隧道穿越不同岩性接触带防排水技术探讨与分析

刘 涛，朱大河

(银西铁路有限公司,宁夏吴忠 751100)

隧道能够正常施工和后期正常运营的重要条件之一就是隧道内能够保持干燥，而一直以来山岭隧道工程中都普遍采用自由排放或以排为主的防排水方式，这在某些环境脆弱地区甚至造成了生态灾难[1]，而地下水渗漏进入隧道，不仅会降低设备的使用寿命，也会对隧道后期维修带来困难，鉴于此有必要进一步针对隧道施工中防排水技术开展深入的研究。

隧道结构如同一个有机体,其排水系统需要保持正常的工作状态,结构防水的薄弱环节可能发生渗漏,对于这一问题，许多工程师和学者对隧道施工中的防水与排水技术进行了大量研究与探讨。李建旺[1]以玉渡山隧道工程富水区域为研究对象,通过对严冬时期防排水冻害情况进行科学研究及对比分析,为我国北方富水严寒地区高速公路隧道防排水施工总结相关经验；刘海涛[3]通过总结成都轨道交通18号线工程龙泉山隧道施工中的技术,有效地解决了反坡隧道开挖施工过程中容易出现的地下水往施工面汇集影响围岩的稳定性问题；而李闯[4]针对隧道工程中放排水施工技术要点和质量控制措施也进行分析;黄任远[5]则阐述了山区公路隧道防排水的原则,并结合具体的工程简要探讨山区公路隧道防排水施工技术;刘国生[6]以丁家营隧道为工程背景,从洞口及地表防排水、洞口明挖段防排水、洞内防排水、结构防排水、辅助坑道防排水等方面,对排水专项方案进行了探讨，确保施工期间洞内排水快捷、安全、流畅。

以上防排水措施均将地层视为同一弹性介质，即采用均一化的方法而未考虑地层的分层差异性，因此针对于在不同接触带的防排水措施，目前有很少的学者进行了研究，鉴于此，本人在前人的基础上，依托银西高铁沿线贾塬隧道段的实际工程，对隧道穿越不同接触带的防排水技术进行了探讨与分析，提出了在不同接触带的防排水措施，为隧道的安全施工与后期的运营维护提供保障。

1 隧道工程结构防排水施工

1.1 隧道工程防排水设计理念

“以堵为主，限量排放”的这一理念，是现今所有隧道施工中施工人员所普遍采取的防水与排水的设计，其中“堵”的目的就是减少水流渗到衬砌的背后，其控制手段就是注浆，而“排”的目的是降低作用在衬砌后的水的压力值，控制措施一般为设置环向和纵向的排水盲管。

1.2 隧道围岩抗渗分级标准

对隧道围岩的抗渗性进行分级的主要目的是将隧道划分为不同的防水区段，对结构渗水量进行预测，并确定合理的排水量控制标准，然后对不同的区段单元来确定不同的对策；依据围岩抗渗性评价标准[7]，以渗透性作为指标，我们可将隧道围岩划分成四个等级，依次是I、II、III、IV ，级别越高，围岩的渗透性能也在增强，换而言之，其抗渗性在减弱。

所以，隧道随围岩抗渗性能的变化将会影响施工人员在施工中采用何种措施，因此当采用“以堵为主，限量排放”的这一理念来设计隧道的防排水系统时，其防水排水方式应该与围岩抗渗性能相适应。并且由上述可知，所有围岩级别中，抗渗性能最好的是I 级围岩，隧道渗漏量小，可依据设计要求正常施工；其次抗渗性能较好的是II 级围岩，在隧道施工时初期支护堵水措施基本可以满足设计要求，但是它的施工质量要能够得到有效的保障；而针对于III 、IV 级的围岩，因为其渗透性很大，渗水量最大，所以在施工时除却采用初期支护堵水措施外，还需要另外设置加固圈进行联合堵水，两者共同作用可使渗水量得到有效地控制。

1.3 渗流解析模型

一般山岭隧道断面都是非圆形断面，可将隧道的真实断面做近似的处理，即可采用等效圆法[7]将马蹄形断面看作为均匀的圆形断面；再者，为了便于分析隧道中的渗流情况，可以做如下的两个假设：

(1)含水介质及流体连续不可压缩，水流处于稳定层流状态，服从 Darcy 定律。

(2)远场地下水补给充分,即地下水面不随隧道排水而降低，即水位面的高度大致保持不变；解析模型见图1。

图1 渗流解析模型

事实上，可将隧道渗水主要分为两个过程，一是施工过程中的渗流量，可称为初始渗流量；二是对隧道围岩采取注浆堵水以及初期支护等一系列的阻水措施后，渗透到衬砌背后的水量，称之为隧道的结构渗水量，我们通常把这一部分的水量作为隧道的排水系统的设计依据。依据达西定律和渗流的连续性方程可得到原始渗水量的表达式[8]：

(1)

式中：h0为稳定渗流场水头；h1为内水水头；R0为渗流场变化范围；r0为等效开挖半径；

同理可以得到结构渗水量的表达式：

(2)

式中：rg为注浆圈外径；r1为初期支护外径；kg为注浆圈渗透系数;k1为初期支护渗透系数；ks为原岩渗透系数.

