隧道排水系统工作能力对衬砌水压力的影响探讨

蒋雅君，李 彬，杨其新，赵菊梅，李国庆

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2．西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

随着近年来我国深埋山岭隧道、水下隧道修建的数量越来越多，如何确定隧道衬砌上承担的地下水荷载及相应的衬砌设计方法也日益得到关注。在隧道衬砌外水压力问题上，国内外许多学者对此展开了许多有建设性的探讨，目前在相关研究中所采用的方法也较多，包括折减系数法、解析数值法、理论解析法、渗流理论分析法和水文地球化学法这五类[1]。

其中，张有天等[2-4]用渗流理论对水工隧洞的外水荷载问题进行了论述，将水荷载作为场力来处理，考虑了水荷载的作用时间关系，运用渗流荷载增量理论计算围岩和衬砌中的渗流场、应力场，并且编制了相应的有限元计算程序在一些水工隧洞衬砌的设计中进行了应用。王建宇等[5-7]依据无限含水层中井的渗流理论，采用轴对称理论提出了衬砌水压力的解析解用于隧道衬砌水压力影响因素的定性分析，该成果在隧道工程中得到了广泛的引用和探讨。以我国近年海底隧道的修建为契机，谭忠盛等[8-9]采用模型试验对隧道排水设施、防水构造型式对海底隧道衬砌水压力问题进行了一定的研究工作，对海底隧道衬砌的结构受力特征进行了分析。龚彦峰[10]结合现场测试对隧道施工和运营阶段衬砌水压力进行了量测，提出了相应的衬砌结构计算模式。关宝树[11]在其论著中总结了国内外相关规范中隧道防排水构造形式，以及对隧道衬砌水压计算模式及取值的规定。结合相关研究成果，目前已经得到共识的结论是：隧道的排水能力(也即衬砌的渗透性)对于衬砌水压的折减或者改善衬砌结构的受力状况来说往往是一个重要的影响因素[11-12]。

虽然众多学者都已经注意到了隧道排水对于减少或消除衬砌水压力的作用或重要性，但是目前尚未针对隧道衬砌排水设施性能展开系统性的研究和探讨，在一些计算和分析中对隧道排水系统的渗透系数(或“衬砌等效渗透系数”[6])大多是假定或根据经验取值，使得研究结果存在一定的局限性。本文针对隧道防排水结构形式、排水系统的渗透性能分析及测试方法等相关内容展开一定的探讨，以对相应的研究工作提供借鉴。

1 隧道防排水型式及衬砌水压力分析

目前我国常见的隧道防水构造形式有排水型、全防型，以及近年提出的防排结合型三种。在山岭隧道中以排水型居多(如公路隧道、铁路隧道)，在城市环境中则以全防型为主(如地铁区间隧道)，但随着对环境保护意识的加强，以“堵排结合，限量排放”理念进行设计的防排结合型隧道防水体系在高水头深埋山岭隧道及水下隧道中也应用较多[13]。

1.1 排水型隧道

常见的排水型隧道构造的主要组成部分包括初支、无纺布缓冲层、防水板、二次衬砌及衬砌背后排水设施等，其中防水板通常只设置在拱墙部位，仰拱处往往只设置横向排水管和中央排水沟(管)，见图1[11]。

在该类隧道中，衬砌背后的排水设施形成完整的体系[14](见图2[15])：沿隧道纵向间隔一定距离设置环向排水盲管，并与设置在衬砌两侧边墙背后底部的纵向排水盲管连接；纵向排水盲管与设置在仰拱处的横向排水盲管联通，以将收集的渗水及时排至隧道内的纵向排水沟或中央排水沟(管)中导出；另外，防水板后的无纺布垫层也能起到对渗水的排导作用[16]。

图1 排水型隧道防水构造[11]

图2 排水型隧道排水体系构造[15]

