（道路与铁道工程专业论文）“控制排水”条件下铁路隧道围岩注浆范围及衬砌受力分析.pdf

摘要 摘要 截叠h ，我国绝大部分铁路隧道的防排水主要按“以排为主”进行设计 和旅工，造成了水资源的严重流失，引起了一系列的环境和社会问题。特别是 随着西部大丌发战略的实施，在西部占有很大比重的岩溶富水区修建的隧道问 题更为严重。“以排为主”的无限制排水原则已经不能适应我国经济和社会发展 的需要，从国家环境保护的角度出发，一种新的排水原则一“控制排水”的原 则也就应运而生。然而如何在以“堵”为主的“控制排水”原则下考虑隧道的 外水荷载，如何对隧道的开挖和支护进行考虑外水荷载的设计和施工，现行规 范尚没有这方面的依据。 文中针对隧道地下水涌水的特点提出了着重在断层破碎带和岩溶富水区进 行仝断面帷幕预注浆的方案，这些地方也是造成地下水流失的最突出部位。 文q j 总结和分析了隧道外水荷载的确定方法，可以把外水荷载作为体积力 和面力来进行考虑。作为体积力较符合隧道的实际受力状态，但目前岩体渗流 理沦尚存在一系列须解决的问题，一定程度上限制了此种方法的有效实施；作 为面力虽然有些片面，但也可以从一定程度上解决隧道的外水荷载问题，通过 总结指出了在断层破碎带和岩溶富水区外水荷载折减系数的取值范围为 o 4 - 1 o 。 利用平面弹塑性理论，在考虑不同的外水荷载的情况下，对这些地段的单 线电气化铁路隧道的毛洞稳定性进行了分析，通过判断塑性区的面积和深度得 出了对于埋深2 0 0 m 以内的单线电气化铁路隧道注浆圈取6 8 m 较为合适。 围岩的注浆堵水最为关键，衬砌设置通畅的排水设施同样重要。在考虑衬 砌承受不同的外水荷载的情况下，通过实例，对标准断面的衬砌结构进行了受 力分析，分析表明，只要衬砌背后承受一定的外水压力，衬砌的安全系数就会 迅速f 降，对衬砌受力极为不利，同时指出了在考虑外水荷载的情况下必须加 人仰拱和腰墙位置的断面厚度或配筋率。 关键词：外水荷载，控制排水，全断面帷幕预注浆，注浆堵水圈，结构设计 a b s t m c t a b s t r a c t u pt on o w , t h ed r a i n a g ea n dw a t e r p r o o f s y s t e md e s i g no f m o s tr a i l w a yt u n n e l si n c h i n aw h i c ha r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f c h i e f l yd r a i n a g e h a sl e a dt os e r i o u s l e a k a g eo fw a t e rr e s o u r c e sa n da s e r i e so fp r o b l e m sa b o u te n v i r o n m e n ta n ds o c i e t y e s p e c i a l l ya tt h ez o n et h a th a sa b u n d a n tw a t e ra n dc a r b o n a t er o c ki nw e s tc h i n a i ti s m o r es e r i o u sa st h es t r a t e g yo fw e s t e r ne x p l o i t a t i o ni sb e i n gc a r r i e do u t t h e p r i n c i p l eo fu n l i m i t e dd r a i n a g e i si n a p p r o p r i a t ef o rt h en e e d so fo u rc o u n t r y s e c o n o m ya n ds o c i e t y i nc o n s i d e r a t i o no fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no f0 1 1 1 c o u n t y , a k i n do fn e wp r i n c i p l eo fc o n t r o ld r a i n a g eh a sb e e np u tf o r w a r d h o w e v e r , t h e r ei sn o t h e o r e t i c a lb a s i si nc u r r e n tc r i t e r i o na b o u th o wt od e a lw i t he x t e r n a lw a t e rl o a di n v i e wo ft h ep r i n c i p l eo fc o n t r o ld r a i n a g ew h i c hc h i e f l ya d o p t sb l o c k i n ga n dh o wt o d e s i g np r a c t i s et h ee x c a v a