1.4 排水解析模型

假设沟道中没有障碍物的局部干扰，排水沟道的过流断面是沿程不变的，并且沟道为长而直的的顺坡渠道，断面的平均流速和流量都不发生改变，所以可把水流简化成均匀流，假设渠底坡i和粗糙系数n沿程不变，因此可认为排水沟符合明渠均匀流。明渠均匀流的基本公式如下:

(3)

因明渠均匀流的水力坡度与渠底坡度相等，所以以上公式可写为：

(4)

根据连续性方程，可得排水沟的流量：

(5)

式中：A为过流断面面积；R为水力半径；C为谢才系数，通常采用曼宁公式或者巴甫洛夫公式来确定：

(6)

(7)

式中：

将式(6)代入式(5)中有：

(8)

坡度i、粗糙系数n、断面形状、尺寸等因素决定了排水沟道的排水能力。而坡度i取决于地形，n由所选材料确定，这就意味着，底坡坡度i和粗糙系数n是事先就已经确定好了的，因此在对排水沟道进行设计时，沟道的排水能力即断面的过流量Q的大小仅仅取决于过流断面的大小及其形状。当然，从渠道设计的方向去思考，在一定的过流量的情况下得到最小的过流断面面积，以减少工程量，节约投资，这就要求设计最优的过流断面。

从式(8)中可以看出：如果底坡坡度i、粗糙系数n及面积A确定了，显然要通过最大的流量就要使湿周最小。在所有面积相等的几何图形中,圆形具有最小的湿周,但是在实际的施工过程中，一般不采用，因为很难施工，且费时费力，因此施工中一般采用的都是梯形断面，而且排水沟道的边坡系数m=cotα的确定是由和现场的施工条件以及边坡的稳定条件来控制的，于是边坡系数事先也可以得到确定。这样，就可以通过改变宽深比来改变湿周。梯形过流断面见图2。下面讨论边坡系数已知的情况下，排水沟道断面为梯形时的水力最优条件。

图2 梯形过流断面

断面的各水力要素之间的关系如下：

(9)

由式(9)可得梯形断面湿周为：

(10)

可将式(10)对水深h求导，求其函数的极小值。即令：

(11)

再求二阶倒数得：

(12)

故函数的极小值存在。解式(11)，将式(9)中A的表达式代入，可以得到β=b/h表示的梯形断面水力最优条件为：

(13)

由上式可以看出，梯形断面的最优水力条件下的宽深比β仅与断面的边坡系数m有关。并且将式(13)代入式(7)中，可以发现：

(14)

式(14)表明，梯形断面的最优水力条件下的的水力半径等于水深的一半。

1.5 隧道防排水系统及其协同作用

我们知道，对于隧道堵水系统来讲，它的首要作用就是将大部分的渗水量堵在衬砌结构之外，不让地下水渗入到衬砌结构后头，并且还需要承担一定的围岩压力以及水压力；而排导系统的作用则是将把堵水系统所堵住的隧道结构渗水量绝大部分或者全部的水量排出到隧道结构外，使得作用在衬砌结构上的水荷载能够得到有效的下降；因此要使得隧道的结构的渗水量以及作用在衬砌结构上的外压力能够得到有效降低，可以通过改变注浆圈的抗渗性能来实现，即增加其抗渗的能力，但这并不意味着我们可以无限增大注浆圈抗渗性能，因为抗渗性能增加到一定程度时，对于隧道的结构渗水量以及作用在衬砌结构上的水压的控制作用趋于平缓。

2 工程应用实例

2.1 常用的注浆材料

对隧道施工过程中的涌水处治，在选择何种注浆浆液时应该从工程实际出发，考虑隧址及周边的地质条件、水系系统、注浆施工空间、工程处治要求、浆材性能及注浆工艺，还应考虑浆液与注浆机理的吻合情况、注浆成本及环境保护等综合因素，根据实际需要和可行性，选择最为适宜的浆材，使之获得最佳的经济技术指标。目前隧道涌水处理最常用的浆液是单液水泥浆和双液水泥-水玻璃浆。

鉴于施工中存在的多种不确定因素，建议该隧道工程注浆圈厚度[9]取值为5 m，现在山岭隧道施工中都是采取环纵横向排水管及盲管+墙角泄水孔的排水方式。目前在隧道施工中所用的纵向排水盲管是半径为5 cm的有细孔的软式透水管。洞内采用双侧水沟外加中心矩形盖板水沟进行排水,而中心水沟与双侧排水沟相连通,把双侧水沟汇聚的地下水通过中心水沟排到隧道洞体外。

