隧道排水土工織物抗淤堵性能模型試驗研究

周 旋， 李鵬飛， 肖明清， 張頂立， 龔彥峰

(1. 北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063；3. 北京交通大學川藏鐵路研究院， 北京 100044)

0 引言

土工織物作為一種新型的土工合成材料，已經被廣泛地應用于隧道工程。作為隧道防排水系統的“反濾層”，土工織物的主要功能是抑制土體大量流失并滿足隧道排水要求，同時保護防水板及其背后的隧道排水盲管。然而，在地下水的作用下，土工織物的內部和表面會發生淤堵現象，使得土工織物有效透水孔徑減小，整體的排水性能下降，襯砌外側水壓力增大，可能導致隧道發生滲漏水病害，致使隧道的穩定性和安全性下降[1-4]。在實際隧道建設中，土工織物通常鋪設在隧道二次襯砌的外側，屬于隧道中的“隱性工程”，若土工織物發生淤堵，運營人員無法及時對其進行疏通清理。因此，富水隧道土工織物的淤堵問題成為了隧道長期運營的一個關鍵難題。

現有的《土工合成材料測試規程》[5]針對土工織物的淤堵問題，采用了滲流梯度比試驗進行測定，并規定梯度比GR<3作為土工織物能滿足“反濾層”的標準。國內外學者針對不同影響因素開展了大量的淤堵試驗研究[6-11]，結果表明： 當土體黏粒含量越大、黏性土密度越大、土工織物孔徑越小、水力梯度越大、試驗梯度比越大時，土工織物越容易發生淤堵且淤堵程度越嚴重。其中，黏粒含量和土工織物孔徑對土工織物淤堵過程的影響較大。文獻[12]在現有的淤堵試驗儀上增加了密封系統并減小了測壓管距離，進行梯度比試驗后發現采用真空抽氣使得土體飽和效果較好，現有的梯度比標準(GR<3)在一定程度上不能準確地反映土工織物的淤堵情況。文獻[13]自主研制了多功能滲透試驗裝置并進行了淤堵試驗，結果表明有紡土工織物對土體滲流具有一定的抑制作用。文獻[14-17]研究了單向拉伸作用對土工織物反濾性能的影響，試驗發現單向拉伸會使有紡織物的等效孔徑增大，透水性和防淤堵性能增強，保土性能減弱，而無紡布則相反； 單向拉伸對同種土工織物的影響隨著厚度的增大而增加。文獻[18]對雙向拉伸后的土工織物進行了循環水流梯度比試驗，結果表明： 隨著循環水流周期的減小，土體內部的土顆粒流失會逐漸增大； 雙向拉伸強度的增加會使土工織物滲透性能增強，保土性降低。

綜上所述，目前的研究主要是利用規范中的土工織物淤堵試驗儀或改進后的試驗裝置進行梯度比試驗，分析土體、土工織物和水力條件等因素對土工織物滲透性能、抗淤堵性能和保土性能的影響，沒有結合實際礦山法隧道防排水結構特點進行研究。本文通過結合礦山法隧道拱形斷面結構和環向排水管間接布置等特點，設計土工織物淤堵室內試驗裝置，研究土工織物類型、土工織物層數和淤堵類型對隧道斷面不同位置處土工織物淤堵規律的影響。

1 試驗基本情況

1.1 試驗裝置

隧道土工織物淤堵規律試驗裝置主要由模型箱和供水系統2部分組成，如圖 1所示。模型箱尺寸為2 m×1.5 m×1 m(長×寬×高)，用于盛裝試驗材料(物理淤堵下模型箱內部截面布置如圖 2所示，化學淤堵無填土層)； 模型箱底部兩側設置了高1 m的鋼支撐架，鋼支撐架底部4個角部裝有滾輪，便于移動試驗裝置； 模型箱外側布設1道箍圈，對模型箱進行加固處理，防止模型箱過度變形； 模型箱底側中央內嵌半徑為0.5 m的半圓形鋼板，模擬隧道的上半拱形結構； 半圓形鋼板上沿縱向設置4排泄水孔，相鄰2排的間距為25 cm，每個橫截面設置5個泄水孔，分別設置在隧道橫截面30°、60°、90°、120°、150°處(分別對應圖2中的拱腰1、拱肩1、拱頂、拱肩2、拱腰2)，模擬隧道環向排水管的間隔排水功能。

