隧道襯砌結(jié)構(gòu)水作用概述

馬為功

摘 要：隧道工程中經(jīng)常涉及地下水作用，隧道涌水量的計(jì)算以及襯砌上的外水壓力的確定都是重要問題，較準(zhǔn)確地預(yù)測最大涌水量，可以在施工階段和運(yùn)營階段較好的設(shè)置排水設(shè)施，以減小水對隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營功能的破壞。

關(guān)鍵詞：隧道排水；涌水量；滲透系數(shù)

中圖分類號： U448.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-69-2

0 引言

近年來，隨著我國大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特別是對高速鐵路、高速公路的建設(shè)，修建了不少的隧道結(jié)構(gòu)。通常情況下施工中或運(yùn)營后的隧道結(jié)構(gòu)物都是被地下水所包圍的。由于地下水的作用，往往引起隧道襯砌的開裂、滲水，地表的塌陷等一系列的問題，且隧道埋深越深其水位就越高，引起的水壓力也就越大。如何處理地下水是現(xiàn)階段山嶺隧道設(shè)計(jì)施工中決的首要問題。我國隧道建設(shè)者長期以來奉行的都是“以排為主”的理念，但長期的以排為主就會造成破壞原有地下水平衡，引起水位下降，從人發(fā)生地表沉降變形，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。但是如果采取城市地鐵施工的全封堵方案也是行不通的，特別是高水位地區(qū)修建隧道時(shí)，將會使襯砌承受巨大的水壓力，但是也不能一概采取“以排為主”的原則。筆者認(rèn)為山嶺隧道在高水位區(qū)采用堵排結(jié)合，以限排為主的隧道修建措施將會有利于隧道本身的結(jié)構(gòu)安全，又不破壞生態(tài)環(huán)境。

1 隧道涌水情況

一般來說，地下水有深層構(gòu)造裂隙水（存在深層水循環(huán)的情況）和巖溶地下水（突發(fā)性涌水情況），同時(shí)，隧道地區(qū)地下水分為：淺層風(fēng)化裂隙水和下部構(gòu)造裂隙水。前者在40-50m范圍內(nèi)，水交替作用強(qiáng)烈；后者大多在500m以上范圍內(nèi)，交替作用緩慢。深埋隧道的涌水來自后者（包括滲出、滴流、股流及大范圍突水等不同形式），開挖后地下水活動影響范圍盡局限于一定范圍，而不是整個(gè)地下水，實(shí)質(zhì)是深層地下水在起作用。

而關(guān)于隧道涌水量預(yù)測，包括理論解析法、經(jīng)驗(yàn)解析法和水文地質(zhì)數(shù)值模擬法。針對隧道（尤其是特長大埋深隧道） 巖體的水力學(xué)特性，解決好隧道結(jié)構(gòu)在圍巖壓力與水壓力雙重應(yīng)力環(huán)境下的涌水量問題，是目前隧道建設(shè)者需面對的重要課題。其理論解析法在《滲流與應(yīng)力耦合環(huán)境下裂隙圍巖隧道涌水量的預(yù)測研究》（黃濤與楊立中編著）中有較詳細(xì)的介紹。目前大部分隧道建設(shè)都采用經(jīng)驗(yàn)解析法，即通過水力學(xué)理論結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)給出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。下文列舉出的經(jīng)驗(yàn)解析公式主要摘自于《鐵路供水水文地質(zhì)勘測規(guī)范》和《鐵路工程水文地質(zhì)勘測規(guī)范》。（圖1，圖2）

①初始最大涌水量q0。

q0=2πK

經(jīng)驗(yàn)公式：q0=0.0255+1.9224KH

式中，q0——隧道單位長度預(yù)測最大涌水量（m3/d）；

K——隧道圍巖體的滲透系數(shù)（m/d）；

H——初始水位至隧道底的高度（m）；

r0——隧道橫斷面的轉(zhuǎn)換圓半徑（m）；

d——隧道橫斷面的轉(zhuǎn)換圓直徑（m）；

m——相關(guān)系數(shù)，通常取0.86。

②長期涌水量q2

經(jīng)驗(yàn)公式：q2=KH（0.676-0.06K）

式中各符號意義同前[3]（在這里的計(jì)算中，實(shí)際上只有考慮了襯砌和注漿的作用，才在我們的實(shí)際中有現(xiàn)實(shí)意義）。

③遞減涌水量q1

隧道施工初期最大涌水量隨著開挖時(shí)間的延續(xù)及水壓的逐步減小將逐漸減小，自最大涌水量至長期涌水量q2的減小量稱為遞減涌水量q，其計(jì)算采用佐藤邦明公式：

q1=q0-···Kr0

式中：——試驗(yàn)系數(shù)，通常取12.8；

t——從t0至t2遞減時(shí)間（d）；

λ——巖體裂隙率；

B——洞身寬度（不含襯砌）。

2 巖體的滲透系數(shù)

