隧道圍巖內地下水壓力的不同變化。

4 模擬計算分析

為了進一步分析隧道在排水狀態下周圍水壓力狀況，本次采用FLAC3D進行模擬分析。

模擬時將模型上部作為隧道水頭邊界，由于工程區間巖層屬于弱透水，模擬時圍巖滲透系數取值為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，由于采用被動防水措施，在襯砌外圍巖內存在著較大的地下水壓力，以底部和兩側的拱腳為最大。因為屬于淺埋暗挖隧道，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，會對以后運營期的安全性造成潛在威脅。

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

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

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

5 結語

本文通過實際數據監測與模擬分析表明在未排水條件下，青島地鐵苗同區間段隧道的兩側拱腳處圍巖內水壓力最大，設計時要重點加強拱腳處防排水。在隧道拱腳處設置排水條件下，在靠近排水位置處其周圍補位隧道外側圍巖內水壓力比未排水時有明顯的降低。而在距設置排水較遠一側的隧道圍巖內地下水壓力有明顯的增大現象。由此可以看出在設置局部排水時，要充分考慮其他區域地下水變化情況并設置相應的防水設施，以便降低地下水的危害，提高施工和運營期間的安全性。

[1] 張成平，張頂立，王夢恕，等.高水壓富水區隧道限排襯砌注漿圈合理參數研究[J].巖石力學與工程學報，2007(11):2270-2276.

[2] 蘇會鋒，秦忠誠，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] 北京城建設計研究總院有限公司.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研究[D].北京：北京交通大學博士論文，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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