t i n ga n dt h n b e r i n go f t h et u n n e lc o n s i d e r i n ge x t e r n a lw a t e r l o a d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft u n n e l ss u r g e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e p r o j e c to ff u l l f a c ep r e i n j e c t i o nm o s t l yi nt h ea r e ao ff f a c t u r ea n da b u n d a n tw a t e ro f c a r b o n a t er o c k ，w h i c hi sm a i na r e ac a u s i n gw a t e ra n ds o i le r o s i o n t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew a yo fa s c e r t a i n i n gt h ee x t e r n a ll o a db yt a k i n gi ta s b o d yf o r c ea n df a c ef o r c e t a k i n ga si x ) d yf o r c ei sb e t t e ri na c c o r dw i t ht h er e a lf o r c e s i t u a t i o no ft h et m m e l ，b u tt h e r ea l eas e r i e so fp r o b l e m st os o l v ei nr o c ks e e p a g e t h e o r ) 二w h i c hl i m i tt h ee f f e c t i v eu s a g eo f t h i sm e t h o d t os o m ee x t e n t a l t h o u g ht a k i n g a sf a c ef o r c ei so n e s i d e d n e s s ，i tc a na l s os o l v et h ee x t e r n a ll o a dp r o b l e mi ns o m e d e g r e e ，a n di ts u m m a r i z et h ev a l u eo ft h ee x t e r n a ll o a dr a t i ob e t w e e n0 4a n d1 0i n t h ef r a c t u r ea n da b u n d a n tw a t e ro f c a r b o n a t er o c ka r e a u s i n gp l a n ee l a s t i c - p l a s t i ct h e o r y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ef o r c eo ft h ee x c a v a t i o n o ft h es i n g l ee l e c t r i f i e dr a i l w a yt u n n e lo ft h e s ef l r e a si nc o n s i d e r a t i o no fd i f f e r e n t e x t e r n a lw a t e rl o a d i te d u c e st h a tt h ep r e - i n j e c t i o nl o o po ft h es i n g l ee l e c t r i f i e d r a i l w a yt u n n e li s6 - 8 mb y j u d g i n gt h ea r e aa n dd e p t ho f p l a s t i cz o n e p r e i n j e c t i o na n db l o c k i n g 叩w a t e ra r et h em o s ti m p o r t a n t ，b u ti t i sa l s o a b s t r a c t i m p o r t a n tt o s e tc o n v e n i e n td r a i n a g es y s t e m ac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs t a n d a r d s t r u c t u r es t a t i cb e h a v i o ri sc a r r i e do u tw h i e hc o n s i d e r sd i f f e r e n te x t e r