地鐵隧道穿越城市山嶺水壓力取值探討

康立鵬

（深圳市市政設計研究院有限公司）

城市地下軌道交通區間隧道一般為淺埋隧道，地下水壓力相對較小，隨著近年來地下軌道交通的新線建設越來越多，更多的出現地鐵隧道下穿城市山嶺，此時地下水壓力較高，如何確定作用隧道襯砌上的水壓力取值，成了襯砌結構設計的關鍵問題，目前國內外有較多學者進行了相關研究。

蔣雅君[1]通過建立隧道排水體系的串聯模型，指出隧道排水能力取決于排水體系中滲透系數最小的排水部件，應通過測試每個排水部件的排水能力來確定整個隧道排水體系的排水能力；通過塑料排水板通水量試驗表明襯砌外水壓力受襯砌排水能力與入滲水量之間的關系影響，且整個排水系統存在一個最優的工作平衡點。張進[2]通過有限差分軟件FLAC3D建立了具有襯砌背后排水系統的三維有限元模型，計算結果表明設置襯砌背后排水系統時，拱頂、拱肩的水壓力應折減更多；排水系統的排水量越大，襯砌背后的水壓力折減系數越小；排水系統在隧道運營是否能保持通暢，對水壓力折減系數具有控制作用。李治國[3]通過分析既有隧道防排水存在的問題，研究復合式襯砌中由襯砌周邊圍巖、復合防水層、襯砌防水鋼筋混凝土的整體防水能力，認為隧道排水量及襯砌背后水壓力應控制在一定的范圍內，在隧道排水的同時，可以通過圍巖注漿止水降低圍巖滲透系數，在排水管出口安裝閥門進行限量排放。肖明清[4]通過研究襯砌背后防排水系統的三維空間效應，分析了隧道水壓力的縱向分布特征及水壓力控制方法。上述研究主要針對隧道襯砌、襯砌背后防排水系統、圍巖滲透特性分析隧道水壓力折減系數，沒有綜合考慮隧道水頭高度的取值，本文在綜合考慮隧道水頭高度取值的情況下，對地鐵隧道穿越城市山嶺的水壓力取值進行探討。

1 勘探鉆孔的缺陷

地鐵隧道下穿城市山嶺設計階段，主要通過地質鉆孔對城市山嶺的水文地質情況進行勘探，并輔以工程物探措施，地質鉆孔平均距離約為50m[5]，較大的鉆孔距離并不足以反映隧道穿越段山嶺的水文地質情況，如圖1、圖2 所示，圖中將山體中具備強透水能力的斷裂、裂隙統稱為透水帶，當地質鉆孔剛好位于不同的透水帶中間時，勘探資料并不能反映山體中具有強透水能力的透水帶情況，若完全以勘察資料中地質鉆孔反映的水文地質條件進行隧道襯砌結構與防排水設計，襯砌背后水壓力可能取值過小，導致工程事故。

圖1 隧道縱向鉆孔示意圖

圖2 隧道橫向鉆孔示意圖

實際當隧道穿越山體時，即使穿越處透水帶范圍很小，在隧道開挖階段滲水量較小，若隧道采用全包排水措施，不能及時將透水帶中的積水從襯砌背后排出，隨著襯砌背后積水越來越多，水頭越來越高，同樣將產生較大的水壓力[6]。

2 山頂下水頭高度取值探討

由于工程地質勘探并不能完全反映隧道穿越山嶺時的水文地質情況，因此山體內透水帶的分布情況存在各種可能性，各種不同分布形式將對隧道穿越山嶺時的水頭高度存在較大影響。本章節在對水壓力進行分析時，不考慮由于地質構造原因產生的巖體內部壓力水頭。

2.1 山體巖石完整

當山嶺內的山體巖石完整，不存在透水帶時，隧道縱向地質示意圖如圖3 所示，由于巖石非常完整，完全不具備透水能力，整個隧道開挖完成后位于無水區，穿越山頂處的隧道拱頂水頭高度可以取0。

圖3 巖石完整時隧道縱向地質示意圖

2.2 山體巖石不完整

當山嶺內的山體巖石不完整時，山體內的透水帶分布情況同樣存在各種可能性，將對隧道穿越山嶺時的水頭高度存在較大影響，如圖4 所示，當透水帶幾乎垂直時，襯砌拱頂水頭高度應取山頂至隧道頂部的距離h1為水頭高度，當透水帶為傾斜時，襯砌拱頂水頭高度應取透水帶頂部至隧道頂部的垂直距離h2為水頭高度。