2.2 注浆方式及顺序

注浆的方式大体上可以分为全段式注浆以及分段式注浆两种，而分段式注浆按照注浆的顺序又可以分为前进式和后退式注浆。注浆方式的选择应该依据围岩状况、注浆设施能力及地下水分布情况来确定。

全段式注浆就是按照注浆设计的长度一次性钻孔到位，然后一次性完成注浆。其优点很多：一次性钻孔到位，避免了多次分别钻孔和注浆，减少了钻孔和注浆的各个施工环节，大大提高施工效率；对围岩的扰动次数少，有利于围岩的稳定；施工工艺简单，节约成本。但也存在一些不足：由于注浆长度较长，浆液可能会造成凝结，阻碍浆液的流动，也可能因裂隙的发育复杂引起浆液的不均匀扩散甚至造成大量浆液的流失，故其注浆质量难以得到保证；该方法适用于裂隙不是很发育且较均匀、涌水量较小的情况。

分段前进式注浆就是首先按设计钻一定距离的孔，跟着进行注浆，然后开挖至设计长度后再进行注浆，在开挖，工序反复进行直达达到设计长度为止。这种方法的有点在于注浆长度较短，对钻机级注浆设备性能要求较低，复注段落多，容易保证注浆效果，保障施工安全。

分段后退式注浆就是一次性钻孔到注浆设计深度，然后由孔的地段往前按设计分段注浆，直到掌子面为止。该方法的优点最为明显的就是在不必增加多次钻孔的前提下，由掌子面往里掘进，通过开挖可以实际检查注浆效果，预知前方围岩状况，确保施工安全，若是发现注浆不佳，可以通过补浆来达到注浆效果。

2.3 防水板施工

(1)铺设防水板前先铺设土工无纺布，且土工布重量不小于400 g/m2,且其厚度不应该小于1.5 mm；两幅防水板搭接宽度15 cm,且在铺设防水板时，据防水板幅面大小，将防水板托起贴着喷混凝土表面由拱顶向两侧墙部铺设，以保证防水效果，又能预留搭接余量。

(2)无纺布之间采用搭接法进行连接，搭接宽度不小于5 cm，铺设固定完成后，再将防水板固定到预定位置，使防水板焊接在固定无纺布的专用热熔衬垫上，与无纺布充分接合并紧贴在喷射混凝土表面。具体如图3所示。

图3 防水板铺设示意

2.4 施工缝及变形缝防水处理

2.4.1 施工缝防水

DK274+914.14～DK284+985为弱富水区，环向仰拱施工缝采用中埋式止水带+背贴式橡胶止水带+毛细排水板(幅宽1 m)的复合防水构造，并增设一幅2 m宽的防水板及无纺布；DK284+985～DK286+780.06为贫水区，环向仰拱施工缝采用中埋式止水带+背贴式橡胶止水带的复合防水构造，并增设一幅2 m宽的防水板及无纺布；纵向施工缝设置中埋钢边橡胶止水带+背贴式橡胶止水带的复合防水构造，如图4所示。

图4 施工缝防水结构示意

2.4.2 变形缝防水

采用中埋式止水带+背贴式橡胶止水带+聚乙烯泡沫板填缝的复合防水构造。背贴式防水带后布设一环2 m宽复合防水板，背衬无纺布。防水结构见图5。

3 结论

(1)对隧道围岩的抗渗性进行分级的主要目的是将隧道划分为不同的防水区段，对结构渗水量进行预测，并确定合理的排水量控制标准，然后对不同的区段单元来确定不同的对策；依据围岩抗渗性评价标准，以渗透性作为指标，我们可将隧道围岩划分成四个等级，依次是I、II、III、IV ，级别越高，围岩的渗透性能也在增强，换而言之，其抗渗性在减弱；而针对于III 、IV 级的围岩，因为其渗透性很大，渗水量最大，所以在施工时除却采用初期支护堵水措施外，还需要另外设置加固圈进行联合堵水，两者共同作用可使渗水量得到有效地控制。

(2)事实上，可将隧道渗水主要分为两个过程，一是施工过程中的渗流量，可称为初始渗流量；二是隧道完成后的隧道结构渗水量，它是指对围岩进行注浆加固以及初期支护等改良和处置后的渗水量才作为围岩渗水量，通常以此作为排水系统的设计依据。

(3)注浆的主要作用在于降低衬砌背后的渗水量，且存在一个相对经济合理的注浆圈加固参数值。如若要使得隧道的结构的渗水量以及作用在衬砌结构上的外压力能够得到有效降低，可以通过改变注浆圈的抗渗性能来实现，即增加其抗渗的能力，但这并不意味着我们可以无限增大注浆圈抗渗性能，因为抗渗性能增加到一定程度时，对于隧道的结构渗水量以及作用在衬砌结构上的水压的控制作用趋于平缓。