(a) 試驗裝置模型圖(單位： m)

圖2 模型箱正視圖(單位： m)

供水系統包括集水箱、分水器和進水口。集水箱尺寸為3 m×1 m×0.9 m(長×寬×高)，四周由5 mm厚的鋼板焊接而成，用于盛裝試驗溶液； 集水箱內側底部設置變壓水泵，負責將試驗溶液輸送至分水器中； 分水器與模型箱各進水口通過軟管相連，將試驗溶液運輸至模型箱內指定位置； 模型箱內的溶液通過泄水孔排出，再沿模型箱外側底部邊槽流回集水箱。水流循環如圖3所示。

圖3 水流循環

1.2 試驗材料

本試驗包含土工織物物理淤堵試驗和化學淤堵試驗，選取的2種土工織物來自北京某隧道施工工地，樣品如圖4所示。2種土工織物的物理力學參數見表1。

(a) 滌綸短絲

表1 試驗土工織物的物理力學參數

1.2.1 物理淤堵

物理淤堵是指土顆粒在地下水的作用下積聚在土工織物表面及其內部，造成土工織物滲透性能下降的現象。本試驗的填土材料取自北京某地鐵施工工地，其物理參數見表2。通過顆粒級配試驗測定該砂土屬于粉砂，含有0.075 mm以下的顆粒質量比例為15.62%。通過滲透性試驗，測得該砂土的滲透系數為1.1×10-3cm/s。

表2 砂土的物理參數

1.2.2 化學淤堵

化學淤堵是指地下水中的離子生成的化學結晶附著在土工織物的表面和內部，導致土工織物反濾性能下降的現象。經調研發現，富水巖溶隧道化學結晶淤堵物的主要成分為碳酸鈣。故本試驗研究Ca(HCO3)2向CaCO3結晶的轉化過程，其反應化學方程式為

1.3 試驗工況

本試驗主要研究土工織物類型、土工織物層數(厚度)以及淤堵類型等因素對拱形隧道不同位置處土工織物淤堵規律的影響，具體試驗工況如表3所示。

表3 試驗工況

1.4 試驗流程

物理淤堵試驗流程包括裝樣、填土、通水滲流、數據測定等，化學淤堵試驗無填土過程。各步驟的詳細說明如下。

1.4.1 裝樣

根據模型箱尺寸裁剪試驗土工織物，沿模型箱內側底部中央向四周緊密鋪設土工織物，從而避免土工織物內部存在較大氣泡，土工織物的邊緣用防水膠固定，防止溶液從邊緣縫隙處流出影響滲流路徑，如圖 5所示。在試驗箱內側進水口布置濾網，防止顆粒隨溶液回流至試驗箱。

圖5 土工織物鋪設實物圖

1.4.2 填土

對試驗填土進行盛裝、稱重，將其倒入模型箱內并分層進行人工夯實，每層夯實后的高度為10 cm，最終填土高度為60 cm，填土總質量為2 094 kg，最終實際填土密度為1.73 g/cm3。填土過程如圖 6所示。

圖6 填土過程

1.4.3 通水滲流

將試驗裝置各個部分相連，打開水泵讓溶液流入模型箱內部并檢查各部分是否漏水。待水位達到75 cm后打開泄水孔閥門，同時調節水泵轉速讓模型箱內部水位保持穩定。由于地下水滲流初期處于紊流狀態，故待溶液循環滲流2 h后測定試驗數據。