n a lw a t e rl o a d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h el i n i n g ss a f ec o e f f i c i e n tw i l ld e s c e n dr a p i d l ya ss o o na s t h el i n i n gh a v es o m ee x t e r n a lw a t e rl o a dw h i c hi st o od i s a d v a n t a g e o u sf o rl i n i n g s s t r e s s ，a l l da tt h es a m et i m ei ta l s oi n d i c a t e st h a tt h es e c t i o n st h i c k n e s so rs t e e lb a ro f i n v e r t e da r c ha n ds i d ew a l ls h o u l d b es t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：e x t e r n a lw a t e rl o a d ，c o n t r o ld r a i n a g e ，f u l l f a c ep r e i n j e c t i o n , p r e i n j e c t i o nl o o p ，s t r u c t u r ed e s i g n 独创- 陛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 岁、；f y 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛雌聊签名：塑塑日期：醴出 第一章绪论 1 1 综述 第一章绪论 众所周知，我国是个多山的国家，山地面积占到全国总面积的三分之二， 两部腹地更是山岭重重，随着国家以经济建设为中心战略目标的进一步实施， 国家列基础建设的进一步加大投入，铁路隧道工程得到了前所未有的发展。 隧道在铁路建设中的比重逐年增大。我国2 0 世纪5 0 年代修建的宝成线隧 道占1 2 6 ，而2 0 世纪7 0 年代修建的地形地质与类似的襄渝线隧道比重则为 3 1 9 。刚建好通车的西安一安康铁路，正线全长2 6 7 8 k m ，含隧道9 7 座，累 计长1 2 2 9 k m ，占正线里程的4 5 9 l ”。 铁路隧道修建长度越来越长。我国自1 8 9 0 年建成台湾省基隆至六堵间狮球 岭隧道至1 9 8 9 年近1 0 0 年间共建成铁路隧道4 ，8 4 7 座，其中4 k m 以上的1 4 座， 1 0 k m 以上的仅l 座。从1 9 9 4 年建成的西康铁路全长1 8 4 4 8 k m 的秦岭隧道， 到现在证在修建的全长2 0 0 5 k m 的乌鞘岭隧道，铁路隧道长度逐渐呈增长趋势。 由于目前远距离陆路交通线路还无法向空中发展，未来在山岭地区，尤其是我 国中西部广大地区，建设高标准交通干线( 如进藏铁路等) 的重要措施就是大规模 修建( 特) 长隧道1 2 j 。 隧道的埋深也越来越大。1 9 8 8 年竣工的大瑶山隧道埋深达到了8 0 0 m ，1 9 9 9 年贯通的秦岭隧道埋深达到了l ，6 0 0 m ，正在修建的西部重点工程渝( 重庆) 怀( 怀 化) 铁路中多条隧道埋深都达到了5 0 0 m 以上，乌鞘岭隧道最大埋深为1 ，2 0 0 m 。 “多、长、大、深”，即数量多、长度大、大断面、大埋深，将是2 1 世纪 隧道工程的发展趋势 2 t 。 1 2 问题的提出 然i 雨，随着隧道工程的发展，与隧道施工过程中相应的一系列问题也逐渐 暴露出来，并且也同益严重，比如，与环境问题息息相关的地下水问题越来越 引起人们的关注。一般而言，不论在施工中还是在通车后，隧道结构时刻处于 第一章绪论 地卜| 水的包围之中，1 9 8 5 年以前的有关规范、规则，几乎都末把隧道工程建设 - j 环境_ _ _ ：【：程作为一个系统来考虑，没有关于隧道开挖及地下水对生态环境影响 评价的专门条款和规定。在1 9 8 5 年以前的铁路隧道设计规范中，对隧道防排水 提出“以排为主，排、截、堵相结合的原则”。在实际工程中，突出了以排为 主，大多数隧道工程( 特别是山岭隧道) ，不论涌、渗水的补给来源及水量大小与 否，施工中多不作预处理，因而使隧道成了泄水洞，吸取了周围大量的地下水， 造成地下水的流失，产生了一系列的环境和社会问题。 1 2 1 “以排为主”的主要缺点 经验证明，地下水处理“以排为主”，隧道施工过程中以及后来的隧道运营 期长期排放地下水，多数在隧道内存在不同程度的水害，且逐年发展，影响衬 砌结构和行车安全；环境方面造成工程地区含水层被疏干，使生念环境恶化， 主要表现为：地表水和泉、井枯竭：生活、工农业用水缺乏；地表沉降、土壤 沙化、水土流失等。严重影响了人民的生活和生产建设l j j 。 ( 1 ) 地下水从隧道大量流失，围岩中的地下水通道( 岩层节埋裂隙或岩溶管道) 中的充填物被水冲走，贯通性愈来愈好，致使洞内流量不断增大。贵昆线稞纳 隧道通车后涌水频率逐年提高，开始时数年一次，以后每年一次，近年来一年 数次；正在修建的渝怀线武隆隧道2 0 0 2 年涌水量最大为2 0 0x1 0 4 m 3 d ，2 0 0 3 年涌水量猛增到7 8 0 x1 0 4 m 3 d ，为中国历史上所罕见，而今年6 月一次普通的 降雨就造成了7 4 0 1 0 4 m 3 d 的涌水量。 f 2 1 随着隧道内涌水量的增加，各种病害如衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、 排水沟淤塞漫流等将逐年严重。大瑶山隧道建成后，1 9 9 0 年5 月一次涌水，2 0 0 m 3 流沙埋没轨道使行车中断。在岩溶地区，岩溶管道涌水由于经常带有大量泥沙， 直接影响行牟安全，为害特别严重。 ( 3 ) 隧道地下水如果以排为主，施工中一般不再采取预注浆等封堵措施，则 地下水往往严重影响施工的正常进行。武隆隧道历次特大涌水都造成施工场地 严重毁坏，大量机械设备被冲到洞外的乌江里，隧道内泥沙堆积达l m 多厚，在 相当大的程度上影响了施工的正常进行。此外，南岭隧道( 衡广复线) ，梅花山隧 道( 贵昆线) ，平关隧道( 盘西线) 等，都曾因洞内大量涌水而使施工受到严重影响。 f 4 ) 地下水长期出隧道大量摔走，地下水位降低，是洞顶地表失水并发生沉 降变形的主要原因。例如京通线桃山隧道施工中的大量涌水使地表“四道沟” 第一章绪论 所有泉水干枯，从而截断了该沟下游发电用的水源和农业用水，造成严重后果： 武隆隧道预测最大涌水量达到了1 3 0 0 x1 0 4 m 3 d ，山顶不远即为国家级风景区仙 女dj 风景区，常年大量地下水的随意排走必将会对仙女山的环境造成致命的影 响。 “以排为主”对洞顶地表生态环境的破坏，将产生长期的不良影响，而这 是我国当前法律所禁止的。中华人民共和国环境法和中华人民共和国水资 源保护法的颁御，国家对新工程从立项到验收，都要进行环境评定，法规规 定，“丌采矿藏或者兴建地下工程，因疏干排水导致地下水位下降、枯竭或者地 面塌陷，对其他单位或个人的生活和生产造成损失的，采矿单位或者建设单位 应当采取补救措施，赔偿损失”( 水法第二十六条) 。并且随着人们的环保意识和 法制观念的增强，昕任地下水大量流失的现象越来越行不通了，因此，无限制 排水原则不能适应我国经济发展和社会进步的要求。 12 2“控制排水”原则的提出 随着我困经济建设的飞速发展和以往施工规范中“以排为主”造成日益严 重的水资源流失和环境恶化问题，一种新的思想，即“控制排水”的思想应运 而生。2 0 0 1 年9 月实施的新的隧道设计规范中规定：隧道防排水应采取“防、 排、截、堵结合，因地制宜”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施，达到 防水可靠、排水畅通、经济合理的目的。这就是“控制排水”原则，所谓“控 制排水”，即是在富水地区修筑隧道时采取“以堵为主，限量排放”的方法，也 称为“大堵小排”，“大堵”是控制流量，“小排”是减小隧道衬砌压力的主要手 段。其核心是根据实际情况，按“以堵为主，防排结合”，排放流量根据施工的 要求，水文地质情况等加以控制。 本文的理解是：“堵”即是用注浆技术封堵掌子面和围岩，把大部分水堵在 注浆堵水圈外面，减小衬砌直接受到的外水压力，“排”即是在出于围岩裂隙的 不规则等特点把小部分没有堵住的水通过在衬砌背后设置竖向盲沟等把水排除 隧道外，排除衬砌背后存在的水压力。 山于以往按“排水原则”来设计隧道，衬砌结构受力和围岩稳定性影响是 否需要考虑外水荷载的作用和如何考虑外水荷载等问题，现行隧道规范上尚没 有这方面的理论和依据可用。尤其对于富水的断层破碎带和岩溶富水区，这些 地段往往也是造成地下水流失的最主要位置，对于这些地段，用何种方法进行 第一章绪论 堵水，若用隧道围岩注浆堵水时注浆圈的厚度如何设置，隧道衬砌结构的设计 问题如何解决，都是需要深入研究和解决的问题。 因此，本文的研究重点是富水地区在以“控制排水”为原则进行施工时， 如何进行注浆堵水圈和衬砌的设置，在保证正常、安全施工以及运营的情况下 确定注浆堵水圈的厚度以及衬砌的设计，试图通过理论计算和数值模拟，对富 水的断层破碎带和岩溶富水区的注浆堵水圈和隧道衬砌进行一些初步探讨，找 出一些适用于工程实际的规律。 本沦文为自选课题，源自目前隧道施工中地下水处理方法上存在的一系列 问题，韵定的现实意义和研究前景。 1 3 国内隧道对外水荷载问题的研究现状 131 现有隧道规范对地下水的处理措施 铁路隧道设计规范( t b j 3 9 6 ) 规定隧道防排水应采取“防、截、排、堵 结合，因地制宜，综合治理”的原则，达到防水可靠、经济合理的目的。此原 则对地下水是以疏导为主，故设计荷载不考虑地下水对隧道结构的作用。 铁路隧道喷锚构筑法技术规贝f j ( t b j z 0 8 9 2 ) 规定隧道采用封闭式防水隔 离层时，二次衬砌应考虑承受地下水的作用。 