城際鐵路礦山法隧道防排水體系探討

陳國(guó)棟

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

城際鐵路是以實(shí)現(xiàn)相鄰城市的快速連接為目的區(qū)域鐵路，其建設(shè)環(huán)境同傳統(tǒng)的中國(guó)鐵路干線及城市軌道交通均有較大差異。一方面，由于其主要位于大型城市周邊，為統(tǒng)籌城市發(fā)展、節(jié)約土地資源及減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，大量采用全地下形式敷設(shè)，區(qū)間采用全隧道，車站采用地下車站，導(dǎo)致其無(wú)法形成地下水自然排泄通道，若采用傳統(tǒng)鐵路隧道目前遵循的“以排為主”的理念[1]，勢(shì)必導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期抽排水成本巨大，同時(shí)也對(duì)地下水資源及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響；另一方面，穿越城市周邊的城際鐵路隧道埋深及地下水水位均顯著高于位于城區(qū)的城市軌道交通隧道，因而城市軌道交通隧道采取的“以防為主”[2]的隧道防排水理念不能完全適用于城際鐵路隧道。因此，如何在“以排為主”和“以防為主”之間尋求平衡，實(shí)現(xiàn)隧道工程結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理，成為了城際鐵路建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。

1 “全封防水”型襯砌結(jié)構(gòu)合理性分析

本文以承受水壓荷載能力最好的“全封防水”型襯砌即圓形襯砌為例，借助有限元計(jì)算軟件ANSYS，對(duì)內(nèi)徑為8.0 m的深埋巖質(zhì)隧道在不同水壓條件下的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢算，以此分析合理的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。除水壓外，考慮的荷載還包括結(jié)構(gòu)自重及圍巖壓力，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 深埋巖質(zhì)隧道荷載-結(jié)構(gòu)模型圖

圍巖等級(jí)按Ⅲ級(jí)考慮，相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

參考TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，深埋巖質(zhì)隧道垂直及水平勻布地層壓力可按式(1)和式(2)確定。

Pe=γha

(1)

qe=λPe

(2)

ha=0.45×2s-1×ω

(3)

式中：Pe——圍巖垂直勻布?jí)毫Γ?/p>

qe——圍巖水平勻布?jí)毫Γ?/p>

γ——圍巖重度；

ha——計(jì)算圍巖高度；

s——圍巖級(jí)別；

ω——寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)；

B——隧道開(kāi)挖寬度；

i——B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，B<5 m時(shí)，i=0.2，B>5 m時(shí)，可取i=0.1；

λ——側(cè)壓力系數(shù)。

外水壓力采用徑向加載，拱頂處水壓按式(4)計(jì)算。

Pw=γwhw

(4)

式中：γw——水重度；

hw——地下水位高度。

根據(jù)上述模型，結(jié)合破損階段法對(duì)40 cm厚、HRB400鋼筋(φ20@250)的C35鋼筋混凝土圓形襯砌進(jìn)行檢算，并將不同拱頂水壓下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)繪制成曲線如圖2所示。

圖2 40 cm厚圓形襯砌安全系數(shù)與拱頂水壓關(guān)系圖

從圖2可以看出，對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖下的圓形襯砌，由于圍巖壓力較小，水壓實(shí)際為不利荷載，襯砌安全系數(shù)隨水壓增大而降低，當(dāng)拱頂水壓達(dá)到1.4 MPa以上時(shí)，安全系數(shù)K小于2，不滿足規(guī)范要求。

進(jìn)一步通過(guò)有限元計(jì)算分析，得到無(wú)水壓與1.4 MPa拱頂水壓下40 cm圓形襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖，如圖3所示。從圖3可以看出，與無(wú)水壓工況相比，1.4 MPa拱頂水壓下，襯砌彎矩分布形式發(fā)生改變，兩側(cè)負(fù)彎矩范圍增大，最大彎矩從拱頂?shù)恼龔澗?36 089 N·m變?yōu)楣凹缣幍呢?fù)彎矩-99 833.9 N·m，數(shù)值上增大176.6%；拱部軸力明顯增大，最大軸力從-565 022 N變?yōu)?6.42×106N，增大 1 036.2%?？梢?jiàn)，在高水壓下，圓形襯砌軸力極大，使得其截面呈現(xiàn)小偏心受壓特征，經(jīng)檢算，安全系數(shù)不滿足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求。

