富水砂卵石地層盾構襯砌水壓力計算方法

吳建軍++聶華

摘 要：針對隧道襯砌結構水荷載問題，通過理論分析、模型試驗研究作用在富水砂卵石地層盾構襯砌的外水荷載大小。結果表明：（1）全封堵情況下，襯砌背后最終水壓為初始水頭水壓，水荷載不宜折減；（2）在全封閉時，注漿圈不能起承載圈作用；在排水時，注漿圈可起承載圈作用；注漿層承受水壓的大小與注漿圈滲透系、排水量等有關。

關鍵詞：砂卵石地層；盾構襯砌；水壓力；注漿圈

中圖分類號：O319.56 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0105-02

1 引言

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，當圍巖中砂卵石越多、粒徑越大時，再加上地下水的作用，砂卵石地層盾構襯砌受力更為復雜[4]。地下水問題也因此成為困擾國內外砂卵石地層盾構隧道施工與設計的主要難題之一。在城市地鐵地下水問題方面，國內對地鐵管片襯砌結構的水荷載計算問題的研究文獻比較少見，尤其是富水砂卵石地層盾構襯砌水壓力計算問題，這主要是因為以往大部分鐵路隧道、城市地鐵的設計規范對地下水采取“以排為主”設計原則，而對地下水的處理是往往是通過對圍巖降級來考慮的[1、2、3]。

城市地鐵在富水砂卵石地層施工地下水環境保護成都地鐵隧道設計面臨的新課題，存在如下疑問：

（1）對于全堵方式，應不應該考慮折減系數；（2）采用注漿加固圈后，能否減小作用在襯砌上的水壓力；（3）對采取排導方式，襯砌上是否可以完全不考慮水壓力。

2 地下水滲流計算模型

富水砂卵石地層盾構襯砌水壓力計算主要分為：（1）在管片襯砌周圍地層進行注漿防水；（2）在管片襯砌周圍地層沒有進行注漿防水。

2.1 管片襯砌周圍地層存在注漿圈

當隧道洞周圍巖節理裂隙分布比較均一，裂隙間距大小遠遠小于隧道斷面尺寸，且隧道地下水水位大小遠遠大于隧道斷面尺寸時，根據廣義達西定律和軸對稱原理，當隧道控制排水流量為Q時，根據隧道圍巖地下水滲流模型推導出水荷載作用規律理論公式。同時考慮如下假設因素：

（1）可以假定隧道圍巖（裂隙巖體與注漿堵水圈）為均勻滲透介質，地下水滲流服從達西定律；（2）滲流斷面近似為圓形；（3）盾構襯砌鋪設防水板，考慮盾構襯砌結構封閉阻水，水是從防水板后通過盲管排到排水溝；（4）假定排水流量Q從圍巖周圍均勻滲流而出，。

由廣義達西定律：，其中V-流速，K-滲透系數，J-水力梯度，H-水頭，L-水流長度。可得到在圍巖任意半徑r處水頭Hsr計算公式（1）。

（1）

式中，Ks-圍巖綜合滲透系數。

（2）

式中，r3≤r≤r2。

那么，在圍巖注漿圈外側水頭為

（3）

在圍巖注漿圈中任意半徑r處水頭Hgr公式推導如下：

其中Kg-圍巖注漿圈綜合滲透系數，r2≤r≤r1。

在圍巖注漿圈內側水頭（即管片襯砌水荷載）

（4）

據此分析得出：

（1）控制排水流量Q=0m3/s時，襯砌結構的外水荷載沒有折減；（2）襯砌結構水荷載主要由地下水水頭、控制排水流量、圍巖綜合滲透系數、圍巖注漿圈綜合滲透系數、注漿圈的厚度、隧道斷面尺寸等因素所決定。

2.2 管片襯砌周圍地層不存在注漿圈

假設富水砂卵石地層盾構襯砌是滲水的，則盾構襯砌水壓力計算公式如下：

（5）

地下水排放流量計算公式如下：

（6）

其中，H-穩定初始地下水水頭，kl-襯砌滲透系數，ks-地層滲透系數，r0-圓形襯砌外徑，r1-襯砌的內徑。

若k1=0，則Q=0m3/s、P=H，表示只要全封堵，無任ks為何值，作用在襯砌上的水壓均同初始地下水水頭相當。

3 盾構襯砌水壓力模型試驗

3.1 工程背景

某隧道長約11km，地處屬毛壩向斜富水區，該段預測正常涌水量5.5×104m3/d，最大涌水量8.3×104m3/d。根據不同巖層，圍巖注漿范圍為開挖輪廓線外5～8m，注漿加固圈的綜合滲透系數要求滲流流量小于設計控制排放流量。防排水系統是，在初期支護與二次襯砌之間全環鋪設防水板，兩側墻腳設置MY30縱向盲管、環向設置MF10排水盲溝，考慮1.0MPa水壓力襯砌和防排水系統。

