无纺布对海底隧道衬砌防水作用的试验研究

谭忠盛，李 健，卓 越,，张 鹏

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中交第二公路勘察设计院有限公司，武汉 430056；3.中国中铁隧道集团科研所，河南 洛阳 471009；4.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

1 引 言

暗挖海底隧道分布在海底，水压高，水源无限稳定补给，不具备自然坡降水条件，使其渗水问题远比陆地隧道严重得多[1－3]。在隧道防水设计中，一般采用复合式衬砌，其防水技术的核心是在复合式衬砌中设置防水层，防水层由防水板及其垫层组成。垫层的主要作用是保护防水板，避免防水板遭尖锐物的刺伤，同时充当喷射混凝土与二次衬砌间的渗水下排通道[3－5]。针对垫层的作用，要求垫层材料具有较好的应力、应变性能、较高的韧性和较好的渗透性，并且耐腐蚀、耐老化，目前工程上常用无纺布作为防水板的垫层[6－7]。无纺布的使用在力学上能缓冲初期支护与防水板之间的作用，在水力上能将渗水引入边沟，两者极大地改善了隧道衬砌结构的应力环境。但无纺布如何改变隧道衬砌上水压力分布及结构应力分布，至今还未有相关研究报道。

本文依托厦门翔安海底隧道，采用可同时考虑水压力、土压力共同作用的模型试验台架，使用相似材料制作模型，模拟海底隧道的耦合应力场，通过调整排水量及水压得到衬砌背后水压分布规律，从而验证无纺布对隧道衬砌背后水压力分布规律的影响；通过调整水压、排水量及土压得到隧道衬砌结构应力变化规律，从而验证无纺布对隧道结构变形规律的影响。

2 试验方案

2.1 工程背景

F1、F2、F3全强风化深槽以及F4全强风化囊是厦门翔安海底隧道设计与施工的关键技术问题之一，其中又以 F4全强风化囊最为复杂，该段岩层的围岩级别为V级，此类全-强风化岩体强度低、自稳能力差。该段海水深约为25 m，隧道拱顶上层覆土厚度约为40 m，为全强风化岩层，地质钻孔资料显示，风化岩体碎裂成泥土状，模型试验可视为各向同性松散孔隙介质。该段隧道拱顶最大水压为0.65 MPa。

由于隧道所处地质条件变化大，任何一种防排水方案都不能完全适应环境条件。根据对隧道所处地质条件、水压、结构耐久性和后期运营抽水费用等的综合分析，针对不同地层采用不同的结构防排水方案。对Ⅳ、Ⅴ级围岩，全-强风化、断层破碎带等富水围岩段，渗水量较大，在此类地段采用全封堵方案，加强围岩预注浆，控制较大水量进入隧道；但隧道仍设纵向排水管以排出少量的渗漏水，衬砌按全水压设计。对于地质条件好的Ⅱ、Ⅲ级围岩地段，采用限量排放方案，设置包括环向盲管等完整的地下水排导系统。主洞隧道的结构防排水方案如图1所示。

2.2 相似准则

相似准则是模型试验相似比尺设计的关键，可以利用定律分析法、方程分析法或量纲分析法推导出相似准则[8－9]。本文采用量纲分析法推导模型的相似比，该方法以相似第二定理（π定理）为理论基础。根据量纲分析法，选择质量M（kg）、长度L（m）、时间T（s）为基本量纲，取3个独立的物理量，对于几何尺寸l、重度γ、渗透系数k的因次系数矩阵如下：

故可取这3个物理量为基本物理量，根据π定理可得各个物理量相似常数计算公式[10－11]。通过相似理论和模型试验原理的研究，以及原型的工程地质状况和隧道结构形式，结合模型试验台架的几何尺寸，模型试验研究中选取的几何相似常数[6]分别为：αl=38.88，重度αr=1，泊松比αμ=1，弹性模量αE=αrαl=38.88，围岩渗透系数αk=1。

2.3 相似材料的配制

根据模型试验台架的容积，所需的围岩材料约为5 m3。取得相似材料的原料即砂性黏土后，第1步是对原料进行筛选，去除砂性黏土中的石块和杂物，确保相似材料的均质与各向同性性；第2步取样进行围岩相似材料的土工试验，测试围岩的物理力学参数。所有进行的土工试验项目如表1所示。根据围岩相似材料的土工试验项目，对原料取样进行土工试验，测得其物理力学参数如表2所示。