1.2 防水型隧道

该类隧道构造的主要组成部分包括初支、无纺布缓冲层、防水板、二次衬砌等，其中防水板在隧道全周设置，并取消了衬砌背后的排水系统(见图3[11])，不允许地下水向隧道内进行排放。洞内仅设置路面侧沟，以排出营运清洗污水、消防污水。

1.3 防排结合型隧道

防排结合型(也称为“堵排结合”)隧道构造，通常是在排水型隧道构造的基础上采取了围岩注浆措施，通过注浆堵塞围岩裂隙和填充孔隙形成注浆圈，从而减小围岩的渗透系数以达到限制地层向隧道内的渗水量目的，见图4[17]。在该类隧道中，仍然保留了衬砌背后的排水系统，以排出运营期间渗入衬砌背后的少量地下水，避免水压积聚[7]。

图3 防水型隧道防水构造[11]

图4 防排结合型隧道构造概念图[17]

1.4 衬砌水压力计算方法分析

在我国隧道设计中，各行业的规范对衬砌水压力荷载计算的规定有所不同[5]：地铁区间隧道中采用防水型构造，因此要求按静水压力计算水压力荷载；用矿山法修建的铁路和公路山岭隧道通常采用排水型构造，一般认为可以忽略地下水的作用(只承受很小的动水压荷载)，因此不考虑水压力；水工隧洞对衬砌外水压力的规定介于以上两者之间，采取折减系数的方法对外水压力进行考虑。对防水型隧道衬砌水压力的取值，已经可以通过理论分析和试验证明采用静水头压力作为衬砌水压是合理的[6,18]，目前已经在地铁隧道、城市隧道等类型的隧道广泛使用，因此本文不对该类隧道的衬砌水压力进行讨论。

对排水型和防排结合型这两类隧道，目前对衬砌水压的作用模式和取值则还存在着一些探讨。虽然已经根据简化的轴对称计算模型(见图5)和一些假定可以由达西定律和水流连续性方程推导得出衬砌渗透系数kl、围岩渗透系数kr以及注浆圈渗透系数kg这三者与衬砌水压力P、隧道渗水量Q之间的关系式[5]，也认识到了排水系统的排水能力(通常将其视为衬砌渗透系数kl)在消除衬砌水压力上的重要作用，但是目前在许多文献的计算分析中kl往往只能粗略地给出一个数值或者根据经验进行估计，没有相应的可靠依据或者实测数据。文献[6]提出了衬砌的“等效渗透系数”的概念用于定性分析或者估计衬砌水压力，但是由于确定该等效系数的数值计算模型中的一些假定造成相关参数取值的不确定性、轴对称模型在一些情况下的适用性问题(如由于围岩裂隙造成地下水渗透的各向异性、水头)，该方法的实用性仍然有待商榷，目前来看仍然还是实际测试的结果更为合理。诸如此类的问题目前还未完全有定论，因此往往在相关问题的分析中，只能通过人为设定衬砌排水量的方式进行考虑来计算或分析衬砌水压力的折减系数β，使得结果存在一定局限性。

图5 衬砌水压力轴对称计算模型

另外，在实际中也会发生一些与假定不符的情况，比如通常认为排水型隧道的衬砌后设置了完善的排水系统，衬砌应不承受水压作用，但是有时也会发生由于局部水压积聚造成衬砌开裂甚至掉块的情况[19]。此种情况的主要原因在于涌水量过大或者排水设施的能力不足，无法及时排出入渗的地下水，造成水压积聚。

以上问题也使得人们思考，鉴于排水系统的渗透系数对衬砌水压力计算而言如此重要，那么：这个参数该如何确定；是否在隧道中设置了排水系统就可以忽略衬砌水压力；如果在一些情况下不能忽略，那么排水系统的渗透系数(排水能力)该如何取值。

