山岭隧道堵水限排衬砌外水压力问题研究修改.doc

山岭隧道堵水限排衬砌外水压力研究Research on regulating water pressure acting on mountain tunnels by block off ground water and limiting discharge王秀英 王梦恕 张弥（北京交通大学土建学院）摘要：本文阐述了传统的对地下水采取“以排为主”的设计思想的缺点，指出山区高水位隧道设计中对地下水应采取“堵水限排”。文中提出一种可以分析“堵水限排”下衬砌外水压力的简化模型，并据此计算分析了圆梁山隧道毛坝向斜段衬砌外水压力与排水量的关系，提出规定排放量下注浆圈的合理厚度。根据计算结果指出地层注浆的作用，并强调设置排水系统后在衬砌结构设计计算时仍要考虑衬砌外水压力。关键词：山岭隧道 堵水 限排 衬砌外水压力 中国分类号： 文献标识码： 文章编号：作者简介：王秀英（1970-），女，山西应县人，北京交通大学土建学院讲师，博士研究生，主要从事隧道工程方面的教学和科研工作。Wang Xiuying Wang Mengshu Zhang Mi(School of civil engineering and architecture of Beijing Jiaotong University)Abstract: In this paper, the disadvantage of traditional ground water treatment idea “drainage is dominant” is discussed, and “block off ground water and limiting discharge” is put up as an effective method when designing mountain tunnels in high water level district. One simple model that can analyze the external water pressure is put up. Based on this model, the relation between external water pressure on lining and water discharge in Maoba district of Yuanliangshan Tunnel is analyzed, and the proper grouting depth is present. Based on this result, the function of grouting is put forward and the idea is emphasized that external water pressure still must be considered during structure design after setting up drainage system. Key words: mountain tunnel block off ground water limiting discharge external water pressure on lining0 前言我国是一个多山的国家，山地面积占三分之二以上，为发展交通，需要修建大量隧道。据统计，截止1999年末，我国大陆地区已建成的铁路隧道有6876座，总延长约3670km，到2000年已有公路隧道1684座，总长628km1。一般而言，不论在施工中还是运营后，隧道结构时刻处于地下水包围之中，隧道衬砌的渗漏、变形，洞顶地表的塌陷，施工期间的突水、突泥，都与地下水有关，而且水位越高，危害越大。如何处理好地下水是山岭隧道设计施工需要解决的关键问题之一。长期以来我国隧道工程基本上奉行“排堵结合、以排为主”的方针，但长期的大量排水使原有的地下水平衡遭到破坏，造成地下水位下降，洞顶地表失水并发生沉降变形，带来严重的环境问题。可见，对山岭隧道也不能一概采取“以排为主”的防排水原则，但是在山区高水位地区修建隧道时，如果采取浅埋地铁隧道的全封堵方案，衬砌将承受巨大的水压力，以致于使结构设计变得十分困难。因此，在山区高水位地区修建隧道时，应根据隧道周围的具体环境，在大量排放地下水可能造成地表环境恶化地区采取“以堵为主，限量排放”即“堵水限排”的防排水设计准则，“堵”是控制流量，而“排”则是减小作用在衬砌结构上水压力的主要手段。一方面在衬砌背后设置排导系统，用以消减水压力，另一方面采用地层注浆来控制地下水排放流量。这种地下水治理方式又称为“大堵小排”2或控制排放3，4，5。允许的排放流量是根据环境的具体情况来确定，挪威Oslofjord跨海通道，对于海底隧道段，根据排水设备能力和经济考虑确定允许排放量，而对位于陆地居民区和休闲区的隧道，环保当局提出的允许排放量为Q=0.288m3/md。修建中的愉怀线圆梁山隧道在高压富水区设计时对地下水采用了“堵水限排”的原则，允许排放量控制在5m3/md，位于重庆市郊的歌乐山隧道最大允许排放量1m3/ md，该隧道于2003年3月贯通，贯通后全隧道日平均排量为0.95m3/ md，满足设计时最大排放量的要求。对于高水位地区的深埋山岭隧道，当大量排水对地表环境的影响较大时，“堵水限排”无疑是一种合理的防排水方式，但是在给定排放量下如何确定衬砌所承受的水压力，就成为隧道设计施工急待解决的关键问题之一。本文通过一种简化模型分析计算圆梁山隧道高压富水段在“堵水限排”情况下衬砌外水压力，并探讨了“堵水限排”的实施问题，得出一些定性的结论可为工程设计提供参考。1 “堵水限排”时衬砌外水压力研究1.1 计算模型为了研究“堵水限排”情况下衬砌的水压力，采用图1所示的简化计算模型。如图1，假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设为H，水流为稳定流，其运动规律服从Darcy定理,水在水头下降的瞬间就释放出来，并假定隧道的排水是通过衬砌均匀渗水实现的。这时根据无限含水层中井的理论6，可推导出隧道中无内水压时地下水排放量Q和衬砌外水压力P以及注浆圈外的渗透水压Pg的计算公式。