1.4.4 數據測定

待溶液滲流穩定后，每隔3 h測定并記錄各泄水孔的流量，采用量筒(量程為25 mL，精度為1 mL)測量規定時間內(根據流量大小選取測量時間5、10、20 s等)泄水孔處的流量，然后計算單位時間內通過泄水孔的流量。每隔3 h用燒杯采集集水箱內離子溶液50 mL，用試劑(0.1 mol/L氫氧化鈉、鈣紅指示劑、0.1 mol/L 的EDTA溶液等)對鈣離子濃度進行測定，計算離子損失濃度并配置相應的溶液進行補充。

滲流淤堵時間初定為36 h。試驗結束后，關閉水泵開關，打開底部排水口排干模型箱內部溶液，取出土工織物并自然風干，測定并記錄風干后土工織物的單位面積質量。

2 試驗結果及分析

2.1 土工織物類型影響

2.1.1 流量變化

聚酯長絲和滌綸短絲土工織物在化學結晶作用下橫斷面不同位置處的流量變化曲線如圖7所示。由圖可知： 1)在化學淤堵試驗前，聚酯長絲土工織物拱腰、拱肩和拱頂處的單位時間流量均大于滌綸短絲土工織物對應位置處的流量(6.10 mL/s>2.67 mL/s，4.25 mL/s>1.58 mL/s，2.6 mL/s>0.8 mL/s)，說明聚酯長絲土工織物的透水性能強于滌綸短絲土工織物； 2)當溶液滲流36 h后，2種土工織物各位置的流量基本保持穩定，聚酯長絲土工織物拱腰、拱肩和拱頂最終穩定時的單位時間流量也都大于滌綸短絲對應位置處的流量。試驗表明，在化學淤堵前后聚酯長絲土工織物的透水性能優于滌綸短絲。當同一橫斷面各點流量穩定時，拱腰處的流量卻小于拱肩，說明拱腰處的流量減小比例相對較大，該處的淤堵程度最嚴重。因此，在施工現場鋪設土工織物時，可以在隧道底部鋪設聚酯長絲土工織物或者鋪設雙層土工織物，從而提高隧道底部排水系統整體的抗淤堵性能和透水性能。

圖7 化學淤堵流量變化曲線

聚酯長絲土工織物最終的拱腰、拱肩和拱頂各處流量減小比例(流量減小比例為36 h內流量的減小量與對應初始流量的比值)依次為84.26%、72.94%、77.69%； 滌綸短絲土工織物各處依次為86.14%、70.25%、76.25%。在同一水位高度下，聚酯長絲和滌綸短絲土工織物各位置處的流量減小比例相差均保持在3%以內，說明聚酯長絲和滌綸短絲土工織物抵抗化學結晶淤堵的能力基本相同。

聚酯長絲和滌綸短絲土工織物在物理淤堵作用下橫截面不同位置處的流量變化曲線如圖 8所示。在物理淤堵試驗中，聚酯長絲土工織物拱腰、拱肩和拱頂處單位時間流量的最終減小比例依次為45%、20%、10%； 滌綸短絲土工織物依次為40%、17%、13%，說明聚酯長絲和滌綸短絲抗物理淤堵性能基本相同。

圖8 物理淤堵流量變化曲線

由圖8可知，2種土工織物拱腰處流量的減小比例明顯大于拱肩和拱頂處的流量變化。有以下2個原因： 1)拱腰處的流量較大，單位時間通過的土顆粒較多并沉積在拱腰處，導致其土工織物淤堵程度相對較大； 2)拱頂、拱肩處土顆粒在重力和地下水的作用下發生移動并且沉積在拱腰處，導致拱腰處堵塞程度進一步加深。

由圖 7和圖8可知，在化學淤堵和物理淤堵試驗中，各泄水孔的單位時間流量均呈現出先減小后穩定的規律，這是因為堵塞物(化學結晶、土體顆粒)在水流作用下發生移動，沉積在土工織物的表面和內部，沉積在土工織物處的堵塞物同時也受到地下水的沖刷作用。試驗初期，堵塞物的沉積速率強于水流沖刷速率，導致堵塞物不斷沉積，土工織物的有效排水孔徑減小，排水性能不斷下降； 當沖刷速率和沉積速率達到平衡后，堵塞物不再增加，土工織物的排水性能保持穩定。

