隧道穿越不同巖性接觸帶防排水技術(shù)探討與分析

劉 濤，朱大河

(銀西鐵路有限公司,寧夏吳忠 751100)

隧道能夠正常施工和后期正常運(yùn)營的重要條件之一就是隧道內(nèi)能夠保持干燥，而一直以來山嶺隧道工程中都普遍采用自由排放或以排為主的防排水方式，這在某些環(huán)境脆弱地區(qū)甚至造成了生態(tài)災(zāi)難[1]，而地下水滲漏進(jìn)入隧道，不僅會降低設(shè)備的使用壽命，也會對隧道后期維修帶來困難，鑒于此有必要進(jìn)一步針對隧道施工中防排水技術(shù)開展深入的研究。

隧道結(jié)構(gòu)如同一個(gè)有機(jī)體,其排水系統(tǒng)需要保持正常的工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)防水的薄弱環(huán)節(jié)可能發(fā)生滲漏,對于這一問題，許多工程師和學(xué)者對隧道施工中的防水與排水技術(shù)進(jìn)行了大量研究與探討。李建旺[1]以玉渡山隧道工程富水區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?通過對嚴(yán)冬時(shí)期防排水凍害情況進(jìn)行科學(xué)研究及對比分析,為我國北方富水嚴(yán)寒地區(qū)高速公路隧道防排水施工總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)；劉海濤[3]通過總結(jié)成都軌道交通18號線工程龍泉山隧道施工中的技術(shù),有效地解決了反坡隧道開挖施工過程中容易出現(xiàn)的地下水往施工面匯集影響圍巖的穩(wěn)定性問題；而李闖[4]針對隧道工程中放排水施工技術(shù)要點(diǎn)和質(zhì)量控制措施也進(jìn)行分析;黃任遠(yuǎn)[5]則闡述了山區(qū)公路隧道防排水的原則,并結(jié)合具體的工程簡要探討山區(qū)公路隧道防排水施工技術(shù);劉國生[6]以丁家營隧道為工程背景,從洞口及地表防排水、洞口明挖段防排水、洞內(nèi)防排水、結(jié)構(gòu)防排水、輔助坑道防排水等方面,對排水專項(xiàng)方案進(jìn)行了探討，確保施工期間洞內(nèi)排水快捷、安全、流暢。

以上防排水措施均將地層視為同一彈性介質(zhì)，即采用均一化的方法而未考慮地層的分層差異性，因此針對于在不同接觸帶的防排水措施，目前有很少的學(xué)者進(jìn)行了研究，鑒于此，本人在前人的基礎(chǔ)上，依托銀西高鐵沿線賈塬隧道段的實(shí)際工程，對隧道穿越不同接觸帶的防排水技術(shù)進(jìn)行了探討與分析，提出了在不同接觸帶的防排水措施，為隧道的安全施工與后期的運(yùn)營維護(hù)提供保障。

1 隧道工程結(jié)構(gòu)防排水施工

1.1 隧道工程防排水設(shè)計(jì)理念

“以堵為主，限量排放”的這一理念，是現(xiàn)今所有隧道施工中施工人員所普遍采取的防水與排水的設(shè)計(jì)，其中“堵”的目的就是減少水流滲到襯砌的背后，其控制手段就是注漿，而“排”的目的是降低作用在襯砌后的水的壓力值，控制措施一般為設(shè)置環(huán)向和縱向的排水盲管。

1.2 隧道圍巖抗?jié)B分級標(biāo)準(zhǔn)

對隧道圍巖的抗?jié)B性進(jìn)行分級的主要目的是將隧道劃分為不同的防水區(qū)段，對結(jié)構(gòu)滲水量進(jìn)行預(yù)測，并確定合理的排水量控制標(biāo)準(zhǔn)，然后對不同的區(qū)段單元來確定不同的對策；依據(jù)圍巖抗?jié)B性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]，以滲透性作為指標(biāo)，我們可將隧道圍巖劃分成四個(gè)等級，依次是I、II、III、IV ，級別越高，圍巖的滲透性能也在增強(qiáng)，換而言之，其抗?jié)B性在減弱。