2 隧道排水系统模型及工作能力分析

2.1 隧道排水系统串联模型的建立

如图2所示，隧道排水设施由各种部件构成且形成一个完整的体系，渗水在该体系中有特定的流动路径，也即隧道排水系统要遵循一定的模式进行工作。假定防水板不破坏或失效，渗过初支的地下水在衬砌背后的流动路径模型，见图6。其中无纺布对渗水也能起到一定的导排作用，汇入拱墙底部的纵向盲管中，也可能会在环向盲管附近将渗水导入到环向盲管中。但是考虑到由于喷射混凝土表面往往粗糙不平，无纺布往往不能初支基面密贴，中间通常要出现一定的空隙增大排水空间(见图7)，因此可以认为渗水沿着无纺布层发生的流动主要是沿着重力方向进行，此处暂且忽略无纺布向环向盲管的导水作用，可以重新建立如图8所示的隧道排水系统串联模型。另外在实际中有时也可能采用其他的一些排水材料(如塑料排水板等)，因此将模型中的“无纺布”替换为“排水垫层”，以统一指代全面在隧道初支基面铺设的排水材料(不包含环向盲管和纵向盲管)。

以上模型的建立可以为分析隧道排水系统的工作性能梳理思路：如果可将隧道排水系统视为n个部件串联连接关系，见图8，那么该模型的排水能力(渗透系数)kd就应取决于系统中最小排水能力部件i的kdi(考虑水量连续及系统性能的“瓶颈”效应)为

kd=min(kdi)i=1，2,3,…，n-1,n

图6 隧道排水系统模型

图7 隧道衬砌中无纺布与初支基面的空隙

(1)

因此，需要对隧道排水系统中的每个部件按照对应的标准进行测试或计算分析，以便确定系统的整体工作性能参数kd。得到kd之后，就可以通过等效的方式换算为衬砌的渗透系数kl，以便进行衬砌水压力的计算分析工作。

2.2 隧道排水系统部件性能测定方法

根据隧道排水系统中水流的路径和方向，对于无纺布、塑料排水板等平面导排水材料，可以通过测试其水平(纵向)排水性能来确定其渗透系数和通水能力。按照SL 235—2012《土工合成材料测试规程》[20]中相应的方法和仪器设备(见图9)进行测试，相应的水平渗透系数kh20、单宽流量Qh20和导水率θ20分别计算[20]为

图8 隧道排水系统串联模型

1—试样；2—加荷板；3—水位差。图9 水平渗透试验仪

(2)

式中：kh20为试样20 ℃时水平渗透系数，cm/s；V为渗透水量，cm3；L、B、δ分别为试样长度、宽度和厚度，cm；Δh为上下游水位差，cm；t为通过水量V的历时，s；η为水温修正系数。

(3)

式中：Qh20为试样在一定压力与一定水力梯度下20 ℃时单宽流量，cm2/s或cm3/(s·cm)。

θ20=kh20δ

(4)

式中：θ20为试样20 ℃时导水率，cm2/s。

隧道环向和纵向排水盲管目前多采用软式透水管，该材料是由弹簧钢线和外覆透水过滤层的复合体管材，其排水能力的表征需要测试外覆透水过滤层的垂直渗透系数k20和透水率ψ20[21]，具体测试及计算方法可参照文献[20]，此处不展开叙述。有时隧道纵向排水盲管也采用钻孔的PVC管或打孔波纹管，外裹一层无纺布反滤层，此种情况应对反滤层的垂直渗透系数、管材的进水和排泄能力均要进行测试，取最小值作为管材的通水能力。其中管材的进水能力与打孔的孔径、数量有关，目前相关规范中也尚无对应的测试方法，需要进一步探讨和研究。

隧道中心水沟(管)及纵向、环向、横向排水盲管的排水能力，可以依据相应的水力公式展开计算，需要根据沟或管的粗糙系数n、水力半径R、水力坡度I等参数综合确定[22]。