根据以上围岩相似材料的土工试验成果得到各项物理力学参数，代入相似理论与模型试验原理的确定的相似准数计算公式（1），围岩相似材料的选择非常好的满足了模型试验的相似准则。

2.4 试验装置

本模型试验采用北京交通大学自主研发的可同时加载水压力和围岩压力的隧道模型试验装置进行试验。台架尺寸为260 cm×100 cm×180 cm。竖向4个液压加载千斤顶，水平方向左右各有2个液压加载千斤顶，每个最大加载500 kN。同时可在上顶面加0～0.5 MPa的水压。液压加载系统与水压加载系统无干涉。

表1 围岩相似材料物理力学指标的土工试验值Table1 Geotechnic test data of surrounding rock similar material physico-mechanical indices

表2 原型与模型材料主要物理力学指标比值Table2 Main physico-mechanical index ratios of prototype and model

图2 隧道结构与围岩相互作用模拟试验系统Fig.2 Simulated test system for interaction of tunnel structure and surrounding rock

2.5 试验内容

试验主要测试项目：模型有、无无纺布断面衬砌背后水压力、衬砌结构内外侧应变，测点布置如图3所示。应变采用光纤光栅传感测量系统，水压采用U型水银压力计测量，如图4、5所示。

图3 水压及应力测点布置图Fig.3 Layouts of water pressure and stress monitoring points

图4 光纤光栅采集系统Fig.4 Fiber grating acquisition system

图5 U型水银压力计Fig.5 U-type mercury manometer

2.6 试验过程

试验过程如下：（1）采用有机玻璃材料制作隧道结构模型，注浆圈材料为围岩材料加注水泥、水玻璃溶液，表面设置防水板和无纺布，其中前半个表面不铺设无纺布，后半个表面铺设无纺布；（2）排水盲管与排水口的设置，采用塑料细管制作纵向盲管，外表壁设置大量透水口，外由纱布包扎，防止砂土流入引起阻塞，在两侧各设置6处排水口；（3）安装光纤光栅应变传感器；（4）安装模型外防排水系统；（5）在台架内安装隧道模型、回填岩土体及埋设水压测试点；（6）施加水压至稳定状态，当测排水量时前半部分两侧各3个共6个汇入一个水龙头内、后半部分两侧各3个共6个排水口汇入另一个水龙头内，且通过调整尽量使两个龙头的流速相同；（7）调试不同排水量待试验水压稳定后得出前、后两断面水压分布规律；（8）调试不同水压待试验水压稳定后得出全封堵时前、后两断面水压分布规律；（9）分别对只加土荷载、施加同一水压条件不同排水量下、以及水、土压力共同作用下衬砌模型的表面应变进行测试与数据采集。

3 试验结果分析

通过模型试验，得到变排水量及变水头过程中衬砌水压力的分布规律。

3.1 水压测试数据分析

3.1.1 变排水量过程中各点水压变化规律

变排量过程中各点水压变化情况见图 6。分别以不铺设无纺布的测点1及铺设无纺布的测点7为例，将其水压变化规律列于图 7。由试验结果可以得出以下规律：

图6 变排水量过程中各点水压变化规律Fig.6 Laws of water pressure variation of measuring points when water discharge changing

（1）分析图6、7可发现，当盲管的排水量小于衬砌周围的水源补给时，各测点的水压分布规律较好。在铺设无纺布的情况下，水压分布的均匀性较不铺设无纺布情况下好、集中，且图6(b)中铺设了无纺布的相应各测点的水压都比不铺设无纺布的各测点的水压值小；无纺布起到了很好的集水、附水的作用，使衬砌周围的水压分布更为均匀。

（2）分析图6发现，排水伊始由于衬砌四周的水量充足，各测点的水压下降得较为缓慢，上图中的水压曲线的斜率较小；当排水量变化到 4 mL/s时，由于排水通畅，各测点水压下降较快，水压曲线斜率较大；然而当排水量达到7 mL/s时，各测点的水压又下降得较为缓慢，水压曲线斜率较小。