公路隧道设计规范( t b j 0 2 6 9 0 ) 规定隧道防排水应视水文地质条件因地 制宜地采耿“以排为主，防、排、截、堵结合”的综合治理原则，达到排水畅 通、防水可靠、经济合理、不留后患的目的。并提到当采取防排水工程措施时， 应注意保护自然环境。此原则对地下水是以疏导为主，故设计荷载不考虑地下 水对隧道结构的作用。 地下铁道设计规范( g b 5 0 1 5 7 - 9 2 ) j 规定隧道防排水应根据工程地质、水文 地质、地震烈度、结构特点、旋工方法和使用要求等因素进行。采取“以防为 主、防排结合，因地制宜，综合治理”的原则。此原则对地下水是以防为主， 故设计荷载考虑地下水对隧道结构的作用。 人民防空地下室设计规范( g b 5 0 0 3 8 - 9 4 ) 对地下水的处理无明显规定，但 设计荷载考虑地下水对隧道结构的作用。故此规范对地下水应是以防为主。 水二【：隧洞设计规范( s d l 3 4 - 8 4 ) 规定隧洞的防渗和排水设计，应根据隧洞 第一章绪论 沿线瑚岩的：【程地质、水文地质、设计条件，针对具体情况，综合分析选用“堵 ( 如衬砌、灌浆) 、截( 如设置防渗帷幕) 、排( 如排水孔和排水廊道) ”等措施，以 改善衬砌结构和围岩的工作条件。此原则对地下水是以堵为主，故设计荷载考 虑地下水对隧道结构的作用1 4 。 从上述现行规范来看，在公路和铁路部门，由干以往隧道采取防、截、排、 堵结合，因地制宜，综合治理的原则，基本消除了作用在衬砌上的外水压力， 通常不考虑此种荷载，虽然已经开始引起了有关部门的重视，但现行规范仍没 有具体的考虑外水荷载的条文或说明。 在水电部门，出于外水荷载问题是水工隧道设计常见问题和重点问题，对 外水荷载问题有比较深刻的认识和处理方式。但是水工隧洞的研究对象是有压 过水隧洞，其情况与铁路、公路隧道不尽相同，因此其结论不能直接套用于铁 路、公路隧道。 1 3 2 外水荷载问题的研究现状 地下水问题一直是国内外隧道工程界的老大难问题，通常人们对隧道防排 水技术措施与施工工艺的研究比较多，而对隧道衬砌结构的外水荷载计算问题 研究较少，国内对隧道外水荷载计算问题的研究文献比较少见，尤其是铁路隧 道。这主要是因为以往大部分铁路隧道的设计对地下水采取“以排为主”设计 原则，对地下水的处理是通过对围岩降级来考虑的i s 。一些考虑了外水荷载的隧 道设计主要采用折减系数经验法1 3 ，即隧道结构承受的外水荷载只，= 卢九，其 中，是折减系数( 查经验表得到) ，凡是水容重，日是地下水位线到隧道外轮 廓表面的水柱高度。 1 4 隧道中围岩注浆范围的研究现状 注浆技术在我国水利的大坝和隧道施工、矿井开挖和止水、以及铁路公路 的隧道建设都已_ 丌始广泛应用。我国铁路大瑶山隧道、南岭隧道、花果山隧道 以及北京地铁浅埋暗挖工程、广州地铁的杨体区间隧道等都应用了注浆技术。 并且达到了一定的效果。 14 1 经验规定的注浆范围 第一章绪论 对于岩层节理裂隙发育方向一般可用定向玫瑰花图表示f 6 1 ，如图1 - 1 。 图1 - 1 浆液在裂隙围岩中扩散简 因此，浆液在岩层裂隙中的扩散，如同定向玫瑰花图一样，是很不规则的。 注浆有效范围与地下水压有密切的关系，因浆液在岩层建的扩散难于控制在一 定的范围内和注浆有效范围与地下水用的关系到目前为止还没有一定的计算公 式，所以，注浆有效范围大多按经验确定，一般为2 3 倍毛洞直径。 1 42 规范规定的围岩注浆范围 ( 1 ) 以提高软弱围岩强度为主要目的注浆范围【5 1 把注浆区域的范围假定为弹性体，并假定离隧道中心r 点处存在切向应力 口、法向应力盯，注浆范围以外的静水压力和地层压力之和为尸，隧道开挖半 径为r 一注浆范围半径月，则得到了q 、q 的关系式为 ：p a z 百m a z ( 1 - 1 ) q = p 箬 ( 1 2 ) 当r = r ，时，在隧道周边存在最大切向应力，法向应力为零，当尸和r 。为定 值时，o i 。与比值r 关系如表l - 1 。 表1 - 1 q 一与足见的关系 第一章绪论 根据上表得出了注浆半径范围在2 兄3 咒内较为合理。 在断层破碎带，不能以弹性体模型分析，但由于注浆有一定的止水能力， 使注浆区内的水压增高，开挖施工时影响围岩的稳定性，当注浆区堵水达到一 定程度时，假定水压均匀加在注浆区周围，可以把注浆区视为弹性体来考虑， 从而得出由隧道的支撑压力只来确定注浆范围的关系式嘲： 只：墼粤筹磐迥业一c c o t 妒( 1 - 3 )。 1 一( 兄r ) 2s i n 妒 式r 亿r 一隧道丌挖平均半径( m ) ； r 一一一注浆范围半径( m ) ； c 注浆区域地层凝聚力( p a ) ： p 注浆区域地层内摩擦角( 。) ： 只注浆范围以外压力( m p a ) 。 根据式( 1 - 3 ) 得到注浆范围半径足= ( 3 4 ) 见是恰当的。 ( 2 ) 以提高堵水能力为主要目的注浆范围 隧道丌挖施工，围岩被扰动，注浆区要达到或超过岩层松动圈范围，才能 够起到止水作用。围岩松动圈的厚度可以通过多点位计测得，也可用声波测试 仪测得。通常情况下，松动圈范围可按泰沙基经验公式确定，松动圈高度计算 值见表1 。2 | 1 3 i 。 表l - 2 泰沙基经验公式计算松动圈高度 注：b 为隧道开挖宽度( m ) ，h 为隧道开挖高度( m ) 。 