3.2 試驗模型設計思路

以典型富水砂卵石地層盾構隧道為模擬對象，研究探索其地下水活動及壓力傳遞規律。

該隧道襯砌結構形式采用有注漿堵水圈的隧道襯砌結構，襯砌結構上水荷載大小主要由地下水水頭、控制排水流量Q、圍巖綜合滲透系數Ks、圍巖注漿圈綜合滲透系數Kg、注漿圈厚度t、隧道斷面尺寸等影響因素所決定。對于具體的盾構隧道，盾構隧道斷面尺寸、圍巖綜合滲透系數、地下水水頭、注漿圈的厚度等一定時，該類型隧道襯砌結構水荷載P=β×γ×H，（式中β是折減系數，β主要由Kg、Q決定）。

3.3 試驗裝置系統

試驗裝置系統組成如下：

（1）加載設備：水壓加載部分、壓力罐；（2）材料系統：圍巖、注漿堵水圈、防排水、管片襯砌結構；（3）測試系統：精密壓力表、鋼弦式滲壓計、頻率儀、測壓管等。

3.4 相似設計

模型試驗主要是為了測試隧道支護結構體系的水壓和流量。因此，對不注漿圍巖和圍巖注漿堵水圈的模擬，以它們的滲透系數做為綜合指標進行相似模擬。

3.5 試驗結果與分析

（1）管片襯砌周圍地層全封堵時試驗結果與分析。模型試驗主要選取如表1所示的粗砂、中砂及中砂與水泥按不同的體積比拌和的水泥砂漿來模擬不同滲透性的介質，取三組滲透系數有代表性的圍巖模擬巖體介質，測試如圖1所示的襯砌背后水壓隨排水系統封堵時間的上升曲線。

試驗結果表明，選取滲透系數從285×10-4cm/s到1.9×10-4cm/s時的不同介質，從中可以看到，無任何種介質，作用在襯砌結構上的水壓力最終均達到原始水頭相應的量值，無折減可言，所不同的是襯砌壓力形成過程的時間有所不同。

（2）管片襯砌周圍地層全排放時試驗結果與分析。如圖2所示。

為了獲取管片襯砌周圍地層地下水全排放時試驗結果，模型試驗選取了9組不同的滲透系統，在排水系統完全開放時，測得襯砌背后的水壓、注漿圈背后水壓及注漿圈介質情況，以此來繪制如圖3所示的相應曲線。

從圖3結果可知隧道襯砌結構水荷載折減系數、注漿圈背后水壓折減系數均隨滲透系數的增加而呈現遞減趨勢，驗證了隧道襯砌結構背后注漿圈能夠明顯減輕水荷載對盾構襯砌結構內力的影響。此外，不同滲透系數條件下注漿圈背后水壓折減系數同流量比之間呈現線性關系。

4 結語

（1）全封堵情況下，只要圍巖滲水，不論滲透系數多大，襯砌背后最終水壓將初始水頭水壓，水荷載不宜折減；要滿足設計注漿堵水后的總排水量，注漿圈的滲透系數要達到一定小的數量級；（2）在全封閉時，注漿圈不能起承載圈作用；只有在排水時，注漿圈可起承載圈作用；注漿層承受水壓的大小與注漿圈滲透系、排水量等有關。

參考文獻

[1]張雪金.強透水砂卵石地層盾構管片受力特性研究[D].西南交通大學，2016.

[2]鄒育麟.獅子洋水下盾構隧道錯縫式拼裝管片襯砌結構的原型試驗[D].西南交通大學，2010.

[3]周濟民，何川，肖明清，宋洪江.獅子洋水下盾構隧道襯砌結構受力的現場測試與計算分析[J].鐵道學報，2012，34（7）：115-121.

[4]林志斌，李元海，趙耀強，時林坡.地下水對軟土盾構隧道施工的影響規律分析[J].地下空間與工程學報，2012，08（2）：157-163.endprint