圖3 無(wú)水壓與1.4 MPa拱頂水壓下40 cm圓形襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，襯砌小偏心受壓的截面強(qiáng)度為：

(5)

式中：K——安全系數(shù)，不應(yīng)小于2；

N——軸力；

e——鋼筋的重心至軸向力作用點(diǎn)的距離；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度；

b——矩形截面寬度，取為1 m；

h0——截面有效高度；

Rg——鋼筋的抗壓計(jì)算強(qiáng)度；

A′g——受壓區(qū)鋼筋的截面面積；

a′——受壓區(qū)鋼筋重心分別至截面最近邊緣的距離。

由式(5)可知，在同一內(nèi)力條件下，為提高安全系數(shù)，可采取提高襯砌厚度、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增加主筋面積或提高鋼筋等級(jí)等措施實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)有礦山法施工工藝分析，混凝土強(qiáng)度及鋼筋強(qiáng)度等級(jí)可增加的空間有限，對(duì)提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的貢獻(xiàn)不大；而增加主筋面積需通過(guò)加密配筋來(lái)實(shí)現(xiàn)，在主筋間距小于200 mm的情況下對(duì)混凝土澆筑和振搗質(zhì)量影響較大，因此，該方式對(duì)提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的貢獻(xiàn)仍然不大，且缺乏經(jīng)濟(jì)性和合理性的考慮。因此，對(duì)于高水壓下的礦山法隧道，若要通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以提高抗水壓能力，增大襯砌厚度是最為可行的方案。

為進(jìn)一步分析襯砌厚度對(duì)襯砌承受高水壓荷載的貢獻(xiàn)，針對(duì)不同襯砌厚度、不同水壓條件下的礦山法隧道圓形襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同襯砌厚度下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)圖

圖5 不同拱頂水壓下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)圖

從圖4、圖5可以看出，在高水壓條件下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨襯砌厚度增加而增加，加大襯砌厚度可顯著提升結(jié)構(gòu)抗水壓能力。但即使不考慮經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等因素，將襯砌厚度增大到65 cm，也僅能抵抗2 MPa左右的水壓；而城際鐵路隧道的最大埋深普遍超過(guò)200 m，理論水壓在2 MPa以上?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)“全封防水”型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化加強(qiáng)，無(wú)法徹底解決襯砌抵抗高水壓荷載的問(wèn)題。

2 “限量排放”與“限壓排放”理念的適應(yīng)性分析

既然只通過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)解決襯砌抵抗高水壓的方案既不經(jīng)濟(jì)也無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，“排水泄壓”則成為了必然選擇，如前所述，對(duì)于城際鐵路隧道，從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)以及運(yùn)營(yíng)安全等方面考慮，均不適宜采用地下水“全排”的方案，而應(yīng)該采取“限排”方案。針對(duì)隧道“限排”方案，工程設(shè)計(jì)人員往往對(duì)“限量排放”和“限壓排放”兩種防排水模式存在較大爭(zhēng)議。

所謂“限壓排放”，即在隧道襯砌特殊部位安設(shè)限壓閥，限壓閥與襯砌背后地下水連通，如圖6所示，并對(duì)“限壓閥”設(shè)置一定的壓力限值，當(dāng)限壓閥處的水壓力達(dá)到限值后，閥門將自動(dòng)開(kāi)啟引排襯砌背后地下水，當(dāng)限壓閥處水壓力降低后，閥門又可自動(dòng)關(guān)閉，以此保證襯砌背后水壓力始終低于結(jié)構(gòu)所能承受的最大水壓力。

圖6 “限壓排放”襯砌示意圖

陶偉明[4]通過(guò)對(duì)隧道地下水滲流場(chǎng)的解析得到了多種介質(zhì)地下水滲流模型，如圖7所示，并推導(dǎo)出地下水流量公式：

圖7 多種介質(zhì)地下水滲流模型圖[4]

(6)

各種介質(zhì)范圍的水力勢(shì)分別為：

(7)

(8)

(9)