隧道排水系统各部件的排水能力确定以后，即可以根据式(1)得出隧道排水系统的kd。需要注意的是：本节所提出的隧道排水系统的渗透系数(排水能力)确定方法并未考虑各部件之间的连接方式(所造成的局部水头阻力等因素)等因素对系统排水能力的影响。在小流量和低水头的情况下，忽略该部分损失对整体计算结果影响不大，但是在大流量高水头情况下的影响还需要做进一步的分析。同时，该方法也暂未考虑排水系统在隧道运营过程中其内壁所逐步形成的沉积物和局部淤堵对其排水能力的影响，应加强施工和运营期间对隧道排水系统的清理和维护，防止其降低或丧失排水能力。

2.3 隧道排水系统排水能力对衬砌水压的影响

隧道衬砌所承受的水荷载与单位时间内衬砌后的入渗水量和排水系统排泄水量紧密相关，为此可以通过模型中的两种情况进行说明[17]，见图10。

图10 隧道衬砌承受水压力形成模型

当进入隧道衬砌排水系统的入渗水量Q1>排水系统排泄水量Q2时：经过一段时间后，衬砌背后存储的地下水会越来越多，衬砌所承受的水压力随之增大，最终会维持一个稳定的衬砌水压值。当进入隧道衬砌排水系统的入渗水量Q1<排水系统排泄水量Q2时：衬砌背后的地下水被快速排空，仅在隧道的底部可能会存在一定的积水，但其值不大，从而使得地下渗水产生的水荷载趋近于0。

以上分析说明，衬砌背后排水系统的排水能力必须要大于透过注浆圈和初支渗入的水量，则二次衬砌所承受的外水荷载可以忽略不计[13]。对以上模型的分析可知：隧道排水系统的排水能力、通畅与否对隧道衬砌水压力的形成影响很直接，在通过注浆等手段对入渗水量进行了控制以后，也仍然要重视隧道排水设施的设计，预留足够的排水能力；隧道衬砌上的水压力荷载往往从仰拱等低部位逐步形成并向边墙、拱顶等高部发展，加强隧道低部位置处的排水往往是减少衬砌水压较为有效的做法。

3 塑料排水板性能测试试验

如前所述，可将隧道排水系统视为各排水单元串联而成，本文选取隧道排水垫层单元初步考察隧道排水单元系统的排泄能力对衬砌水压力的影响。为加强排水效果，选用带有凸起颗粒、排水空间大、纵向通水能力强的塑料排水板[23]制作小型试件，开展室内排水试验测定水力参数进行分析。

3.1 试件制作及试验装置

排水板试件为科顺防水科技股份有限公司提供的“奇封排水板”，其凸起圆台颗粒的高度为8 mm。

SL 235—2012《土工合成材料测试规程》[20]中对塑料排水板通水量的试验方法主要适合在低水头条件下的通水量测试，为测试排水板在高水头、大流量状态下的排水性能，制作了排水混凝土板，见图11。自粘防水卷材主要起到封闭排水板边缘空隙的作用，防止试验中出现漏水；无纺布用于覆盖排水板表面，防止浇筑混凝土时侵占排水空间。

图11 排水试验混凝土板

进水装置为连接实验室的自来水管路，在阀门处安装了水压表测试出口水压。水压表为西安自动化仪表一厂生产，精度2.5。

该自来水管路的静止测试水压为0.6 MPa，试验时的水温为21 ℃。将自来水管路的出水阀门开至3处标定位置以进行基准试验，待流量稳定后记录对应的管口流动水压Pz0及单位时间流量Vz，结果见表1。

表1 自来水管路水量水压基准试验

3.2 试验步骤

连接自来水水管路与混凝土板进水管口→预加水压渗流15 min，排尽空气→分级施加不同水压(自来水阀门旋至3个不同的已标定位置)，每级持续作用10 min→测量混凝土板出水口在各级水压下的单位时间排水量Vb，以及自来水阀门处、混凝土板进水口和出水口处水压表数值Pz1、Pbj、Pbc。