通過計(jì)算公式不難看出，滲流計(jì)算分析中巖體的滲透系數(shù)K正確取用是非常關(guān)鍵的。數(shù)字計(jì)算或模擬試驗(yàn)的精度再高，其參數(shù)選用不當(dāng)也將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差很大，從而使確定的滲流控制方案不適用或過于浪費(fèi)。目前計(jì)算機(jī)的精度很高，但選用參數(shù)的誤差往往在數(shù)量級上，這種計(jì)算中的參數(shù)失調(diào)問題急需解決。巖體的滲透系數(shù)K與圍巖的滲透性與其完整性有密切的關(guān)系，土類的滲透系數(shù)，由粗礫到粘土隨著土粒的減小在很大范圍內(nèi)變化且隨著其緊密度而減小，至于巖石的滲透系數(shù)主要取決于巖體的裂隙及風(fēng)化破碎程度，巖石塊本身的滲透性很小，常在現(xiàn)場用壓水試驗(yàn)來確定，有關(guān)文獻(xiàn)將圍巖的滲透性進(jìn)行了分級，見表1。同時(shí)，圍巖所承受的壓力的大小對滲透系數(shù)也有一定的影響。

得到沿裂隙系統(tǒng)各主方向k值，便可以結(jié)合場的邊界條件求解多孔介質(zhì)的各向異性滲流方程式，在二向穩(wěn)定流問題上，即求解：

（kx）+（kz）=0

上述連續(xù)介質(zhì)計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果基本穩(wěn)定，但如果斷面上有裂隙數(shù)量密集時(shí)應(yīng)按照連續(xù)介質(zhì)考慮，而如果裂隙間距與滲流邊界尺寸相比大于1/50時(shí)應(yīng)按不連續(xù)介質(zhì)考慮等。以上兩種情況下應(yīng)采用的計(jì)算模型是有區(qū)別的。

目前隧道設(shè)計(jì)者主要用現(xiàn)場測試法和裂隙采樣測量法。現(xiàn)場試驗(yàn)法試驗(yàn)準(zhǔn)確度高，成本也較高，包括單孔壓水試驗(yàn)、三段壓水試驗(yàn)、三孔交叉壓水試驗(yàn)等，即根據(jù)野外壓水試驗(yàn)來確定圍巖體滲透系數(shù)；裂隙采樣測量法有測線法和測網(wǎng)法，在李亮輝的碩士論文《裂隙巖體隧道滲流場分析與防排水技術(shù)研究》中有較詳細(xì)的介紹。

3 結(jié)論

總結(jié)性的介紹了隧道所處的水環(huán)境及涌水的概念，并較詳盡說明了涌水量的計(jì)算，綜合上述研究成果可以看出，在涌水量計(jì)算方面還存在不少問題有待進(jìn)一步研究。

①涌水量的計(jì)算目前大都采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，在其精度方面有待于進(jìn)一步的提高。

②通過較準(zhǔn)確的預(yù)測最大涌水量，遞減涌水量，經(jīng)常涌水量，可以在施工階段和運(yùn)營階段較好的設(shè)置排水設(shè)施，以減小水對隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營功能的破壞。

③隧道滲流分析中根據(jù)圍巖裂隙的分布情況需要選用不同的計(jì)算模型，當(dāng)裂隙體密集且其分布縱橫交錯(cuò)的情況，按照連續(xù)介質(zhì)計(jì)算是較為合理的；但隧道中地質(zhì)條件、水文條件都十分復(fù)雜，當(dāng)遇到溶洞、大的裂隙等，還需要用到管道流理論和裂隙流理論，有待于進(jìn)一步研究。

④通過注漿加固圈可以有效減少襯砌上的外水壓力，但各層分擔(dān)水壓力的大小和規(guī)律則需要通過其他方式來驗(yàn)證，同時(shí)在襯砌周圍滲流場或水壓力的分布規(guī)律以及圍巖內(nèi)的滲流場還要進(jìn)一步分析。

⑤裂隙采樣測量法在隧道工程中有較好的實(shí)用性，如何通過該方法更加準(zhǔn)確的確定巖石的滲透系數(shù)可為涌水計(jì)算的重中之重，更是以后研究的重點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集，要點(diǎn)六[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 張有天，張武功，王語.再論隧洞水荷載的靜力計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào)，1985（3）.

[3] 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京：水利水電出版社，2003.

[4] 董國賢.水下公路隧道[M].北京：人民交通出版社，1984.

[5] 關(guān)寶樹，譯.青函隧道土壓研究報(bào)告—第八章隧道襯砌上的壓力[J].隧道譯叢，1980（10）：38-50.

[6] 仵彥卿.巖體裂隙系統(tǒng)滲流場與應(yīng)力場耦合模型[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996（1）：31-34.

[7] 謝興華，盛金昌，速寶玉，等.隧道外水壓力確定的滲流分析方法及排水方案比較[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（增2）：2375-2378.

[8] 陳崇希，劉文波，彭濤.確定隧洞外水壓力的地下水流模型[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005（5）：62-65.

[9] 張學(xué)易，潘玉華.水工建筑物地下結(jié)構(gòu)的外水壓力[Z].“水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范”專題.