式中：Q——地下水流量；

r1、r2、r3——分別為介質(zhì)一、二、三的內(nèi)緣半徑；

r4——介質(zhì)三的外緣半徑；

K1、K2、K3——分別為介質(zhì)一、二、三的滲透系數(shù)；

H1——介質(zhì)一內(nèi)緣水力勢(shì)；

H4——介質(zhì)三外緣水力勢(shì)；

H1r、H2r、H3r——分別為介質(zhì)一、二、三區(qū)域內(nèi)的水力勢(shì)。

介質(zhì)一、二、三可分別視為隧道襯砌、周邊加固圈及原狀圍巖，根據(jù)式(6)～式(9)可知，當(dāng)限壓閥關(guān)閉時(shí)，襯砌為完全不排水狀態(tài)，等效于K1→0，此時(shí)，始終有襯砌結(jié)構(gòu)自然排水量Q1=0，H2=H4，即襯砌背后水壓最終將等于全水壓，限壓閥最終都將處于開(kāi)啟狀態(tài)；而當(dāng)限壓閥開(kāi)啟后，襯砌為完全排水狀態(tài)，等效于K1→∞，此時(shí)，因未對(duì)襯砌周邊圍巖進(jìn)行堵水加固，有K2=K3，則襯砌結(jié)構(gòu)排水量Q1等于洞室自然排水量Q0。因此，采用此種排水方案理論上無(wú)法達(dá)到“限排”的目的。

目前，“限壓排放”大多應(yīng)用在城市地鐵的高水壓隧道中，實(shí)踐結(jié)果表明，采用“限壓排放”方案的隧道難以到達(dá)理想的“限排”效果，甚至?xí)l(fā)一些病害，其原因除限壓閥損壞、排水盲管堵塞以外，最主要的還是由于圍巖并非完全各向同性體，節(jié)理裂隙的不均勻性導(dǎo)致襯砌背后不同部位的水壓力并非均勻分布。限壓閥位置的襯砌外緣水壓力尚未達(dá)到壓力設(shè)定限值時(shí)，往往會(huì)因其他部位襯砌背后水壓力超限導(dǎo)致地下水從襯砌結(jié)構(gòu)薄弱部位或接縫位置發(fā)生滲漏。

與“限壓排放”相對(duì)應(yīng)的，“限量排放”方案的思路是對(duì)隧道固定長(zhǎng)度的排水量設(shè)定一個(gè)限值，根據(jù)開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)的圍巖出水量情況，對(duì)不滿足該排水量限值的段落進(jìn)行洞內(nèi)周邊徑向注漿，以封堵集中出水點(diǎn)及部分圍巖節(jié)理裂隙，達(dá)到降低圍巖透水性、減小圍巖出水量的目的，直至洞周圍巖出水量滿足“限量排放”要求為止。在此基礎(chǔ)上，隧道采用排水型襯砌，對(duì)限值以下的圍巖出水進(jìn)行引排，消除襯砌背后水壓力。

由式(6)～式(9)可知，由于隧道采用全排型襯砌，等效于K1→∞，當(dāng)對(duì)周邊圍巖進(jìn)行注漿后，可在一定程度上降低其透水性，即K2

“限量排放”的防排水理念在我國(guó)鐵路隧道中已有較多實(shí)踐案例，取得了較理想的效果，其中以渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道和圓梁山隧道[5]為典型代表?，F(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》已將“以堵為主、限量排放”作為隧道在中、高水壓環(huán)境下推薦的防排水設(shè)計(jì)原則[6]。目前在建的大瑞鐵路、成蘭鐵路等工程中，在穿越水環(huán)境敏感區(qū)域時(shí)，大量采用了這一防排水方案。

綜上所述，“限量排放”方案從理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上均較“限壓排放”方案更為可靠。