在松动圈内注浆，形成外壳支护层，它具有较大的承载能力，支护层一岩 体共同作用加固圈的半径可使加固岩石环的承载力满足或大于作用于加固壳的 压力，即【9 】： = 式中，r ，u 一为注浆加固边界的半径： ( 1 _ 4 ) 第一章绪论 t 一一隧洞( 或巷道) 半径； 田一一注浆加固岩石的强度； q ，：加固岩石环的承载力。 据水电部门的统计，围岩固结注浆深度在o 5 - 2 0 倍隧洞半径间变化，建议 按1 3 倍隧洞半径计算。前苏联在巷道注浆加固中，加固带的厚度取3 5 m ，我 国煤炭部门巷道注浆加固厚度约为2 3 i n 【6 】。 1 43日本对围岩注浆范围的规定 r 本对于具有高压涌水和岩层破碎带的注浆，按经验确定如下：当水压小 于1 0 0 n c m 2 时，注浆范围为2 倍毛洞直径；当水压大于1 0 0 n c m 2 时，注浆范 围必须增大：如青函海底隧道，水压达2 5 0n t i n - 2 ，注浆范围则为3 倍毛洞直径； 此外，在地质特别坏的条件下，压浆半径可以达到隧道半径的8 倍【6 j 。 对于隧道围岩的注浆范围，目前来看，还没有一个比较明确统一的规定， 现有规范对注浆范围的规定差别较大。 1 5 论文的研究思路和研究内容 15 1 论文的研究思路 如前所述，对隧道地下水进行“以堵为主，限量排放”的“控制排水”原 已经势在必行，但是由于以往规范的原因，如何才能作到隧道的堵水，用何种 方法? 对于铁路深埋隧道，水压巨大，若单单用衬砌来堵水显然是行不通的。 采取其它措施能否作到堵水的长久有效，都是值得仔细研究的问题。 鉴于此，本论文的研究思路是： ( 1 ) 希望能用全断面注浆堵水的方法来达到控制排水的目的； ( 2 1 对于注浆堵水注浆范围多大才算最为合适，希望能用围岩弹塑性理论对 其合适的注浆范围进行确定； ( 3 ) 注浆堵水是最主要的堵水方式，但其并不能完全做到滴水不漏，那么对 衬砌结构还要进行如何考虑，若从安全的角度衬砌考虑外水荷载时应该怎样去设 计。 第一章绪论 1 5 2 论文的研究内容 ( 1 ) 本论文采取的方法主要是调查研究和理论数值分析，通过调查研究归纳 总结隧道施工中地下水在以“以堵为主，限量排放”的前提下，应该如何作到 堵水最为合适，对于不同的实际情况归纳总结了隧道衬砌的外水荷载大小的确 定方法。 ( 2 ) 理论数值计算是本文的重点，其目的是希望能找出种确定围岩注浆堵 水圈厚度的方法，文中利用围岩的弹塑性理论在考虑外水荷载的情况下，通过 大量的计算，对多种情况进行分析和总结，最后对如何确定围岩注浆堵水圈的 厚度提出了建议。 ( 3 ) 在考虑不同的外水荷载的情况下研究了隧道衬砌结构的静力工作特征， 最后给出了衬砌结构在考虑外水荷载下的一些设计上的建议。 随着计算技术发展，采用数值分析方法解决隧道与地下工程中问题，越来 越广泛，数值分析方法虽然有其一定的缺点( 如计算参数受人为因素影响较大， 往往刁i 能精确的获取) ，但其精度还是能满足大多数工程需要的，并且其省时省 力省钱的优点使得越来越多的工程问题通过数值模拟和动态仿真来进行处理。 第二章山岭隧道的全断面帷幕预注浆堵水 第二章山岭隧道的全断面帷幕预注浆堵水 注浆技术起源于地下工程的特殊需要。地下工程常常遇到地下水害和软弱 地层。注浆法是治理水害、加固地层的重要技术，它包括堵水、截流、帏幕和 岩土加固等诸多技术。注浆基本原理，就是将胶结材料配制的浆液通过一定的 压力，注入到岩层沿裂隙流动扩散，由于其充塞作用，在裂隙内成为具有一定 强度和低透水性的结石体，堵塞裂隙，截断水流【l ”。 般认为，注浆方式包括预注浆和后注浆两种。预注浆是指在开挖面采取 超前钻孔，通过钻孔进行注浆施工，预注浆技术包括全断面超前预注浆和局部 预注浆及探水孔预注浆。后注浆是指在开挖完成后，对开挖面不能满足工程质 量要求时而采取的一种注浆措施，后注浆包括径向注浆、局部注浆和补充注浆”j 。 注浆技术在我国水利的大坝和隧道施工、矿井开挖和止水、以及铁路公路 的隧道建设都已丌始广泛应用。我国较为突出的灌浆工程有丹江口大坝灌浆帷 幕、风滩大坝、青铜峡大坝灌浆、葛洲坝灌浆止水、隔河岩大坝( 能抗1 2 0 m 水 头压力) 防渗帷幕。我国铁路大瑶山隧道、南岭隧道、花果山隧道以及北京地铁 浅埋暗挖工程、广州地铁的杨体区间隧道等都应用了注浆技术，并且取得了理 想的效果。 2 1围岩注浆加固的意义和作用 21 1 围岩注浆加固的意义 在通常情况下，未破碎岩石的强度往往大于衬砌强度。所以，对富水带破 碎围岩地层和岩溶发育区进行开挖，首先必须加固围岩的软弱带并使其整体化， 以防出现较大变形。为了提高围岩的稳定性，必须加固围岩，即围岩本身应能 起到建筑材料和主要承重结构的作用并能防水。也就是在隧道周围建立一个既 承重又刁i 透水的岩石拱圈，以便承受岩石自重和拱上部可能发生的岩石荷重和 外水压力，减少衬砌层的负担。 21 2 围岩注浆加固的作用 第二章山岭隧道的全断面帷幕预注浆堵水 ( 1 ) 圳+ 以固结隧道周围破碎带的块状岩石，使之形成一定厚度的止水带； ( 2 ) 填塞块状岩石的裂缝和裂隙，可消除或减少外水压力对衬砌的作用： ( 3 ) 加固破碎表体，改善岩体的内聚力和内摩擦角； ( 4 ) 出于围岩注浆而形成的止水带和加固岩层的作用，水压和地压将由围岩 岩体和衬砌共同承担，这样可以大大减薄衬砌厚度，同时可以减少丌挖的数量。 