2.1.2 結晶程度

化學淤堵試驗后土工織物的實物圖如圖9所示。由圖可知，聚酯長絲和滌綸短絲土工織物在化學淤堵試驗后，表面均聚集沉淀了大量的化學結晶雜質，并且靠近泄水孔處的土工織物淤堵程度更嚴重。綜上所述，建議在隧道環向排水盲管兩端布設微型流量監測計。若監測流量大幅減小，說明該斷面的土工織物發生了淤堵現象，應及時采取疏通措施。

A為2個相鄰泄水孔間空白處的土工織物； B為泄水孔影響范圍內的土工織物。

化學淤堵后土工織物各位置處的單位面積質量如圖10所示。由圖可知，滌綸短絲土工織物拱腰、拱肩和拱頂處的單位面積質量基本都大于聚酯長絲對應位置的單位面積質量。這是由于兩者的生產工藝不同，滌綸短絲內部纖維采用雜亂編織制作工藝，增大了結晶雜質與滌綸短絲之間的附著力，導致滌綸短絲材料更易附著化學結晶等雜質，說明聚酯長絲土工織物的保土性能優于滌綸短絲。對于圍巖等級較低且排水要求較高的隧道，建議使用排水性能和抗化學淤堵性能較好的聚酯長絲土工織物作為隧道“反濾層”材料。

圖10 化學淤堵后土工織物各位置處的單位面積質量

2.2 試驗淤堵類型影響

化學離子和砂土顆粒單獨作用下的聚酯長絲和滌綸短絲土工織物截面處的總流量變化曲線如圖 11所示。由圖可知，無論聚酯長絲土工織物還是滌綸短絲土工織物，化學淤堵試驗前后截面總流量的減小比例約為物理淤堵試驗的3倍，說明2種土工織物受到化學結晶淤堵作用要強于物理土顆粒淤堵作用，有以下2個原因： 1)在物理淤堵試驗中，進入土工織物內部的細土顆粒會隨著土工織物表面淤堵程度的增大而逐漸減?。?而在化學淤堵試驗中，即使土工織物表面發生了淤堵，土工織物內部也可以不斷地生成化學結晶，導致其內部的淤堵程度不斷加深，滲透性能不斷降低。2)由于土層對于地下水流動具有一定的阻礙作用，導致物理淤堵試驗下土工織物同一位置處的單位時間流量較小，土顆粒不易進入土工織物內部造成淤堵； 在化學淤堵試驗中，土工織物上方無砂土覆蓋，泄水孔處的單位時間流量較大，通過的離子量較多，結晶生成速率遠大于沖刷速率，導致土工織物的淤堵程度更嚴重，排水性能減弱。

圖11 土工織物截面處的總流量變化曲線

2.3 土工織物層數影響

2.3.1 流量變化

雙層和3層滌綸短絲土工織物在化學淤堵作用下的流量變化曲線如圖12所示?？梢钥闯?，3層滌綸短絲土工織物拱腰、拱肩和拱頂處的單位時間流量在化學淤堵前后各位置流量規律都表現為拱腰>拱肩>拱頂，說明在同一水位下，隨著水頭高度的增加，其單位時間內流量越大。

圖12 多層滌綸短絲土工織物化學淤堵作用下的流量變化曲線

單層、雙層、3層滌綸短絲土工織物在化學淤堵作用下橫截面總流量隨時間的變化曲線如圖13所示?？梢钥闯?，在化學淤堵試驗前后土工織物的單位時間流量始終為3層>雙層>單層，說明隨著土工織物層數的增加，土工織物的整體排水性能更強，筆者認為這是因為地下水在土工織物內的滲透為體積滲透而不是單純的平面滲透，隨著土工織物厚度的增加，其滲透體積也隨之增加，系統整體的透水性能越好。試驗前后雙層土工織物總流量約為單層的4倍，3層約為單層的5倍，隨著土工織物層數的增加，整體滲透性能提升的幅度越來越小。