3 “限量排放”治水方案的工程實(shí)踐

本文以某在建城際鐵路隧道為依托工程，該隧道長(zhǎng) 6 605 m，采用全地下敷設(shè)，兩端連接地下車站，線路縱坡采用“N”字型坡，區(qū)間無(wú)地下水自排條件，于線路最低點(diǎn)位置設(shè)置水泵房，采用機(jī)械抽排地下水，小里程出站端 1 645 m采用盾構(gòu)法施工，其余 4 960 m全部采用礦山法施工，如圖8所示。隧道洞身依次穿越灰?guī)r、砂巖、灰?guī)r、角礫巖及花崗巖，礦山法段落大部分位于微風(fēng)化花崗巖內(nèi)。隧道埋深為12～259 m，其中盾構(gòu)段最小埋深12 m，最大埋深55 m，盾構(gòu)段地下水位埋深為0.5～15 m，盾構(gòu)段采用不排水的管片襯砌；礦山法段最小埋深18 m，最大埋深達(dá)259 m，地下水位埋深為1.5～40 m，礦山法段落大部分位于深埋越嶺段，深埋越嶺段地下水位埋深均大于10 m。礦山法段落預(yù)測(cè)正常涌水量約 23 233 m3/d，最大涌水量約 162 636 m3/d，若采用地下水全排方案，則運(yùn)營(yíng)期地下水抽排及設(shè)備檢修維護(hù)成本巨大，若采用地下水全封防水方案，大埋深越嶺段襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)法承受超高的水壓荷載。因此，設(shè)計(jì)單位對(duì)該段礦山法隧道采用了“限量排放”與“全封防水”相結(jié)合的地下水處治方案。

圖8 隧道縱斷面示意圖(m)

3.1 “限量排放”與“全封防水”水壓分界值的確定

為盡量減少運(yùn)營(yíng)期排水對(duì)地表水環(huán)境的影響及降低運(yùn)營(yíng)期排水的費(fèi)用，隧道應(yīng)盡量多采用“全封防水”型襯砌，減少排水段落。因此，在保證結(jié)構(gòu)安全和防水性能可靠的前提下，“限量排放”與“全封防水”的水壓分界值應(yīng)盡可能取大值。

礦山法隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身的抗水壓能力取決于其斷面形狀、結(jié)構(gòu)厚度和配筋，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)于單線隧道，襯砌厚度為40～50 cm時(shí)，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)配筋，基本可適應(yīng)0.5 MPa的外水壓力，若對(duì)斷面進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，其承受外水壓力的能力將進(jìn)一步提高，且對(duì)工程造價(jià)影響較小[7]。對(duì)近年來(lái)采用“全封防水”型襯砌的礦山法隧道進(jìn)行調(diào)研，具體情況如表2所示。

表2 采用“全封防水”型襯砌的礦山法隧道表

目前，“全封防水”型襯砌在隧道凈水頭不超過(guò)50 m的工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并取得了較好的效果，大量的工程實(shí)踐也證明在水頭超過(guò)60 m的情況下若不采取其他輔助措施，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)本身將難以達(dá)到全封防水的目的。因此，目前業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的“全封防水”型襯砌的合理最大水頭高度為50～60 m[8]。而德國(guó)相關(guān)規(guī)定則將60 m作為防水型復(fù)合式襯砌適用的最大水頭高度。

綜上所述，考慮到現(xiàn)有材料性能和施工工藝水平，并參考既有工程經(jīng)驗(yàn)，此工程采用的“限量排放”與“全封防水”型襯砌的水壓分界值確定為60 m，即水頭高度大于60 m地段采用“限量排放”型襯砌；水頭高度小于60 m的地段采用“全封防水”型襯砌。

3.2 “全封防水”型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)“全封防水”型襯砌所承受的最大水頭高度，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型參考第1節(jié)，考慮的荷載包括圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重、襯砌外緣水壓力。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及力學(xué)性能，經(jīng)計(jì)算確定的襯砌橫斷面如圖9所示。

圖9 “全封防水”型襯砌橫斷面圖(mm)

經(jīng)計(jì)算分析可知，在考慮深埋高水壓荷載的情況下，各級(jí)圍巖下對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)起控制作用的荷載均為水壓荷載，因此，淺埋工況不作為設(shè)計(jì)的控制工況，而依托工程深埋越嶺段穩(wěn)定地下水位埋深均大于10 m，為盡量減少運(yùn)營(yíng)期排水的環(huán)境影響及工程造價(jià)，取埋深70 m作為“全封防水”型襯砌的最大適用埋深，其抗水壓能力按0.6 MPa設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，各級(jí)圍巖段隧道襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 “全封防水“型襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 “限量排放”標(biāo)準(zhǔn)的確定