所以，隧道隨圍巖抗?jié)B性能的變化將會影響施工人員在施工中采用何種措施，因此當(dāng)采用“以堵為主，限量排放”的這一理念來設(shè)計(jì)隧道的防排水系統(tǒng)時(shí)，其防水排水方式應(yīng)該與圍巖抗?jié)B性能相適應(yīng)。并且由上述可知，所有圍巖級別中，抗?jié)B性能最好的是I 級圍巖，隧道滲漏量小，可依據(jù)設(shè)計(jì)要求正常施工；其次抗?jié)B性能較好的是II 級圍巖，在隧道施工時(shí)初期支護(hù)堵水措施基本可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是它的施工質(zhì)量要能夠得到有效的保障；而針對于III 、IV 級的圍巖，因?yàn)槠錆B透性很大，滲水量最大，所以在施工時(shí)除卻采用初期支護(hù)堵水措施外，還需要另外設(shè)置加固圈進(jìn)行聯(lián)合堵水，兩者共同作用可使?jié)B水量得到有效地控制。

1.3 滲流解析模型

一般山嶺隧道斷面都是非圓形斷面，可將隧道的真實(shí)斷面做近似的處理，即可采用等效圓法[7]將馬蹄形斷面看作為均勻的圓形斷面；再者，為了便于分析隧道中的滲流情況，可以做如下的兩個(gè)假設(shè)：

(1)含水介質(zhì)及流體連續(xù)不可壓縮，水流處于穩(wěn)定層流狀態(tài)，服從 Darcy 定律。

(2)遠(yuǎn)場地下水補(bǔ)給充分,即地下水面不隨隧道排水而降低，即水位面的高度大致保持不變；解析模型見圖1。

圖1 滲流解析模型

事實(shí)上，可將隧道滲水主要分為兩個(gè)過程，一是施工過程中的滲流量，可稱為初始滲流量；二是對隧道圍巖采取注漿堵水以及初期支護(hù)等一系列的阻水措施后，滲透到襯砌背后的水量，稱之為隧道的結(jié)構(gòu)滲水量，我們通常把這一部分的水量作為隧道的排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。依據(jù)達(dá)西定律和滲流的連續(xù)性方程可得到原始滲水量的表達(dá)式[8]：

(1)

式中：h0為穩(wěn)定滲流場水頭；h1為內(nèi)水水頭；R0為滲流場變化范圍；r0為等效開挖半徑；

同理可以得到結(jié)構(gòu)滲水量的表達(dá)式：

(2)

式中：rg為注漿圈外徑；r1為初期支護(hù)外徑；kg為注漿圈滲透系數(shù);k1為初期支護(hù)滲透系數(shù)；ks為原巖滲透系數(shù).

1.4 排水解析模型

假設(shè)溝道中沒有障礙物的局部干擾，排水溝道的過流斷面是沿程不變的，并且溝道為長而直的的順坡渠道，斷面的平均流速和流量都不發(fā)生改變，所以可把水流簡化成均勻流，假設(shè)渠底坡i和粗糙系數(shù)n沿程不變，因此可認(rèn)為排水溝符合明渠均勻流。明渠均勻流的基本公式如下:

(3)

因明渠均勻流的水力坡度與渠底坡度相等，所以以上公式可寫為：

(4)

根據(jù)連續(xù)性方程，可得排水溝的流量：

(5)

式中：A為過流斷面面積；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)，通常采用曼寧公式或者巴甫洛夫公式來確定：

(6)

(7)

式中：

將式(6)代入式(5)中有：

(8)

坡度i、粗糙系數(shù)n、斷面形狀、尺寸等因素決定了排水溝道的排水能力。而坡度i取決于地形，n由所選材料確定，這就意味著，底坡坡度i和粗糙系數(shù)n是事先就已經(jīng)確定好了的，因此在對排水溝道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，溝道的排水能力即斷面的過流量Q的大小僅僅取決于過流斷面的大小及其形狀。當(dāng)然，從渠道設(shè)計(jì)的方向去思考，在一定的過流量的情況下得到最小的過流斷面面積，以減少工程量，節(jié)約投資，這就要求設(shè)計(jì)最優(yōu)的過流斷面。

從式(8)中可以看出：如果底坡坡度i、粗糙系數(shù)n及面積A確定了，顯然要通過最大的流量就要使?jié)裰茏钚?。在所有面積相等的幾何圖形中,圓形具有最小的濕周,但是在實(shí)際的施工過程中，一般不采用，因?yàn)楹茈y施工，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此施工中一般采用的都是梯形斷面，而且排水溝道的邊坡系數(shù)m=cotα的確定是由和現(xiàn)場的施工條件以及邊坡的穩(wěn)定條件來控制的，于是邊坡系數(shù)事先也可以得到確定。這樣，就可以通過改變寬深比來改變濕周。梯形過流斷面見圖2。下面討論邊坡系數(shù)已知的情況下，排水溝道斷面為梯形時(shí)的水力最優(yōu)條件。

圖2 梯形過流斷面

斷面的各水力要素之間的關(guān)系如下：

(9)

由式(9)可得梯形斷面濕周為：

(10)