（3）在排水量为0的全封堵状态，测点1、2、3位置较高水压较小，测点4、5、6位置较低，水压较大。随着盲管排水的开始，测点4、5、6因离排水口较近，故其水压降低迅速；而测点 1、2、3位置较高、离排水口较远，故对降压反应较为迟钝。从图 6(a)中可以明显地看出，当排水量在 1.5～3 mL/s时，测点1、2、3的水压和测点4、5、6的水压有一个交叉段。最终，测点4、5、6的水压接近0，测点1的水压降低到全封堵状态时的13.9%，2测点的水压降低到全封堵状态时的5%，测点3的水压降低到全封堵状态时的7%。

3.1.2 变水头过程中各点水压变化规律

变水头过程中各点水压变化情况见图 8。由试验结果可以得出以下规律：

（1）在水头的变化过程中，图8中各测点的水压值基本上与水头的变化成线性增加关系。图8(a)中不铺设无纺布的各测点的水压较为分散，位置较低的点如4、5、6其水压值明显大于位置较高的点1、2、3的水压值；图 8(b)中铺设了无纺布的各测点的水压值较为集中，离散性较小，进一步说明了无纺布的汇水、附水能力。

（2）随着水头的变大，各点的水压均逐渐变大，可以看出，当水头大到一定程度时，水压变化呈现加速趋势。在水头的变化过程中，同一位置测点，铺设了无纺布的水压值均较不铺设无纺布的水压值为大。位置较高的点1、2、3与7、8、9其水压值差异较为明显；位置较低的点4、5、6与10、11、12其水压值差异较小（测点分布见图2）。

3.2 结构变形数据分析

分别对只加土荷载、施加同一水压条件不同排水量下以及水、土压共同作用下衬砌模型的表面应变进行了测试与数据采集。全封堵条件下，根据相似条件，测试外水压分别为32、40、50 kPa时模型结构应变；变排水量条件下，测试水压50 kPa下，排水量（半个断面的）的变化范围为0～11.75 mL/s时模型结构应变。由于篇幅所限，本文只给出几个典型的关系曲线。

3.2.1 变水头过程中衬砌各点应变规律

图9、10分别为32、50 kPa水荷载作用下的衬砌结构应变。从试验结果可以得出以下规律：在全封堵条件下，随着水头的变大，衬砌结构的内、外圈应变基本成线性增长，且有无无纺布其变形规律基本一致；铺设无纺布的衬砌结构表面的应变较不铺设无纺布的衬砌结构表面的应变小。

3.2.2 变排水量过程中衬砌各点应变规律

当水荷载为50 kPa，排水量为1.46、117.5 mL/s时，衬砌结构应变图见图11、12。当水荷载为50 kPa，土荷载为26 kN时，衬砌结构应变见图13。从试验结果可以得出以下规律：在变排水量过程中，铺设无纺布的后断面比不铺设无纺布的前断面对排水量的变化更为敏感，同时铺设无纺布断面测衬砌应变较不铺设无纺布断面小。

图9 32 kPa水荷载作用下衬砌结构应变(单位：10-6)Fig.9 Strains of lining at condition of 32 kPa water pressure (unit: 10-6)

图10 50 kPa水荷载作用下衬砌结构应变(单位：10-6)Fig.10 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure (unit: 10-6)

图11 50 kPa水荷载排水量1.46 mL/s作用下衬砌结构应变(单位: 10-6)Fig.11 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 1.46 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

图12 50 kPa水荷载11.75 mL/s排水量作用下衬砌结构应变 (单位: 10-6)Fig.12 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 11.75 mL/s drainage discharge (unit: 10-6)

图13 50 kPa水荷载和26 kN土压荷载作用下衬砌结构应变(单位: 10-6)Fig.13 Strains of lining at condition of 50 kPa water pressure combined with 26 kN soil pressure (unit: 10-6)

4 结 论

（1）在变排水量的过程中，在同一位置铺设无纺布的各测点水压值均较不铺设无纺布的各测点水压值小，说明无纺布起到了很好的集水、附水作用，加强了水在衬砌四周的流动性、相互补给性，使衬砌周围的水压分布更为均匀。从衬砌的结构应变也可以看出，随着排水量的增大，铺设无纺布的衬砌结构表面的应变较不铺设无纺布的衬砌结构表面的应变减小得快。

（2）在全封堵状态水头增大的过程中，铺设无纺布的衬砌结构表面的应变较不铺设无纺布的衬砌结构表面的应变值大，且随着水头的增大其变化率也增大，说明了无纺布具有一定的附水能力。

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