國(guó)內(nèi)外典型“限量排放”型隧道的地下水排放標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，從既有工程案例及其實(shí)施效果來(lái)看，地下水限量排放標(biāo)準(zhǔn)在0.05～5 m3/(d·m)之間均有應(yīng)用案例。因此，在不小于0.05 m3/(d·m)的前提下，不同排放標(biāo)準(zhǔn)從現(xiàn)有施工工藝和技術(shù)上均可行。為確定合理的地下水排放量，應(yīng)針對(duì)工程本身和周邊環(huán)境要求的不同進(jìn)行綜合考慮。

表4 國(guó)內(nèi)外典型“限量排放”型隧道地下水排放標(biāo)準(zhǔn)表[9]

根據(jù)既有工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，鐵路山嶺隧道大多具備地下水自然排泄的條件，采用“限量排放”的原因多為環(huán)保要求或在富水地段為降低對(duì)地表水系影響及施工涌水風(fēng)險(xiǎn)，其地下水允許排放量相對(duì)較大，一般按1～5 m3/(d·m)控制；而對(duì)于一些跨江越?；虺菂^(qū)采用全地下敷設(shè)的隧道，因地下水不具備自然排泄條件，為減小運(yùn)營(yíng)期抽排水成本，同時(shí)考慮到平衡建設(shè)期注漿堵水成本，其地下水允許排放量相對(duì)較小，一般控制在0.5～1 m3/(d·m)；對(duì)于穿越人員及建構(gòu)筑物較為密集的城市建成區(qū)的隧道，為避免施工及運(yùn)營(yíng)期地下水排放對(duì)周邊生產(chǎn)生活用水產(chǎn)生影響及造成地層變形進(jìn)而危及建(構(gòu))筑物，其地下水允許排放量則更為嚴(yán)苛，通常低于0.5 m3/(d·m)。

依托工程具備典型的城際鐵路與市域(郊)鐵路的特點(diǎn)，其功能定位為連接中心城市與周邊區(qū)域，所處位置為城區(qū)邊緣的越嶺地段，采用全地下敷設(shè)的形式，隧道不具備地下水自然排泄條件。同時(shí)，工程周邊環(huán)境以林地和自然保護(hù)區(qū)為主，基本無(wú)建(構(gòu))筑物或居民，對(duì)地表水及地下水水位變化的敏感程度一般。因此，依托工程地下水排放標(biāo)準(zhǔn)的確定主要考慮因素為減小施工期間注漿堵水及運(yùn)營(yíng)期抽排水綜合成本。綜合以上因素及既有工程的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，最終確定該工程地下水“限量排放”標(biāo)準(zhǔn)為1 m3/(d·m)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)城際鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期防排水特點(diǎn)的分析，運(yùn)用工程調(diào)研、理論分析和計(jì)算模擬的手段，得出以下主要結(jié)論：

(1)城際鐵路礦山法隧道在高水壓環(huán)境下通過(guò)加大襯砌厚度、增加配筋等結(jié)構(gòu)加強(qiáng)手段以提高其抵抗高水壓的能力的作用有限且不經(jīng)濟(jì)。

(2)大埋深、高水壓環(huán)境下對(duì)襯砌背后地下水適當(dāng)引排以減小襯砌背后水壓荷載的手段是有效且十分必要的。

(3)高水壓環(huán)境下隧道采用地下水“限壓排放”模式最終難以達(dá)到限排效果，而“限量排放”是高水壓環(huán)境下隧道地下水限排模式的合理選擇。

(4)在現(xiàn)有材料性能和施工工藝水平下，考慮經(jīng)濟(jì)合理性，依托工程礦山法隧道“全封防水”型襯砌承受的極限水壓不宜超過(guò)0.6 MPa。

(5)結(jié)合某在建城際鐵路礦山法隧道工程特點(diǎn)，通過(guò)工程調(diào)研、數(shù)值計(jì)算等方法，確定了“限量排放”與“全封防水”的合理水壓分界值及“限量排放”的排水量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同工況下的“全封防水”型襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。