綜合上述，由于山嶺內巖石透水帶分布的復雜性，地質鉆孔不能完全反映出隧道襯砌與外界的水力聯系情況，透水帶的不同分布對山頂下方的隧道拱頂水頭高度取值影響很大，最小可以取0，最大可以取隧道頂至山頂的高度。

圖4 巖石不完整時隧道縱向地質示意圖

3 山谷、山腳水頭高度取值探討

3.1 山體巖石完整

當山谷處巖石完整，不存在透水帶時，隧道縱向地質示意圖如圖5 所示，由于巖石非常完整，完全不具備透水能力，整個隧道開挖完成后位于無水區，穿越山谷處隧道拱頂水頭高度可以取0。

圖5 巖石完整時隧道縱向地質示意圖

3.2 山體巖石不完整

當山谷處巖石不完整時，山體內的透水帶分布情況存在各種可能性，將對隧道穿越山谷時的水頭高度存在較大影響，如圖6 所示，當透水帶幾乎垂直時，襯砌拱頂水頭高度應取山谷至隧道頂部的距離h3為水頭高度，當透水帶為傾斜并聯通山頂時，襯砌拱頂水頭高度應取山頂至隧道頂部的垂直距離h4為水頭高度。

圖6 巖石不完整時隧道縱向地質示意圖

由于山嶺內巖石透水帶分布的復雜性，地質鉆孔不能完全反映隧道襯砌與外界的水力聯系情況，透水帶的不同分布對山谷下方的隧道拱頂水頭高度取值影響很大，最小可以取0，最大可以取隧道頂至山頂的高度。

4 隧道防排水系統與水頭折減系數關系

根據文獻[7-8]可知，隧道水壓力折減系數計算公式如下：

式中，

r1——襯砌外徑；

r0——襯砌內徑；

k1——襯砌滲透系數；

kr——圍巖滲透系數；

H——水頭高度。

從上述公式可知，隧道水壓力折減系數主要跟襯砌滲透系數與圍巖滲透系數的比值有關，當隧道為排水型隧道時，可以根據襯砌滲透系數與圍巖滲透系數的比值對水壓力進行折減，當隧道為全包防水，不允許排水時，水壓力折減系數為1。

對于地鐵隧道，當采用礦山法開挖時，若襯砌背后設置由環向透水管、縱向透水管、橫向透水管構成的排水系統，且能保證運營階段排水系統通暢時[2]，可對襯砌背后水壓力進行折減，若襯砌背后無排水系統，并設置全包防水層，不可對水壓力進行折減。當采用盾構法施工時，由于目前盾構管片均不具備設置襯砌背后排水系統的條件，因此不可對水壓力進行折減。

5 地鐵隧道穿越城市山嶺水壓力取值建議

地鐵隧道穿越城市山嶺時，山嶺內巖體的斷裂、裂隙分布不可能做到完全掌握，根據第2、3 節對于巖體內透水帶分布的各種情況的論述，且城市山嶺一般規模不大，海拔不高，建議對穿越城市山嶺的隧道水壓力進行保守取值。綜合第4 節隧道水壓力折減系數，對于地鐵隧道穿越城市山嶺的水壓力取值建議如下：

⑴地鐵隧道穿越城市山嶺時建議取山頂標高作為設計水位標高。

⑵當隧道采用礦山法施工，且具有可靠的排水系統時，可參照文獻[9]對水壓力進行折減，其它情況不得對水壓力進行折減。

圖7 深圳某區間隧道縱斷面

6 工程實例

深圳地鐵某區間隧道先后下穿城市山嶺小南山、大南山，隧道采用礦山法施工，下穿小南山處隧道最大覆土約50m，下穿大南山處隧道最大覆土約90m，縱斷面見圖7，礦山法隧道襯砌背后設置環向、縱向、橫向排水管構成排水型隧道，隧道結構設計中，下穿小南山段水頭高度取50m，下穿大南山段水頭高度取90m，水壓力折減系數參照文獻[9]取0.8 進行折減進行結構計算，目前該隧道已開通運營，且襯砌結構狀態良好。

7 總結

⑴對地鐵區間隧道穿越城市山嶺的水頭高度取值進行探討分析，由于山體內透水帶的分布規律無法完全掌握，建議對水頭高度進行保守取值，將山頂標高作為設計水位標高。

⑵根據既有文獻對水壓力折減系數的探討，結合地鐵區間隧道特征，建議僅對地鐵隧道采用礦山法施工，且襯砌背后具有可靠的排水系統時進行水壓力折減。

⑶將上述分析應用于深圳地鐵某區間礦山法隧道，目前該區間隧道結構狀態良好。