r0r1rgr2H图1 简化计算模型Fig.1 Simple model（1） (2) (3)式中，r0为衬砌内径；r1为衬砌外径；rg为注浆圈半径；r2为远场距离，等于H；kl为衬砌渗透系数；kg为注浆体渗透系数；kr为围岩渗透系数，hl、hg分别为衬砌和注浆加固圈外的水头。1.2 实例分析渝怀线圆梁山隧道位于渝、鄂、黔三省市毗邻地区，隧道全长11068m，最大埋深780m，是我国继秦岭隧道之后又一特长隧道，该隧地质条件复杂，存在大规模高压涌水、高地应力引起的大变形和岩爆、煤层瓦斯、顺层偏压等工程地质问题，特别是高压涌突水问题在国内属于罕见。隧道穿越的地层主要为志留系、泥盆系泥页岩夹粉砂岩，二叠系、寒武系及奥陶系灰岩，通过毛坝向斜和桐麻岭背斜两个地质构造单元，其中毛坝向斜段长2200m属高压涌水段，静水头高达490m，现场抽水试验测得的围岩渗透系数为510-5cm/s。利用以上公式对圆梁山隧道进行涌水量预测，取围岩渗透系数为kr=510-5cm/s，远场水头H为490m，按毛洞半径为6m计算涌水量为29.008m3/md，毛坝向斜段涌水量为6.3104m3/d，与采用疏干法计算的正常涌水量5.5104m3/d较接近。为了分析排水量和衬砌外水压力之间的关系，本文计算了衬砌渗透系数kl分别为110-9cm/s、110-8cm/s、210-8cm/s、510-8cm/s、810-8cm/s、110-7cm/s、210-7cm/s、510-7cm/s、810-7cm/s、110-6cm/s，围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比n分别为1、10、50时的隧道排水量和衬砌外水压，计算时衬砌内径r0=5m, 衬砌外径r1=6m，注浆加固圈半径rg=11m，所得结果见图2，图中Q为排水量，hl/H为衬砌外水头与全水头之比。由图可见，当Q=0，在n=1，10，50时，hl /H=1，即衬砌完全不透水时，不论注浆与否，衬砌上的外水压P都为全水头，说明如果采取浅埋地铁隧道的全封堵方式，注浆并不能降低作用在衬砌上的水压力，除非kg =0，即注浆圈能做到完全不透水，这时P=0，而实际上要使围岩变成完全不透水的介质是很难的。随着排水量的增加，衬砌外水压明显减小，且注浆效果越好衬砌外水压降低越显著，说明只有在考虑衬砌的排水性能即采取排水措施时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用。而且，由图2可见，注浆加固圈的堵水效果越好即渗透性越差，在达到同样的衬砌外水压力时，其隧道排水量越小，这说明注浆加固圈有助于减少地下水排放流量。图3是kl=110-6cm/s时注浆圈外水压与注浆半径的关系，这时衬砌的透水性很强，由图3可以发现，当衬砌透水即考虑排水措施时，注浆圈越厚，注浆效果越好，注浆圈承受的水压越高，相应衬砌承受的水压就越小，但是在同样的注浆水平下，注浆圈厚度增至一定程度后，减小衬砌承受水压的效果已不明显。图2 衬砌外水压与隧道排水量的关系 Fig.2 Relation between external water pressure on lining and tunnel discharge图3 注浆圈外水压与注浆半径的关系Fig.3 Relation between water pressure on grouting circle and grouting circle radius 图4 排水量与注浆半径的关系Fig.4 Relation between tunnel discharge and grouting circle radius对于圆梁山隧道毛坝向斜段，如果大量排水将会使隧道通过地带小岩溶泉水点被袭夺疏干，造成村民生产、生活用水困难，因此，该段在设计中要求采用“堵水限排”的地下水治理原则，将隧道排水量控制在5m3/md，为正常涌水量的17.2%。图4表明当n1000以后排水量的减少十分微弱，结合目前注浆水平，确定注浆加固圈的渗透系数比围岩的渗透系数降低50倍，由图4得排水量5m3/md时对应的注浆半径约为9.5m，即注浆圈厚度为5m，考虑施工期间洞室的稳定和围岩渗透系数的变异性，确定在一般高水压地段采用注浆范围为5m，在断层破碎带、岩层接触带及毛坝向斜核部为8m。以上分析是在假定隧道衬砌均匀渗水的情况下进行的，实际上隧道衬砌一般为防水混凝土，隧道的排水是通过在衬砌背后设置排导系统实现的，当隧道加设排水孔时，可将排水孔流量均匀分布到隧道衬砌上去，因此上述分析对隧道渗漏水定性分析具有广泛适应性。实际设计时衬砌结构主要由注浆加固圈、衬砌背后的排水系统和衬砌三部分组成，注浆加固圈起限制排水量和保证施工期间洞室稳定作用，排水系统是尽量将通过注浆圈的渗透水排出，这样就将作用在衬砌结构上的水压力减少到可以承受的水平。根据以上计算分析，可以初步得出以下结论：（1）采用完全封堵措施不能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用，只有在考虑衬砌的排水性能即采取排水措施时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用；（2）对地层注浆有助于减小地下水排放的流量，注浆后仍然要在衬砌背后设置地下水排导系统，并且在衬砌结构设计计算时仍要考虑衬砌外水压力。2 结束语山岭隧道在高压富水区采取“堵水限排”的地下水治理原则既有利于隧道本身的施工和运营，又有利于保护隧道周围生态环境。本文利用简化模型探讨了“堵水限排”情况下衬砌外水压力与排水量的关系，根据给定的排放量确定出合理的注浆圈厚度，阐明了地层注浆的作用，并提出实施“堵水限排”时衬砌结构主要由注浆加固圈、衬砌背后的排水系统和衬砌三部分组成。尽管采用的是一种理想模型，但所得结论对确定衬砌外水压力和排量的关系以及初步确定注浆圈范围具有广泛适应性。要精确确定衬砌上不同部位的外水压力，需要根据隧址区实际地质情况进行渗流场分析，进行专门研究。参考文献1关宝树.隧道施工的技术特性、理念及其发展J.铁道建筑技术，2003（3）：1-6.2王建宇.对隧道工程技术问题的质疑J.现代隧道技术，2002（增刊）：11-17.3李兴高，刘维宁.对公路隧道防排水的建议J. 现代隧道技术，2002（增刊）：69-73.4P.Lunardi,A.Focaracci.Action to reduce the