2 2 注浆加固后围岩参数的变化 上一小节已经对围岩注浆加固的作用作了个概括，其注浆加固能改善岩体 的力学参数如内聚力、摩擦角等等。鉴于这些参数在后面将要用到，所以在这 罩再进行详细说明。 2 21 注浆对岩层渗透系数的影响 对围岩的注浆实践表明，注浆结束后围岩的透水系数一般能变为原来围岩 透水系数的0 1 - - 0 ，5 。 河南舞阳王道行出风井井桶经注浆后开挖，在通过8m 厚的注浆层时其涌 水量由1 6 9m 3 h 降到了0 6m 3 h ，保证了施工的安全顺利进行【“】。 吉林集安县三家予电场引水隧洞1 9 8 3 年渗流水量达到7 2o 1 1 ，被迫停产 整治，经过系统壁后注浆、重点帷幕注浆等措施后，取得了百分之百的封水效 果，后经四次洪峰的考验，仍然安然无恙，为全年的均衡发电创造了条件i l “。 在法国阿尔卑斯山巴特的罗斯一兰德隧道混凝土衬砌的试验中，分三个阶 段对透水性强的结晶岩石进行高压注浆，岩石渗透系数处理前为1 2 ，处理后分 别减少如下值： 第一阶段注浆处理后为o 8 9 ；第二阶段注浆处理后为o 2 0 ；第三阶段注浆 处理后为o 0 8 9 ；最终的渗透系数为o 0 5 1 6 1 。 苏格兰一海底煤矿，深度在海平面下约6 0 0 m ，注浆的结果使涌入坑道的水 量从每分钟几百加仑减少到坑道实际上呈干燥状态。 f 本的青函海底隧道注浆前后工作面的渗透系数情况如表2 1 【8 l 。 第二章山岭隧道的全断面帷幕预注浆堵水 表2 1 日本青函海底隧道注浆前后工作面的渗透系数 涌水量岩体平均渗透系数渗透系 地段m 距离m 地质特征1 彝尹连磊菜磊三产 ：戛；：者 8 1 0 8 2 51 5 安山岩4 8 1 1 4 6 x1 0 。5 0 1 0 40 0 3 8 2 5 8 4 92 4 微碎安山岩 5 77 4 5 1 0 。1 0 0 x1 0 4 0 2 1 本州侧1 2 3 4 1 2 5 5 2 l 火山凝灰岩2 5l1 6 1 0 1 5 1 0 40 0 9 的斜升1 2 5 5 - 1 2 7 31 8 火山凝灰岩 3 42 2 4 x1 0 41 4 1 0 4 0 0 6 1 2 7 3 - 13 0 53 2 凝灰苷榭碎端3 3 03 0 1 0 40 0 1 0 40 13 0 5 1 3 3 5 3 0 凝灰岩一玄武岩4 7 03 1 x l f f 5 0 1 x 1 0 6 0 。 1 1 4 13 0 火山凝灰岩8 9 03 1 x l f f 5o 1 x 1 0 。60 五j ：兰4 1 - 4 8 8 火山凝灰岩 1 3 45 61 0 3 x1 0 。1 4 0 1 0 。6o 2 3 ”叠：牡。4 8 4 5 5 】7 火山凝灰岩1 2 907 6 8 x 1 0 40 2 x1 0 。60 6 5 7 82 2 火山凝灰岩 6 6 3 7 1 0 一一 北海道1 6 6 1 1 6 8 0 1 9 火i l 溯汐0 占# 岩 6 63 3 1x1 0 42 x1 0 。60 0 6 侧的水1 6 8 0 1 7 1 03 0 安山岩泥岩 2 601 3 x1 0 40 1 1 0 40 0 1 平掘进1 7 1 0 - 1 7 3 32 3 安山岩泥岩 3 4l 1 3 1 0 60 9 1 0 40 0 7 从上面几个例子可以看出，对围岩进行高压固结注浆堵水后，其渗透系数 可以大大减小，甚至能作到隧道内滴水不漏，所以能够达到堵水的目的。 2 22 注浆对围岩弹性模量的影响 闱岩固结注浆时可以改善岩层的密实性，增加均一性，减少各向异性的影 口向 提高岩体的物理一力学指标。取注浆后的弹性模量用于设计，可减薄衬砌 厚度。有关岩石注浆前后岩体的静弹性模量统计如表2 2 【6 】。 表2 - 2 注浆后静弹性模量e s 的改善 一1 2 一 第二章山蛉隧道的全断面帷幕预注浆堵水 盒川二矿散碎结构岩层中巷道注浆加固后，声波测试结果表明绝大部分围 岩经注浆后弹性波的传播速度及动弹性模量均有不同程度的提高，其中一号声 波测孔的动弹性模量由注浆前的2 7 7 x1 0 4 m p a 达到注浆后的6 9 3 1 0 4 m p a ，是 注浆前的2 5 倍，岩石力学性能得到了较明显的改善i “】。 可见，围岩在进行注浆加固以后，其弹性模量一般的都能提高到3 0 以上， 更有甚者能使之提高到3 7 5 ，极大的提高了围岩的性能。 2 23 注浆对围岩岩体粘聚力和内摩擦角的影响 前苏联对后注浆加固围岩的力学过程进行了理论分析和现场测试。结果表 明，注浆后岩石的粘结力增加4 0 7 0 ，平均增加5 0 。一般认为，对于岩体 的粘聚力和内摩擦角都能提高到2 0 3 0 以上。提高了围岩的这些力学参数， 为j r 喷, n 安全的完成施工创造了条件。 