可將式(10)對水深h求導(dǎo)，求其函數(shù)的極小值。即令：

(11)

再求二階倒數(shù)得：

(12)

故函數(shù)的極小值存在。解式(11)，將式(9)中A的表達(dá)式代入，可以得到β=b/h表示的梯形斷面水力最優(yōu)條件為：

(13)

由上式可以看出，梯形斷面的最優(yōu)水力條件下的寬深比β僅與斷面的邊坡系數(shù)m有關(guān)。并且將式(13)代入式(7)中，可以發(fā)現(xiàn)：

(14)

式(14)表明，梯形斷面的最優(yōu)水力條件下的的水力半徑等于水深的一半。

1.5 隧道防排水系統(tǒng)及其協(xié)同作用

我們知道，對于隧道堵水系統(tǒng)來講，它的首要作用就是將大部分的滲水量堵在襯砌結(jié)構(gòu)之外，不讓地下水滲入到襯砌結(jié)構(gòu)后頭，并且還需要承擔(dān)一定的圍巖壓力以及水壓力；而排導(dǎo)系統(tǒng)的作用則是將把堵水系統(tǒng)所堵住的隧道結(jié)構(gòu)滲水量絕大部分或者全部的水量排出到隧道結(jié)構(gòu)外，使得作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水荷載能夠得到有效的下降；因此要使得隧道的結(jié)構(gòu)的滲水量以及作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外壓力能夠得到有效降低，可以通過改變注漿圈的抗?jié)B性能來實(shí)現(xiàn)，即增加其抗?jié)B的能力，但這并不意味著我們可以無限增大注漿圈抗?jié)B性能，因?yàn)榭節(jié)B性能增加到一定程度時(shí)，對于隧道的結(jié)構(gòu)滲水量以及作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓的控制作用趨于平緩。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 常用的注漿材料

對隧道施工過程中的涌水處治，在選擇何種注漿漿液時(shí)應(yīng)該從工程實(shí)際出發(fā)，考慮隧址及周邊的地質(zhì)條件、水系系統(tǒng)、注漿施工空間、工程處治要求、漿材性能及注漿工藝，還應(yīng)考慮漿液與注漿機(jī)理的吻合情況、注漿成本及環(huán)境保護(hù)等綜合因素，根據(jù)實(shí)際需要和可行性，選擇最為適宜的漿材，使之獲得最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。目前隧道涌水處理最常用的漿液是單液水泥漿和雙液水泥-水玻璃漿。

鑒于施工中存在的多種不確定因素，建議該隧道工程注漿圈厚度[9]取值為5 m，現(xiàn)在山嶺隧道施工中都是采取環(huán)縱橫向排水管及盲管+墻角泄水孔的排水方式。目前在隧道施工中所用的縱向排水盲管是半徑為5 cm的有細(xì)孔的軟式透水管。洞內(nèi)采用雙側(cè)水溝外加中心矩形蓋板水溝進(jìn)行排水,而中心水溝與雙側(cè)排水溝相連通,把雙側(cè)水溝匯聚的地下水通過中心水溝排到隧道洞體外。

2.2 注漿方式及順序

注漿的方式大體上可以分為全段式注漿以及分段式注漿兩種，而分段式注漿按照注漿的順序又可以分為前進(jìn)式和后退式注漿。注漿方式的選擇應(yīng)該依據(jù)圍巖狀況、注漿設(shè)施能力及地下水分布情況來確定。

全段式注漿就是按照注漿設(shè)計(jì)的長度一次性鉆孔到位，然后一次性完成注漿。其優(yōu)點(diǎn)很多：一次性鉆孔到位，避免了多次分別鉆孔和注漿，減少了鉆孔和注漿的各個(gè)施工環(huán)節(jié)，大大提高施工效率；對圍巖的擾動次數(shù)少，有利于圍巖的穩(wěn)定；施工工藝簡單，節(jié)約成本。但也存在一些不足：由于注漿長度較長，漿液可能會造成凝結(jié)，阻礙漿液的流動，也可能因裂隙的發(fā)育復(fù)雜引起漿液的不均勻擴(kuò)散甚至造成大量漿液的流失，故其注漿質(zhì)量難以得到保證；該方法適用于裂隙不是很發(fā)育且較均勻、涌水量較小的情況。

分段前進(jìn)式注漿就是首先按設(shè)計(jì)鉆一定距離的孔，跟著進(jìn)行注漿，然后開挖至設(shè)計(jì)長度后再進(jìn)行注漿，在開挖，工序反復(fù)進(jìn)行直達(dá)達(dá)到設(shè)計(jì)長度為止。這種方法的有點(diǎn)在于注漿長度較短，對鉆機(jī)級注漿設(shè)備性能要求較低，復(fù)注段落多，容易保證注漿效果，保障施工安全。