圖13 多層滌綸短絲土工織物在化學淤堵作用下橫截面流量隨時間的變化曲線

試驗前后3層、雙層和單層土工織物的流量減小比例為33%、49%、79%，說明隨著土工織物層數的增加，其整體的抗化學淤堵性能增加，因為隨著土工織物厚度的增加，其透水體積越大，過濾層內部所能容納的結晶沉淀就越多，整體的抗化學淤堵性能就越好。對于富水巖溶隧道，當單層土工織物不能滿足隧道排水要求時，可考慮鋪設多層土工織物來滿足隧道的排水要求。

2.3.2 結晶程度

化學淤堵后滌綸短絲土工織物的表面結晶情況如圖14所示?？梢钥闯觯词逛佋O多層土工織物作為“反濾層”，每層土工織物表面均附著了一些雜質，都發生了一定程度的淤堵，其中靠近頂層的土工織物結晶覆蓋面積更大。在同一層中，越靠近泄水孔的位置，其表面結晶程度越強，淤堵程度越嚴重。

(a) 雙層

化學淤堵試驗后土工織物各位置的單位面積質量如圖15所示?？梢钥闯?，試驗后各層土工織物的單位面積質量均大于初始值，說明各個位置處的土工織物均發生了一定的化學淤堵。

(a) 雙層

無論是在雙層還是3層土工織物中，頂層土工織物泄水孔處土工織物的單位面積質量均大于相鄰泄水孔同一縱向處的土工織物，其中雙層約為1.3倍，3層約為1.1倍。這是因為泄水孔作為本試驗中唯一的排水通道，大量的結晶雜質隨著水流匯流并附著在泄水孔上方土工織物處，導致泄水孔上方的淤堵程度更為嚴重。因此，在礦山法防排水體系中，為了緩解環向排水管上方土工織物的淤堵程度，可以考慮在環向土工織物上方的一定范圍內布設抗淤堵性能較好的聚酯長絲土工織物或設置雙層土工織物，從而保證排水系統的長期運營。

3 結論與建議

本文結合隧道拱形斷面形式和環向排水管間隔布置等特點，設計了室內模型試驗，重點分析了土工織物的類型、層數和淤堵類型等對隧道不同位置處土工織物淤堵規律的影響。主要結論如下：

1)對于同一隧道斷面，隨著水頭高度的增加，其所受的水壓力和單位時間內的流量逐漸增大。隧道拱腰處的土工織物淤堵程度最嚴重。在實際工程中，建議重點監測隧道底部土工織物的淤堵情況。

2)由于化學結晶能夠在土工織物內部生成，土工織物受化學淤堵的影響程度比物理淤堵更大。淤堵試驗表明，聚酯長絲土工織物的抗化學淤堵、抗物理淤堵能力與滌綸短絲基本相同，但是聚酯長絲的透水性能和保土性能優于滌綸短絲。對于富水溶巖隧道，可考慮使用聚酯長絲土工織物作為隧道“反濾層”，進而滿足隧道長期運營時的排水要求。

3)對于多層土工織物，頂層土工織物的淤堵程度最嚴重；隨著土工織物層數的增加，其整體的透水性能和抗化學淤堵性能增強，提升幅度逐漸減小。當單層土工織物不能滿足隧道排水要求時，可以考慮使用多層土工織物作為隧道排水系統的“反濾層”。位于隧道環向排水管周圍的土工織物的淤堵程度較嚴重，在鋪設隧道土工織物時，建議在環向排水管周圍更換布置排水性能和抗淤堵性能較好的土工織物。

本試驗探究了靜水頭下土工織物的淤堵規律，可以進一步研究變水頭和物理化學耦合作用下土工織物的淤堵規律，并結合實際隧道工程監測數據加以論證。