2 3 对断层破碎带和岩溶富水区的全断面帷幕预注浆堵水 预注浆技术与新奥法结合的工程措施，就是在围岩受扰动前( 丌挖前) 进行超 阿灌浆，其结果一是把地下水堵在注浆加固圈以外，减少地下水对围岩整体结 构的破坏和地下水对隧洞衬砌的压力，降低渗水量，二是浆液在地层中充填胶 结挤压，提高了围岩的整体结构强度，在管棚一钢拱架一锚喷支护的配合下， 形成个强大的联合支护体系，防止了地下水的任意排放，并且也保证施工的 安全和顺利进行。 第二章山岭隧道的全断面帷幕预注浆堵水 富水的断层破碎带和岩溶发育区开挖后，若不采取措施，其涌水量是巨大 的，历来丌挖的隧道涌水地带也绝大部分集中在这些地区，如中梁山隧道、大 瑶山隧道、南岭华隧道、蓥山隧道以及子关、大巴山隧道等等都是出于这种情 况1 1 2 1 ，由于对这些地方没能采取有效的防护措旌，才造成了地表塌陷、河流断 流、泉水枯竭等等一系列的环境问题。为使这些地区岩体不透水或少透水，改 善岩体的承载力，若想真正作到保证防止水土流失，达到“以堵为主”、“控制 排水”的原则，就必须在开挖之前进行预注浆，把水挡在注浆加固圈外，否则， 围岩一旦丌挖，地下水静压转为流速，再注浆止水则变得很困难。应尽量把地 下水围截封堵在岩( - i - ) 层中，不要将地下水放到衬砌层来处理解决，围岩防水要 比衬砌防水手续简便，费用低，效果好，一劳永逸，并不需要将隧道断面扩大， 可得到抗力强的结果 6 1 。西欧学者认为，注浆是第一到防卫措施，多数注浆应在 j t - j = g 隧道施工前进行。所以，应进行开挖前的预注浆，在具有隔水边界的区段 内选择适宜位置布置钻孔，揭露受注地层的裂隙，并注入浆液，构成具有一定 宽度和隔水效能的人工地下帷幕，切断过水通道，达到解除水害之目的。 总之，对山岭隧道穿越大的地层扰动带，包括破碎的、无凝聚性的、有高 压水的岩层等，采用预先加固注浆的方法来解决，是行之有效的，国内外均有 成功的经验。 2 4 常用的全断面预注浆形式 注浆孑l 布嚣由工作面向开挖方向呈伞形辐射状，根据隧道施工丌挖方式分全 断面一次布孔和半断面多次布孔，或从侧向导坑布置注浆孔等方式。钻孔布置 图2 - 1 工作面注浆孔布置形式 一1 4 一 a a 第二章山蛉隧道的全断面帷幕预注浆堵水 呈一圈和数圈，内外圈按梅花形排列，并采用长短孔相结合。常用的全断面 预注浆形式如图2 1 。 2 5 应大力加强施工地质超前预报工作 对断层破碎带和岩溶发育区进行超前预注浆以达到堵水、加固围岩的目的， 是行之有效的方法。然而，隧道工程深埋地下，有着许多不可预见的因素，对 于经过富水的岩溶发育区和断层破碎带的铁路深埋隧道，隧道周围的水压力是 巨大的，进行全断面注浆加固有着极大的难度和风险。施工过程中，洞线上任 伺个未被查明的断层都有可能由于其巨大的出水而严重威胁着施工人员的生 命安全。因此，能否快速、准确的探明隧道前方的地质环境是预注浆堵水技术 成功与否的关键。这就需要大力加强工程地质水文预报技术。 工程地质水文预报分为施工前的地质预报和施工阶段的工程地质预报，施工 阶段的地质预报直接为施工、支护和处理服务，其预报也最为有效，常用的施 l 阶段的工程地质预报的方法分类详细见网络图2 2 e 。 施 i 超 前 地 质 预 报 方 法 懈一描严导坑毽黼导坑 i 正洞掌子面和侧墒 、 i 、地质方法 l 的情况并不少见【3 9 ，4 0 1 。例如水工隧洞内水外渗，在村砌外缘产主高于 地f 水位静水头的外水压力，当隧洞突然放空，村砌裂缝闭合，外水内渗受阻 而使衬砌受有很大的外水压力。美国巴斯康蒂抽水蓄能电站压力钢管的破坏就 是这类原因。另外，当出现长时间的较大降雨，以及穿越河底或沟谷底部的隧 洞，都有口 1 的情况。 当然他的前提是针对水工隧洞来说的，水工隧洞的修建位置、功用与山岭 隧道有着明显的不同，对于山岭隧道来说折减系数声 1 的情况基本上是不会 出现的。 文献【2 ”l 根据隧道模型试验，给出了铁路隧道外水头折减系数的取值建议表 3 ，7 。 表3 - 7 铁路隧道外水荷载折减系数建议表 3 3 3 对断层破碎带和岩溶富水区的折减系数 卜面叙述的各种折减系数的取值方法虽然有所不同，但基本取值方法是一 致的，计算外水压力时，要乘以一定的折减系数，折减系数根据围岩裂隙发育 一2 8 第三章山岭隧道外水荷载的确定 情况一般在0 1 0 之问变化，对于水工隧洞，有可能出现折减系数大于1 0 的情 况i ，而对j r 铁路隧道，由于其地理位置和功用的不同，折减系数大于1 0 的情 况般是彳；会出现的。对于断层破碎和岩溶富水区，由于其裂隙发育，渗透系 数大，所以折减系数也都比较大，根据前面总结的折减系数的取值方法，在这 些地区大都在o 4 1 0 间变化，如表3 - 2 中对于中等岩溶发育区的折减系数就已 经达到了o 3 以上，天生桥二级电站在滴水、股状涌水洞段折减系数在0 5 和o _ 8 之阳j ，水工隧洞建议的“外水压力修正系数表”中沿软弱结构面有少量涌水段 折减系数也在o 4 以上。上面有关资料总结的折减系数虽然主要是针对衬砌结构 来说的，但对于堵水的围岩注浆圈围岩，其理论同样适用，可以按上述方法同 样耿值。 3 4 小结 文中通过参阅大量文献，总结了对于外水压力的计算方法，根据衬砌和围 岩的连接情况，可以分别把外水压力看成是体积力和面力。当作为体积力时， 可以采用围岩渗流场理论来进行求解；当作