分段后退式注漿就是一次性鉆孔到注漿設(shè)計(jì)深度，然后由孔的地段往前按設(shè)計(jì)分段注漿，直到掌子面為止。該方法的優(yōu)點(diǎn)最為明顯的就是在不必增加多次鉆孔的前提下，由掌子面往里掘進(jìn)，通過開挖可以實(shí)際檢查注漿效果，預(yù)知前方圍巖狀況，確保施工安全，若是發(fā)現(xiàn)注漿不佳，可以通過補(bǔ)漿來達(dá)到注漿效果。

2.3 防水板施工

(1)鋪設(shè)防水板前先鋪設(shè)土工無紡布，且土工布重量不小于400 g/m2,且其厚度不應(yīng)該小于1.5 mm；兩幅防水板搭接寬度15 cm,且在鋪設(shè)防水板時(shí)，據(jù)防水板幅面大小，將防水板托起貼著噴混凝土表面由拱頂向兩側(cè)墻部鋪設(shè)，以保證防水效果，又能預(yù)留搭接余量。

(2)無紡布之間采用搭接法進(jìn)行連接，搭接寬度不小于5 cm，鋪設(shè)固定完成后，再將防水板固定到預(yù)定位置，使防水板焊接在固定無紡布的專用熱熔襯墊上，與無紡布充分接合并緊貼在噴射混凝土表面。具體如圖3所示。

圖3 防水板鋪設(shè)示意

2.4 施工縫及變形縫防水處理

2.4.1 施工縫防水

DK274+914.14～DK284+985為弱富水區(qū)，環(huán)向仰拱施工縫采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶+毛細(xì)排水板(幅寬1 m)的復(fù)合防水構(gòu)造，并增設(shè)一幅2 m寬的防水板及無紡布；DK284+985～DK286+780.06為貧水區(qū)，環(huán)向仰拱施工縫采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶的復(fù)合防水構(gòu)造，并增設(shè)一幅2 m寬的防水板及無紡布；縱向施工縫設(shè)置中埋鋼邊橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶的復(fù)合防水構(gòu)造，如圖4所示。

圖4 施工縫防水結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 變形縫防水

采用中埋式止水帶+背貼式橡膠止水帶+聚乙烯泡沫板填縫的復(fù)合防水構(gòu)造。背貼式防水帶后布設(shè)一環(huán)2 m寬復(fù)合防水板，背襯無紡布。防水結(jié)構(gòu)見圖5。

3 結(jié)論

(1)對隧道圍巖的抗?jié)B性進(jìn)行分級的主要目的是將隧道劃分為不同的防水區(qū)段，對結(jié)構(gòu)滲水量進(jìn)行預(yù)測，并確定合理的排水量控制標(biāo)準(zhǔn)，然后對不同的區(qū)段單元來確定不同的對策；依據(jù)圍巖抗?jié)B性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以滲透性作為指標(biāo)，我們可將隧道圍巖劃分成四個(gè)等級，依次是I、II、III、IV ，級別越高，圍巖的滲透性能也在增強(qiáng)，換而言之，其抗?jié)B性在減弱；而針對于III 、IV 級的圍巖，因?yàn)槠錆B透性很大，滲水量最大，所以在施工時(shí)除卻采用初期支護(hù)堵水措施外，還需要另外設(shè)置加固圈進(jìn)行聯(lián)合堵水，兩者共同作用可使?jié)B水量得到有效地控制。

(2)事實(shí)上，可將隧道滲水主要分為兩個(gè)過程，一是施工過程中的滲流量，可稱為初始滲流量；二是隧道完成后的隧道結(jié)構(gòu)滲水量，它是指對圍巖進(jìn)行注漿加固以及初期支護(hù)等改良和處置后的滲水量才作為圍巖滲水量，通常以此作為排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)注漿的主要作用在于降低襯砌背后的滲水量，且存在一個(gè)相對經(jīng)濟(jì)合理的注漿圈加固參數(shù)值。如若要使得隧道的結(jié)構(gòu)的滲水量以及作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外壓力能夠得到有效降低，可以通過改變注漿圈的抗?jié)B性能來實(shí)現(xiàn)，即增加其抗?jié)B的能力，但這并不意味著我們可以無限增大注漿圈抗?jié)B性能，因?yàn)榭節(jié)B性能增加到一定程度時(shí)，對于隧道的結(jié)構(gòu)滲水量以及作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓的控制作用趨于平緩。