3.3 试验结果及分析

根据试验测试的结果数据，按式(2)～式(4)可以计算得到排水板的水平渗透系数kh20、单宽流量Qh20和导水率θ20(见表2)。此处的计算中将(Pbj-Pbc)视为式(2)中的Δh。

表2 混凝土板排水性能试验结果

(1)排水量对水压的影响

由表1、表2的数据对比可知，表2中的工况1代表了入渗水量Q1<排泄水量Q2的情况，此时排水系统能快速地将渗水排走，排水系统中仅剩下很小的动水压，水压表几乎难以读数。表2中的工况2、3情况都能代表Q1>Q2的情况，此时排水系统中充满渗水无法及时排出，混凝土板开始承受一定水压，并且也导致自来水管路控制阀门处的出口动水压也上升(意味着渗流压力开始回传)。

此部分试验结果可以很好地验证2.3节的相关内容，同时也可以判断应该存在一个平衡点(即Q1=Q2)，这个平衡点即可视为排水系统的最优(而不是最大)排水能力，设计时应尽量以这个平衡点作为排水系统的设计标准，以便发挥排水系统的最优效果。

(2)排水板水平排水性能

由表2可知，排水板的kh20、Qh20等水力参数在试验中发生着动态变化，但是在3个工况中排水板上的水力梯度几乎相同，此时影响排水板的水平排水性能的主要因素是入渗水量在逐级增加。此试验现象说明，在排水空间一定的情况下，排水设施的排水能力将随着入渗水量的增加而提高，但排水能力的提高并不总意味着对水压的更好消除，仍然要注意“平衡点”的存在。同时，在进行隧道衬砌水压的计算和分析中，也应注意到排水设施的渗透系数可能是一个动态变化值。

对比文献[24]对同类排水材料的测试结果，单宽流量指标数值的差别在102这个量级(但比起相关文献中对衬砌透水层的渗透系数取值来说，本文试验测试得到的渗透系数数值仍然要大许多)，这可能是由于试验装置入水管和出水管的管径较小、而且管路的沿程阻力和局部损失都较大的缘故所导致。当试验条件和设备统一以后，试验结果就不会差别过大。

(3)其他

本部分的试验结果也表明，在隧道排水系统中各排水单元的联接部位也会对隧道排水系统的整体排水性能和水压卸载能力有较大影响。由于试验装置排水出口端水管口径的限制，对渗水的快速排出及水压积聚也造成了较大影响，实际上塑料排水板的最大工作能力尚未得到全面的发挥。结合图8可知，在实际工程中对隧道排水系统中各单元之间的联接部位的排水能力也应引起注意。

本文的试验并未严格按照规范要求的方法开展，而是针对高水头、大流量的情况自制了试件和试验装置进行了初步的尝试，因此在实验中还存在一些问题有待进一步探讨和完善。

4 结论

本文针对隧道衬砌水压力计算问题中的排水系统的工作能力及相关参数指标进行了分析和探讨，主要结论和建议如下：

(1)隧道衬砌水压力的计算和分析中，排水系统的工作能力(排水能力，或渗透系数)是一个重要的指标，目前针对该指标的取值大多是假定，需要结合试验或实测的途径对该值的取值予以明确，以增强相关分析的实用性。

(2)建立了隧道排水系统的串联模型，依据该模型可知隧道排水系统的排水能力将取决于隧道排水系统中的最小排水能力部件。

(3)通过试验验证隧道排水能力与入渗水量之间的关系对衬砌水压的影响，同时发现排水系统应有一个“平衡点”，能在完全排出渗水的同时使得排水系统的水压也不至于积聚上升。

(4)隧道排水系统的排水性能参数如单宽流量、水平渗透系数等指标会随着入渗水量的变化而改变，但同时也应注意排水系统排水能力的提高不一定会起到更好地消除水压的作用，仍然要对其最优的工作能力引起关注。

本文选用塑料排水板这一个排水单元展开了初步的研究和探讨，其他类型的排水材料、隧道排水体系的整体工作能力等问题还有待进一步研究。